注天然氣油井瀝青質(zhì)析出規(guī)律研究

曹立虎 吳鑫鵬 徐海霞 沈建新 黃龍藏 吳紅軍 熊瑞穎 郭繼香

1.中國石油塔里木油田油氣工程研究院 2.中國石油大學(北京)非常規(guī)油氣科學技術(shù)研究院

瀝青質(zhì)沉積是伴隨原油開采過程的嚴峻問題，沉積現(xiàn)象發(fā)生在石油生產(chǎn)、加工的各個環(huán)節(jié)[1-5]。正常情況下，原油是一個動態(tài)穩(wěn)定的膠體體系，瀝青質(zhì)與吸附在其表面的膠質(zhì)分子以膠束形式穩(wěn)定地存在于原油中[6-10]。由于溫度、壓力及原油組分的改變均會打破這一平衡，導致瀝青質(zhì)分子析出、絮凝、聚集、沉積[11-12]。

東河油田1區(qū)塊是我國陸上發(fā)現(xiàn)的第一個埋深6 000 m的海相砂巖油藏，在注氣開發(fā)過程中，逐步出現(xiàn)瀝青沉積堵塞井筒的現(xiàn)象，嚴重影響油井正常生產(chǎn)。目前，測定瀝青質(zhì)析出規(guī)律的方法主要有壓差法、顯微鏡法、透光率法、聲共振法、電導率法、黏度法[13-18]。上述方法由于測量信號響應(yīng)相較于瀝青質(zhì)初始析出點更為遲緩，導致測試精度不足、無法滿足高溫高壓測試需求等因素影響，不能準確用于東河油田注氣油井瀝青質(zhì)析出規(guī)律研究。隨著光學技術(shù)的迅速發(fā)展，目前較多的國內(nèi)外學者認為，光學法用于檢測原油體系瀝青質(zhì)析出相較于傳統(tǒng)的測試方法具有更高的靈敏度，信號響應(yīng)也更加迅速。采用自主研發(fā)的高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置，基于光散射原理，測試注氣過程東河原油瀝青質(zhì)析出的背散射光信號變化規(guī)律，得出瀝青質(zhì)析出溫度壓力數(shù)據(jù)，繪制瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線相圖，結(jié)合油井溫度壓力分布數(shù)據(jù)，預測瀝青質(zhì)在井筒中的沉積深度，研究了溫度、壓力、注氣量等因素對瀝青質(zhì)析出規(guī)律的影響，揭示注氣對瀝青質(zhì)沉積的影響機理，為油田高效開采及瀝青質(zhì)析出防治提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

原油為東河1區(qū)塊DH-1油井死油，20 ℃下原油密度0.831 6 g/cm3，原油中飽和烴48.16%(w)、芳香烴15.81%(w)、膠質(zhì)8.46%(w)、瀝青質(zhì)25.74%(w)；DH-1油井油藏溫度140 ℃，油藏壓力90 MPa；甲烷氣，氣體純度99.9%，北京華通精科氣體化工有限公司。

1.2 實驗裝置

采用中國石油大學(北京)自主研發(fā)“高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置”，裝置耐溫180 ℃，耐壓100 MPa，基于背散射光測試原理對瀝青質(zhì)析出規(guī)律研究。測試原理見圖1[8]。

經(jīng)典的原油膠體理論認為，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)以締合的形式穩(wěn)定地存在于原油體系當中。原油自地層向井口運動的過程中，壓力逐漸降低，瀝青質(zhì)-膠質(zhì)的動態(tài)平衡被打破[19]，瀝青質(zhì)顆粒間為降低表面自由能逐漸聚集形成更大的膠粒，進而導致瀝青質(zhì)析出并逐漸沉積。本研究基于光散射理論，由光譜儀產(chǎn)生入射光照射到原油樣品中，當光信號遇到瀝青質(zhì)顆粒時發(fā)生光散射，記錄背散射光信號變化強度可用于判斷瀝青質(zhì)顆粒的析出規(guī)律。同時，瀝青質(zhì)顆粒的析出、聚集會加劇散射的發(fā)生[20]。

1.3 實驗方法

選取東河1區(qū)塊DH-1原油，研究注入天然氣對原油瀝青質(zhì)析出規(guī)律的影響。根據(jù)油藏壓力及實驗要求配制模擬油，配制過程充分攪拌4 h，模擬油配制好后靜置2 h。利用高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置測試溫度、壓力、氣油比對瀝青質(zhì)析出規(guī)律的影響，測試過程實時記錄溫度、壓力、體積、背散射光信號數(shù)據(jù)，記錄周期為10 s/次，測試裝置簡圖見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對瀝青質(zhì)析出的影響

