高溫高壓油藏井壁沉淀物成因研究
——以準(zhǔn)噶爾盆地高探1井為例

李二庭，蔣宜勤，林莉莉，迪麗達(dá)爾·肉孜，謝禮科，周 妮，安 科

(1.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

油井開(kāi)采過(guò)程中井筒內(nèi)常常遇見(jiàn)沉淀堵塞物，影響了油井的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成停產(chǎn)，因此查明井筒沉淀堵塞物成因?qū)τ诂F(xiàn)場(chǎng)制定解堵措施具有重要指導(dǎo)意義，有利于油井正常平穩(wěn)生產(chǎn)[1-6]。目前研究認(rèn)為，井筒沉淀物的形成具有復(fù)雜的成因機(jī)理，不同情況下的表現(xiàn)不同。文獻(xiàn)中報(bào)道的成因包括高碳數(shù)蠟的沉積[7-9]，高含瀝青質(zhì)原油中的瀝青質(zhì)易絮凝和沉積[10-13]，單質(zhì)硫與有機(jī)物混合物混合形成[14-15]，地層砂與無(wú)機(jī)鹽類(lèi)礦物形成堵塞物[16-18]等等。

準(zhǔn)噶爾盆地高探1井位于盆地南緣四棵樹(shù)凹陷高泉背斜。2019年1月，該井白堊系清水河組試油獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，最高日產(chǎn)超過(guò)千方，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)噶爾盆地南緣下組合油氣勘探的首次重大突破，具有重要典范意義[19-21]。前人的研究認(rèn)為高探1井油氣同源，主要來(lái)自高成熟的侏羅系烴源巖[22]。高探1井原油為輕質(zhì)油，具有密度低、黏度低、含蠟量中等、凝固點(diǎn)中等的特點(diǎn)，屬于弱揮發(fā)性油藏[23]。但隨著高探1井的開(kāi)采，其井壁出現(xiàn)了大量黑色固體不溶沉淀物，堵塞了井筒，嚴(yán)重影響了該井的正常生產(chǎn)，與原油輕質(zhì)，理論上應(yīng)不大可能出現(xiàn)沉淀物的推論不符。因此亟需明確固體沉淀物的成因機(jī)理，為現(xiàn)場(chǎng)工程工藝改進(jìn)和預(yù)防措施制定提供依據(jù)。

本文通過(guò)運(yùn)用熱解、族組分等分析手段，明確了高探1井井壁沉淀物的地球化學(xué)組成，并對(duì)比高探1井原油組成，探討了其形成原因。

1 原油性質(zhì)基本特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣高探1井連續(xù)原油取樣，其物性及組分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，高探1井原油為輕質(zhì)油，隨時(shí)間開(kāi)采，原油性質(zhì)整體上沒(méi)有明顯變化，呈現(xiàn)密度低、黏度低、中等含蠟、析蠟點(diǎn)低、基本不含水的特點(diǎn)，20 ℃密度分布在0.807 8～0.828 6 g/cm3，50 ℃時(shí)黏度分布在2.0～2.6 mPa·s，含蠟量分布在6.26%～8.01%，析蠟點(diǎn)分布在16.75～19.20 ℃，族組分中以飽和烴為主，含量分布在65.01%～78.77%，瀝青質(zhì)含量低，分布在1.24%～8.30%。

2 高探1井井壁沉淀物組成

2.1 井壁沉淀物巖石學(xué)分析

本文分析的高探1井井壁沉淀物分別為井口處、井壁1 400 m處、井壁2 800 m處樣品，在肉眼下形態(tài)均呈黑色固體塊狀，外觀特征近似瀝青(圖1a)，對(duì)沉淀物固體含量分析主要采用懸浮法和熱解法完成。懸浮法為用100 mL苯溶解5 g左右井壁沉淀物樣品，真空抽濾，濾紙采用孔徑為5 μm的水系濾膜，通過(guò)濾膜前后增重與原始井壁沉淀物重量比值，計(jì)算含固量；熱解法，熱解溫度600 ℃，通過(guò)井壁沉淀物熱解后(圖1b)與熱解前樣品重量比值(圖1a)計(jì)算固體含量。結(jié)果顯示，以1 400 m處樣品為例，懸浮法計(jì)算固體含量為37.08%；熱解法計(jì)算固體含量為30.88%?？梢?jiàn)，沉淀物中無(wú)機(jī)礦物雜質(zhì)含量較高，這對(duì)于瀝青質(zhì)的沉淀可能存在一定的促進(jìn)作用。

