某油田區(qū)塊油井井筒結(jié)蠟機(jī)理及蠟沉積規(guī)律研究

雷 強(qiáng)，王 巍，董金崗，田東海，楊曉東，梁昌晶

1.中國(guó)石油華北油田公司合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目部，河北任丘062552

2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津300451

3.中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠(chǎng)，河北河間062450

4.中國(guó)石油華北油田公司二連分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000

某油田區(qū)塊油氣藏屬于典型致密性油氣藏，按照Sachanen 對(duì)原油種類(lèi)的分類(lèi)該油氣藏原油屬于石蠟基原油，油藏埋深淺，原油物性差，地層壓力衰減嚴(yán)重，析蠟點(diǎn)與地層溫度基本一致；同時(shí)油井產(chǎn)量較低，大量油井采用間開(kāi)間抽的方式控制動(dòng)液面，導(dǎo)致原油在井筒內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，容易結(jié)蠟。通過(guò)起、下油管和抽油桿作業(yè)，發(fā)現(xiàn)井筒底部尤其是尾管和抽油泵處的蠟質(zhì)較硬，清防蠟困難。因此，通過(guò)流變性測(cè)試、族組分分析、紅外光譜分析及溶蠟點(diǎn)測(cè)試，對(duì)原油和沉積物的性質(zhì)進(jìn)行分析，以揭示該區(qū)塊井筒結(jié)蠟嚴(yán)重的主要原因，并根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立動(dòng)力學(xué)模型，分析不同因素對(duì)結(jié)蠟規(guī)律的影響[1-13]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

（1） 原油基本物性測(cè)試。對(duì)原油樣品的密度、凝點(diǎn)、含水率、凝固點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，采用Antom Paar型流變儀測(cè)試不同剪切速率下的黏溫曲線(xiàn)，采用Agilent Technologies 7890 型氣相色譜儀測(cè)試原油的碳數(shù)。

（2） 沉積物基本性質(zhì)測(cè)試。參照SY/T 7550—2012《原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量的測(cè)定》，對(duì)原油和沉積物的組分進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)甲苯不溶物含量進(jìn)行測(cè)定。

（3） 沉積物紅外光譜測(cè)試。采用FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)沉積物分子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷進(jìn)行識(shí)別，分析具有的官能團(tuán)，得到沉積物烴類(lèi)組分。

（4） 沉積物溶蠟特性和碳數(shù)分布測(cè)試。采用XP-300C 型影像分析系統(tǒng)分析不同井深處沉積物的溶蠟特性，以觀(guān)察到全部蠟晶溶解到原油中的溫度為溶蠟溫度。采用Agilent Technologies 7890 型氣相色譜儀對(duì)沉積物的碳數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

（5） 管壁接觸角測(cè)定。采用KINO SL200KS型接觸角測(cè)試儀對(duì)原油與N80、J55、P110、M65四種常用的油套管鋼的接觸角進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油物性

（1） 原油基本物性和流變性。該區(qū)塊內(nèi)的油井原油均來(lái)自同一地層層位，原油物性基本相似，見(jiàn)表1，原油流變性分析見(jiàn)圖1。該區(qū)塊原油的溫度反常點(diǎn)為50.2 ℃，溫度高于反常點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)為牛頓流體特性；低于反常點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)為冪律非牛頓流體特性，具有一定的剪切稀釋性，黏度先緩慢增大而后快速增大，其主要原因是：原油在溫度反常點(diǎn)以下存在一個(gè)析蠟高峰區(qū)間，在此區(qū)間其會(huì)析出大量的蠟晶，從而降低原油的低溫流動(dòng)性。

表1 原油的基本物性

（2） 原油的碳數(shù)分布。選取4 口典型油井（同22-15、同22-18、雁33-4、雁33-8） 的脫氣原油進(jìn)行碳數(shù)測(cè)定，見(jiàn)圖2。碳數(shù)低于C16的原油一般為油質(zhì)，高于C16的為蠟質(zhì)，圖中C16以上的蠟質(zhì)組分在原油中占一半以上，且C33～C38的微晶蠟分布較為集中，C16～C25和C31～C32的非晶蠟含量較少。對(duì)于微晶蠟和粗晶蠟等晶體蠟而言，隨著井筒舉升溫度的降低，蠟晶不斷析出，蠟晶將凝油、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等包裹形成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使原油的低溫流動(dòng)性變差，且高碳分子重質(zhì)組分含量越高，結(jié)蠟越嚴(yán)重。

圖1 原油流變性分析

圖2 典型油井原油碳數(shù)分布

2.2 沉積物性質(zhì)

取同22-15 井不同位置的沉積物進(jìn)行族組分測(cè)試，見(jiàn)表2。不同位置的沉積物組分基本接近，與含蠟原油相比，沉積物的蠟含量明顯增加，瀝青質(zhì)含量略微增加，膠質(zhì)含量明顯減小。蠟含量增加是由于沉積層老化，油流中的蠟分子不斷向沉積物中擴(kuò)散，沉積物中的烴類(lèi)分子反向擴(kuò)散到油流中；瀝青質(zhì)含量增加是由于瀝青分子中的長(zhǎng)鏈烷烴可與蠟晶分子共晶析出，且油流中的瀝青含量大于沉積物中的含量，在濃度差的作用下，不斷向沉積物中擴(kuò)散，此外，瀝青質(zhì)的分子量較大，使沉積物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，從而抑制瀝青質(zhì)的分子擴(kuò)散，最終瀝青質(zhì)含量的增加幅度較小。