按照氣油比(GOR，體積比)100，測試溫度為油藏溫度140 ℃，測試壓力為50 MPa配制模擬油，采用高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置按程序降溫后進行實驗，測試溫度對模擬油背散射光信號影響如圖3所示。由圖3可知，溫度對瀝青質(zhì)析出的影響可分為兩個階段：階段一(穩(wěn)定區(qū))，背散射光信號維持穩(wěn)定，瀝青質(zhì)不發(fā)生沉積；階段二(瀝青質(zhì)沉積區(qū)間)，背散射光信號隨溫度降低逐漸升高，原油穩(wěn)定性破壞，瀝青質(zhì)發(fā)生析出沉積。東河1區(qū)塊DH-1原油溫度低于110 ℃，原油穩(wěn)定性變差，隨著溫度繼續(xù)降低，瀝青質(zhì)逐漸析出。分析認為，高溫有利于增加瀝青質(zhì)在原油中的溶解度，當溫度降低時，瀝青質(zhì)在原油中的溶解度減小，導致瀝青質(zhì)從原油中逐漸析出并沉積。

2.2 壓力對瀝青質(zhì)析出的影響

參照東河1區(qū)塊DH-1油井油藏參數(shù)，選取測試氣油比為100，測試溫度為140 ℃，測試壓力為90 MPa配制模擬油，采用高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置執(zhí)行程序退泵，退泵速率為0.05 mL/min，通過等溫降壓實驗，研究壓力對瀝青質(zhì)析出的影響。改變測試溫度為110 ℃、80 ℃、50 ℃、35 ℃，重復上述實驗。

由圖4(a)可知：在90.00～76.03 MPa降壓過程中，背散射光信號穩(wěn)定，瀝青質(zhì)未析出；在76.03～15.04 MPa降壓過程中，背散射光信號逐漸增強并在泡點壓力附近達到最大值，然后逐漸下降；當壓力降低至15.04 MPa之后，背散射光信號維持穩(wěn)定。分析認為，壓力76.03 MPa為瀝青質(zhì)的初始析出壓力，在該壓力下瀝青質(zhì)逐漸析出，背散射光信號隨著瀝青質(zhì)的不斷析出而不斷增強，并在泡點壓力附近達到最大析出量[21-23]，泡點壓力之后背散射光信號減弱，這是由于析出的瀝青質(zhì)開始大量聚集和沉積導致，當壓力降至15.04 MPa時，瀝青質(zhì)不再析出，為瀝青質(zhì)下沉積壓力。

分析圖4(a)～圖4(e)不同溫度下瀝青質(zhì)析出壓力變化規(guī)律可得：相同氣油比下，溫度越高，瀝青質(zhì)沉積壓力區(qū)間越小，該結(jié)論與溫度對瀝青質(zhì)析出影響規(guī)律一致；壓力的改變對瀝青質(zhì)的溶解度具有一定影響。Burke等[19]從溶解度角度分析壓力改變對瀝青質(zhì)溶解度的影響，認為泡點壓力附近瀝青質(zhì)的溶解度最低，進一步佐證了圖4在泡點壓力附近背散射光信號最強，瀝青質(zhì)析出量達到最大值。

2.3 瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線相圖

根據(jù)DH-1油井在氣油比100、不同溫度下瀝青質(zhì)析出T-P關(guān)系數(shù)據(jù)，繪制出瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線，結(jié)合DH-1油井井筒溫度壓力分布數(shù)據(jù)(見圖5(a))，用于DH-1油井瀝青質(zhì)沉積位置預測(見圖5(b))。

由圖5可知：DH-1井溫度壓力分布線與上沉積包絡(luò)線交點為瀝青質(zhì)初始析出位置點，根據(jù)井深與井筒溫度壓力一一對應(yīng)關(guān)系，可得初始析出位置點為4 830 m；瀝青質(zhì)在DH-1井發(fā)生沉積的深度范圍為4 830～1 730 m；在DH-1井沉積深度范圍內(nèi)，泡點壓力對應(yīng)井深2 140 m，根據(jù)第2.2節(jié)的分析，泡點壓力附近瀝青質(zhì)沉積風險最大，與DH-1油井生產(chǎn)實際遇阻位置1 969 m相近。分析認為，泡點壓力對于瀝青質(zhì)沉積位置預測具有重要意義，可為瀝青質(zhì)堵塞油井位置初步預測作參考，油井實際堵塞位置還需參照油井開采速率，原油流動過程會攜帶瀝青質(zhì)發(fā)生運移，進而改變?yōu)r青質(zhì)沉積位置。