針對(duì)沉淀物中泥砂固體開(kāi)展巖石薄片鑒定和粒度分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。從顯微鏡下顯示可以看出，1 400 m處井壁沉淀物主要是原油和泥粉砂質(zhì)的混合物(圖2a)，以細(xì)粉砂為主。激光粒度分析結(jié)果顯示砂質(zhì)粒徑主峰分布在20～30 μm范圍內(nèi)，成分主要為石英、長(zhǎng)石、泥質(zhì)、方解石、鐵質(zhì)、碳質(zhì)，與高探1井5 768～5 770 m巖屑成分相似(圖2b)。熒光呈淺褐黃色，主要為膠質(zhì)瀝青和油質(zhì)瀝青的混合物(圖2c)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣高探1井地面原油物性及族組分特征Table 1 Physical properties and family composition characteristics of oil from well Gaotan 1 on the southern margin of Junggar Basin

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物熱解實(shí)驗(yàn)Fig.1 Pyrolysis experiment of wellbore sediment in well Gaotan 1, Junggar Basin

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物與巖屑顯微鏡下特征對(duì)比Fig.2 Microscopic characteristics comparison of wellbore sediments and debris in well Gaotan 1, Junggar Basin

2.2 井壁沉淀物有機(jī)組分物性分析

對(duì)高探1井井壁沉淀物進(jìn)行可溶性及熔融性分析，結(jié)果見(jiàn)表2、表3和圖3。井壁沉淀物可溶性實(shí)驗(yàn)步驟如下：取適量的1 400 m井壁沉淀物樣品，分別放入10 mL不同極性的有機(jī)溶劑進(jìn)行可溶性實(shí)驗(yàn)，溶解率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢钥闯觯S著有機(jī)溶劑極性增大，溶劑對(duì)樣品的溶解性增強(qiáng)，樣品溶解率升高。在極性較低的溶劑油、石油醚、正己烷中，沉淀物的溶解率在50%左右，過(guò)濾后，有成塊狀的不溶固體。相比而言，在極性較高的二甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷中，沉淀物基本溶解，過(guò)濾后僅有極少的小顆粒雜質(zhì)。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)殘余小顆粒雜質(zhì)為泥沙物質(zhì)，說(shuō)明高探1井井壁沉淀物主要為可溶有機(jī)質(zhì)。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物中有機(jī)質(zhì)在不同極性有機(jī)溶劑中的溶解情況Table 2 Dissolving ability of different polar organic solvents for organic matter in wellbore sediments in well Gaotan 1, Junggar Basin

表3 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物中有機(jī)質(zhì)在不同溫度下熔解實(shí)驗(yàn)Table 3 Melting experiments of organic matter in wellbore sediments in well Gaotan 1, Junggar Basin

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物熔解實(shí)驗(yàn)Fig.3 Melting experiment of wellbore sediments in well Gaotan 1, Junggar Basin