表2 同22-15 井沉積物和原油的族組分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

經(jīng)測(cè)定，該區(qū)塊的甲苯不溶物即雜質(zhì)平均含量為2.58%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），明顯高于其他區(qū)塊的平均值0.48%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。對(duì)不溶物進(jìn)行XRD 分析，主要物質(zhì)為SiO2、CaCO3、Al2O3等，原油中黏土、碎屑等微小顆粒和機(jī)械雜質(zhì)能夠與瀝青質(zhì)等形成蠟晶核，促進(jìn)蠟分子向晶核處聚集并生長(zhǎng)，含有較高的機(jī)械雜質(zhì)是該區(qū)塊結(jié)蠟嚴(yán)重的重要原因。

2.3 沉積物的紅外光譜分析

經(jīng)檢測(cè)，不同位置、不同油井沉積物的紅外光譜（FTIR） 吸收峰值和峰位類(lèi)似，在此主要分析官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū)，見(jiàn)圖3。波數(shù)2 960 cm-1為甲基—CH3的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰；波數(shù)2 930 cm-1和2 850 cm-1分別為飽和碳原子—CH2—的反對(duì)稱(chēng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰；波數(shù)1 461 cm-1和1 384cm-1分別出現(xiàn)了—CH3和—CH2—面內(nèi)變形振動(dòng)峰，且兩處峰形皆無(wú)分裂，證明不存在異丙基、叔丁基；波數(shù)722 cm-1出現(xiàn)了—（CH2）n—的面外變形振動(dòng)，證明存在4 個(gè)以上—CH2—組成的長(zhǎng)碳鏈，且吸收強(qiáng)度較強(qiáng)；波數(shù)1 600 cm-1和1 500 cm-1附近未出現(xiàn)C=C骨架伸縮振動(dòng)峰，同時(shí)波數(shù)3 050 cm-1附近未出現(xiàn)C—H 高頻伸縮振動(dòng)峰，證明無(wú)芳烴及吸電基團(tuán)的出現(xiàn)。因此，井筒沉積物中主要以長(zhǎng)鏈直鏈烷烴為主，異構(gòu)烷烴較少，不含環(huán)烷烴及芳烴化合物。此外，波數(shù)460 cm-1處為Si—O 的特征吸收峰，證明沉積物中含有黏土或砂土成分SiO2，與不溶物分析結(jié)果相符，原油中攜帶的機(jī)械雜質(zhì)可以為蠟晶分子的析出提供穩(wěn)定的附著點(diǎn)。

2.4 沉積物溶蠟特性和碳數(shù)分布

對(duì)比不同油井、不同位置處沉積物的溶蠟特性，見(jiàn)表3。結(jié)果表明，沉積物的溶蠟溫度范圍在56～88℃之間，均高于析蠟點(diǎn)。不同油井的溶蠟特性差異較大，主要是由井筒內(nèi)溫度、壓力及氣油比的差異造成的，同一油井的溶蠟特性隨井深的增加逐漸增加，證明越靠近井底，雖然油溫較高，促使一部分蠟溶解在原油中，沉積速率較小，但分子間的濃度梯度較大，析出沉積物中高碳組分、長(zhǎng)鏈烷烴比例增多，蠟樣致密，這給清防蠟作業(yè)造成一定的困難。

圖3 沉積物的紅外光譜圖（FTIR ）

表3 不同油井、不同位置處沉積物的溶蠟特性

對(duì)沉積物進(jìn)行全組分分析是判定結(jié)蠟機(jī)理的重要依據(jù)，取同22-15 井不同位置處的沉積物進(jìn)行碳數(shù)分布測(cè)定，見(jiàn)圖4，臨界碳數(shù)（CNN） 為C32，0～200 m 處沉積物中碳數(shù)大于CNN 的比例明顯小于抽油泵上100 m 處和尾管處，而0～200 m處沉積物中碳數(shù)小于CNN 的比例則大于抽油泵上100 m 處和尾管處，且越靠近井底，大于CNN 的比例越大。此時(shí)分子擴(kuò)散和老化是引起蠟沉積的主要機(jī)理，大于臨界碳數(shù)的蠟分子向壁面擴(kuò)散，小于臨界碳數(shù)的蠟分子向油流反向擴(kuò)散，井筒結(jié)蠟存在縱向規(guī)律。此外，溶蠟特性分析也驗(yàn)證了該縱向規(guī)律。