2.4 氣油比對瀝青質(zhì)析出的影響

選取測試溫度為50 ℃，測試壓力為90 MPa，依次改變氣油比為100、200、300、700配制不同注氣量的模擬油，采用高溫高壓固相沉積規(guī)律測試裝置開展等溫降壓實驗，分析氣油比對瀝青質(zhì)析出的影響。

由圖6不同氣油比(溶解氣油比)下背散射光信號隨壓力變化的關(guān)系曲線可知，氣油比越大，瀝青質(zhì)的初始析出壓力越大，同時瀝青質(zhì)析出壓力區(qū)間也越大。分析認為，高氣油比相較于低氣油比，更容易導致原油穩(wěn)定性破壞，引起瀝青質(zhì)的析出與沉積，同時會增加瀝青質(zhì)的析出壓力區(qū)間，瀝青質(zhì)析出壓力區(qū)間增加在另一側(cè)面會擴大瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線范圍(上沉積包絡(luò)線與下沉積包絡(luò)線區(qū)間增大)，使得瀝青質(zhì)沉積位置向地層深度更深的地方下移，甚至出現(xiàn)地層堵塞的問題。

高氣油比更易導致原油穩(wěn)定性被破壞，進而引起瀝青質(zhì)的析出與沉積的機理研究，典型的瀝青質(zhì)-膠質(zhì)膠束模型很好地解釋了這一現(xiàn)象[24]，注天然氣原油瀝青質(zhì)析出過程見圖7。首先，隨著天然氣的注入與溶解，增加了原油中飽和分含量，而飽和分會促進膠質(zhì)的溶解，根據(jù)原油膠體理論，膠質(zhì)是包裹在瀝青質(zhì)外層防止瀝青質(zhì)析出沉積的有利條件，高氣油比引發(fā)膠質(zhì)在原油中溶解量增加，導致原油不穩(wěn)定性增加，瀝青質(zhì)在原油中析出并沉淀。而后，隨著原油開采過程壓力逐漸降低，溶解在原油中的天然氣組分從原油中不斷析出與溶解，表現(xiàn)為天然氣對原油輕組分進行多次抽提作用，抽提過程中，天然氣組分將原油組分的輕組分不斷帶出，使得原油重組分含量增加(見圖6)。高氣油比加劇瀝青質(zhì)組分之間碰撞聚集現(xiàn)象的發(fā)生，瀝青質(zhì)容易從原油中析出并沉淀。

東河1區(qū)塊某油井自2014年起注入天然氣開展注氣開發(fā)試驗，周圍采油井注氣受效顯著，故而采取了增大注氣量的措施，該舉措導致原油穩(wěn)定性破壞程度加大，注氣試驗井組遇阻事故時有發(fā)生，影響油井正常生產(chǎn)。因此，在原油注氣開采的過程中，應(yīng)當合理地控制氣油比，既要保障原油產(chǎn)量的平穩(wěn)增加，也應(yīng)考慮增大注氣所引發(fā)的瀝青質(zhì)沉積對儲層及井筒造成的損害問題。

3 結(jié)論

(1) 溫度對瀝青質(zhì)的影響存在兩種狀態(tài)，溫度升高有利于增加瀝青質(zhì)在原油中的溶解度，促進原油的穩(wěn)定性；當溫度降低時，瀝青質(zhì)在原油中的溶解度降低，表現(xiàn)為原油穩(wěn)定性破壞，瀝青質(zhì)逐漸析出并沉積。

(2) 等溫降壓過程中，壓力降低瀝青質(zhì)逐漸析出，并在泡點壓力附近達到最大析出量；相同氣油比下，溫度越高瀝青質(zhì)沉積壓力區(qū)間越小，瀝青質(zhì)沉積過程表現(xiàn)為瀝青質(zhì)的析出、絮凝、聚集、沉積。

(3) 對DH-1井瀝青質(zhì)堵塞位置進行預測并結(jié)合實際堵塞位置對比分析表明，泡點壓力對應(yīng)油井深度與實際堵塞位置相近，即瀝青質(zhì)在油井泡點壓力位置發(fā)生沉積風險最大，泡點壓力可用于油井堵塞的初步預測。

(4) 溶解氣油比越大，瀝青質(zhì)初始析出壓力越大，發(fā)生瀝青質(zhì)沉積的壓力區(qū)間越大，即溶解氣油比越大，瀝青質(zhì)沉積風險越大，同時沉積位置也向油井深處下移。因此，在油井實際注氣生產(chǎn)過程中，采取合理注氣比，對于防治瀝青質(zhì)在儲層及近井地帶的沉積具有重要意義。