井壁沉淀物熔解性實(shí)驗(yàn)：為明確高探1井井壁沉淀物樣品隨溫度變化情況，進(jìn)行了熔融性實(shí)驗(yàn)。同樣取適量的1 400 m井壁沉淀物樣品置于燒杯中，水浴升溫，升溫范圍40～90 ℃，每隔5～10 ℃作為一個(gè)溫度點(diǎn)，保持 20 min，觀察樣品的流動(dòng)狀態(tài)，在90 ℃溫度點(diǎn)觀察后將樣品自然降溫至室溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和表3?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，沉淀物樣品逐漸由固體塊狀軟化，在加熱至55 ℃，樣品全部軟化，成軟坨狀，在60 ℃時(shí)樣品開(kāi)始出現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，在90 ℃時(shí)，沉淀物已全部熔解，具有可流動(dòng)，有光澤感，加熱后樣品溫度在降至室溫后，重新凝固，呈細(xì)膩狀，有光澤感，表現(xiàn)出瀝青的特點(diǎn)。

2.3 井壁沉淀物中含蠟量分析

井壁沉淀物蠟含量分析結(jié)果顯示，含蠟量較低，以1 400 m處樣品為例，其含蠟量為2.84%，析蠟點(diǎn) 21.2 ℃。從前文井壁沉淀物的熔解實(shí)驗(yàn)也可以看出，在室溫 25 ℃時(shí)，沉淀物呈黑色粗糙狀的固體狀態(tài)，且樣品在加熱至60 ℃時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明高探1井井壁沉淀物形成原因與原油蠟析出的關(guān)系不大。

2.4 井壁沉淀物族組分分析

采用二氯甲烷溶解井壁沉淀物，過(guò)濾除去固體雜質(zhì)，可溶有機(jī)質(zhì)揮發(fā)晾干，進(jìn)行族組分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。從表中可以看出，高探1井井壁沉淀物中可溶有機(jī)質(zhì)與原油組成差異明顯，主要以瀝青質(zhì)為主，井口處沉淀物的瀝青質(zhì)含量較低，含量在40%以上，井壁沉淀物的瀝青質(zhì)含量達(dá)到70%以上。

表4 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物中有機(jī)質(zhì)族組分特征

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物不同溶劑溶解液氣相色譜(a，b)和水相液相色譜(c，d)Fig.4 Gas chromatograms(a,b) and aqueous liquid chromatograms(c,d) of differentsolvent dissolved wellbore sediments in well Gaotan 1, Junggar Basin

2.5 井壁沉淀物可溶有機(jī)質(zhì)色譜分析

為明確高探1井井壁沉淀物中是否含有聚合物及可溶有機(jī)質(zhì)的主要成分，采用色譜和液相色譜技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，二氯甲烷萃取液色譜圖中出現(xiàn)較大的“基線鼓包”，說(shuō)明存在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)一類(lèi)的高質(zhì)量數(shù)、沸點(diǎn)較高，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀無(wú)法分離的物質(zhì)。正己烷萃取液色譜圖可看出，主峰碳數(shù)為 C24，說(shuō)明該沉淀物烷烴主要成分為中質(zhì)組分，屬中質(zhì)油，原油中的輕質(zhì)組分優(yōu)先分逸流出。沉淀物水層萃取液液相譜圖中只有一個(gè)水的倒峰，說(shuō)明沒(méi)有易溶于水相的大分子量的物質(zhì)，沉淀物樣品中不含大分子聚合物。

3 高探1井井壁沉淀物成因分析

前人的研究認(rèn)為原油中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香烴、烷烴組分在一定比例條件下處于平衡狀態(tài)，瀝青質(zhì)不易析出，在原油開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)溫度和壓力發(fā)生改變，會(huì)造成原油組成發(fā)生變化，原油動(dòng)態(tài)穩(wěn)定體系被破壞，會(huì)造成原油中瀝青質(zhì)析出、締合為絮狀物而沉積在井筒表面[23-29]。通過(guò)原油的膠體系統(tǒng)不穩(wěn)定指數(shù)可以宏觀預(yù)測(cè)原油是否會(huì)發(fā)生瀝青質(zhì)析出，該指數(shù)定義為CII=[(飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù))/(芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)+膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù))][30]。CII≤0.7，原油體系穩(wěn)定；0.7