2.5 管壁液滴接觸角測(cè)試

在固- 液- 氣三相體系中，當(dāng)原油液滴到達(dá)管壁處，界面張力在水平方向的合力為零[14-15]，滿(mǎn)足Young 公式：

式中：γSG為固- 氣界面張力，N/m；γSL為固- 液界面張力，N/m；γLG為液- 氣界面張力，N/m；θ為接觸角，（°）。

圖4 沉積物碳數(shù)分布

當(dāng)θ 在0°～90°之間時(shí)，潤(rùn)濕性好。對(duì)區(qū)塊內(nèi)常用四種油套管鋼的原油液滴接觸角進(jìn)行測(cè)試，N80、J55、P110、M65 的原油液滴接觸角分別為65°、72°、81°、112°，除M65 鋼外，其余鋼材表面均為強(qiáng)親油性，原油中析出的蠟可以在管壁表面附著，黏附功較大。

3 動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)分子擴(kuò)散和沉積老化對(duì)蠟沉積的影響，考慮油流沖刷速率和沖刷時(shí)間，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立如下井筒蠟沉積模型：

式中：dG/dt 為單位時(shí)間、單位面積管壁上沉積物質(zhì)量，kg/（m2·s）；dGd/dt 為分子擴(kuò)散的沉積物質(zhì)量，kg/（m2·s）；dGs/dt 為沉積老化的沉積物質(zhì)量，kg/（m2·s）；m 為原油中蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；fw為采出液含水率；v 為流體流速，m/s；a 為分子擴(kuò)散中沉積物濃度修正系數(shù)的相關(guān)系數(shù)；b 為分子擴(kuò)散中含水率修正系數(shù)的相關(guān)系數(shù)；c 為沉積老化中沉積物濃度修正系數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，分子擴(kuò)散和沉積老化造成的沉積物質(zhì)量為：

式中：Cd為剪切沉積修正系數(shù)，取1.25；Ch、Cs均為單位換算系數(shù)，Ch取0.826 757 8，Cs取35.314 67；ρ1為沉積物密度，kg/m3；qv為井筒內(nèi)流體的流量，m3/s；ρ2為井筒內(nèi)流體的密度，kg/m3；cp為定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；μ 為流體黏度，根據(jù)黏溫曲線(xiàn)得到，mPa·s；λ 為井筒總傳熱系數(shù)，kW/（m2·℃）；d 為油管內(nèi)徑，m；dθ/dl 為井筒縱向溫度，℃/m；θ為析蠟點(diǎn)，℃；l 為井筒的縱向長(zhǎng)度，m；T 為油管內(nèi)壁溫度，℃；γ 為原油剪切速率，s-1。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，采用Origin 進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到井筒蠟沉積模型為：

將上述公式代入Matlab 進(jìn)行迭代計(jì)算，考察含水率和產(chǎn)液量對(duì)沉積速率的影響。在此以同22-15 井為例進(jìn)行計(jì)算，該井下泵深度1 700 m，井口回壓1 MPa，氣油比100 m3/m3，產(chǎn)油量3.64 t/d，產(chǎn)水量0.447 m3/d，套管內(nèi)徑124.3 mm，油管內(nèi)徑73 mm，地面溫度20 ℃，地溫梯度2.01 ℃/100 m。

在不同含水率條件下，井筒的蠟沉積速率見(jiàn)圖5。隨著含水率的增加，沉積速率不斷下降，這是由于水的比熱容是原油的2 倍，增加水相含量可以降低流體在舉升過(guò)程中的溫降，且更易在管壁表面形成連續(xù)水膜，越過(guò)轉(zhuǎn)相點(diǎn)（50%）后沉積速率下降幅度更大，更易形成水包油乳狀液，這些均不利于蠟晶的析出，因此結(jié)蠟程度有所減輕。

圖5 不同含水率條件下的蠟沉積速率

不同流速條件下，井筒的蠟沉積速率見(jiàn)圖6。隨著流速的增大，沉積速率呈拋物線(xiàn)先增大后減小，在流速0.45 m/s 時(shí)出現(xiàn)最大值。這是由于一方面流速越大，蠟晶的分子擴(kuò)散速度越大，沉積速率增加；另一方面管內(nèi)徑隨著蠟沉積厚度的增加而不斷減小，在流量不變的條件下，流速增大，當(dāng)剪切應(yīng)力增大到足以破壞沉積物的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，沉積物中含油量較高、含蠟量較少的物質(zhì)會(huì)被沖刷掉。因此，低流速條件下以分子擴(kuò)散機(jī)理為主，高流速條件下以剪切剝離機(jī)理為主。

圖6 不同流速條件下的蠟沉積速率

4 結(jié)論

（1） 造成該區(qū)塊油井井筒結(jié)蠟嚴(yán)重的原因是原油中C16以上的組分占一半以上，高碳分子重質(zhì)組分含量較高；沉積物中以長(zhǎng)鏈直鏈烷烴為主，異構(gòu)烷烴較少，不含環(huán)烷烴及芳烴化合物；機(jī)械雜質(zhì)含量較高，可為蠟晶分子的析出提供穩(wěn)定的附著點(diǎn)。

（2） 越靠近井底，原油中大于臨界碳數(shù)的蠟分子比例越大，井底蠟樣致密，給清防蠟作業(yè)造成一定的困難。

（3） 對(duì)蠟沉積的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析表明，隨含水率的增加，蠟沉積速率不斷減小，隨流速的增加，蠟沉積速率先增大后減小。