前人的研究表明，高探1井油源可能來(lái)自四棵樹(shù)凹陷侏羅系烴源灶[18]，生成的原油成熟度高，輕質(zhì)組分含量高，C1—C5組分含量為71.41%[19]。井壁沉淀物瀝青質(zhì)組成主要為高縮合度組分，從元素組成分析上看，瀝青質(zhì)的H/C比達(dá)到1.04，氧元素含量達(dá)到7.95%，氮、硫元素含量較低，含量低于1%，表明瀝青質(zhì)主要為高縮合度芳烴，具有較多含氧雜原子。由于高探1井油藏地層條件下為單相液態(tài)流體，地層異常高壓，地層能量充足，輕質(zhì)組分對(duì)高縮合度瀝青質(zhì)組分溶解能力強(qiáng)，易于將瀝青質(zhì)從地層中攜帶入井筒。

綜合以上的分析，認(rèn)為高探1井井壁沉淀物形成與其油藏特殊性有關(guān)。高探1井井壁沉淀物主要以可溶有機(jī)質(zhì)為主，含量在70%左右，含泥粉砂質(zhì)顆粒，其中可溶有機(jī)質(zhì)又主要由高縮合度瀝青質(zhì)組成，高縮合度主要是由于高的熱演化程度造成的，其含量占有機(jī)質(zhì)的70%以上。故可以推斷，高探1井井壁沉淀物的形成原因可能是在高溫高壓井油藏地層中，輕質(zhì)組分以超臨界流體形態(tài)存在，對(duì)難溶的高縮合度瀝青質(zhì)具有很強(qiáng)的溶解性，原油呈單相流體狀態(tài)，而在原油開(kāi)采過(guò)程中，溫度和壓力下降快，從而導(dǎo)致輕質(zhì)組分優(yōu)先分逸流出，原油分異為兩相，溶解于輕質(zhì)油中的高縮合度瀝青質(zhì)的溶解度明顯下降，造成瀝青質(zhì)析出、絮凝，并吸附在井壁上[31]，在此過(guò)程中，井底的泥沙隨流體流動(dòng)混入沉淀物中，隨沉淀物一起長(zhǎng)大堆積。

這一結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)準(zhǔn)噶爾盆地南緣高探1井這類(lèi)高溫高壓油藏原油開(kāi)采具有重要啟示意義。高熱演化易形成高縮合度瀝青質(zhì)，該類(lèi)瀝青質(zhì)在溫度和壓力下降后一定會(huì)從原油中沉淀出來(lái)，且該組分是原油體系中極性最強(qiáng)的一種物質(zhì)，極易吸附在固體表面。針對(duì)高探1井井壁結(jié)垢的問(wèn)題，建議篩選強(qiáng)極性瀝青分散劑來(lái)增加原油體系穩(wěn)定性，抑制原油中瀝青質(zhì)的析出，對(duì)已結(jié)垢的井筒采用強(qiáng)極性試劑進(jìn)行化學(xué)清洗，增加井底濾網(wǎng)，減少砂泥固體顆粒。

4 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地高探1井井壁沉淀物是可溶有機(jī)質(zhì)與泥粉砂質(zhì)的混合物，可溶有機(jī)質(zhì)主要由瀝青質(zhì)組成，含量達(dá)到70%以上，無(wú)機(jī)礦物以細(xì)粉砂為主。

(2)高探1井井壁沉淀物形成原因是在原油開(kāi)采過(guò)程中，隨著壓力和溫度的降低，導(dǎo)致原油中輕質(zhì)組分優(yōu)先分逸流出，原油動(dòng)態(tài)穩(wěn)定體系被破壞，導(dǎo)致瀝青質(zhì)析出并沉積在井壁表面，并逐漸堆積長(zhǎng)大。

(3)井壁沉淀物的形成可能是高溫高壓井原油開(kāi)采的普遍現(xiàn)象，其組成和成因研究為現(xiàn)場(chǎng)治理措施的制定提供了依據(jù)，有利于原油平穩(wěn)高效開(kāi)采。