油井結(jié)蠟機理及其影響因素分析

張叢迪

(中石化西北油田分公司 雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

結(jié)蠟是指石蠟或蠟分子在地層、井筒、集輸管線以及處理裝置流動過程中析出和聚集,致使流體開采受阻。油井生產(chǎn)過程中結(jié)蠟是由于地層產(chǎn)出流體的原油中含有蠟。一般儲層為高溫高壓環(huán)境,原油中蠟質(zhì)成分是可以完全溶解在原油中。當(dāng)油藏開采后,儲層流體向地面流動的過程中,溫度和壓力逐漸降低,原油中溶解的蠟質(zhì)組分會隨之逐漸析出,凝結(jié)在油管壁、套管壁、抽油泵和其他生產(chǎn)設(shè)備上,形成結(jié)蠟現(xiàn)象[1]。

沉積、凝結(jié)在不同位置,對生產(chǎn)的影響方式各異,但是最終結(jié)果都是影響了油井產(chǎn)量。在油管壁上結(jié)蠟,會使油管平面流通面積減小,導(dǎo)致原油舉升阻力增加,使生產(chǎn)井產(chǎn)量下降;在抽油桿上結(jié)蠟會使抽油機的懸點載荷有所增加,若在油管壁上同時也存在結(jié)蠟情況,這種交變載荷會增加抽油桿斷脫的風(fēng)險,更為嚴(yán)重的情況就會導(dǎo)致抽油泵的蠟卡;若在抽油泵的進出閥位置出現(xiàn)結(jié)蠟情況,就會導(dǎo)致泵的運行阻力增加,泵效下降;若結(jié)蠟現(xiàn)象是在地層中出現(xiàn)的,則地層結(jié)蠟周圍孔隙度和滲透率就會降低,流體流動阻力上升,致使油井產(chǎn)量降低或者停產(chǎn)。油井在生產(chǎn)過程中結(jié)蠟是影響油井和區(qū)塊正常開發(fā)的一個突出問題,因而有必要對原油結(jié)蠟機理和影響因素進行分析,了解結(jié)蠟的主控因素,再結(jié)合各個油田實際生產(chǎn)情況,才能夠提出針對性的防治對策。

1 結(jié)蠟的機理

原油中一般都含有石蠟成分,石蠟成分一般可分為三類:粗晶蠟、微晶蠟和非晶蠟,主要是根據(jù)其組成來區(qū)分,C16～C30之間的直鏈烷烴組成的為粗晶蠟,熔點約為50 ℃左右,而由C30+組成的為微晶蠟,一般是由支鏈烷烴和環(huán)烷烴形成的,其分子量相對較高,熔點也更高,可達90 ℃左右。在地層的高溫、高壓環(huán)境中,石蠟一般是溶解狀態(tài),也就是說石蠟在地層高溫高壓條件下是以液體狀態(tài)存在的,當(dāng)油氣開始開采,地層流體經(jīng)歷從地層向井底、從井底向井口的流動過程,在此過程中,流體中輕質(zhì)組分逐漸逸出并帶走一部分熱量,地層流體在流出過程中壓力、溫度、組分不斷變化,致使原油對石蠟可溶解量降低,原本溶解于石油中的石蠟開始析出,并沉積、凝結(jié)在油管壁、套管壁等設(shè)備上,形成結(jié)蠟或蠟堵[2-3]。實際生產(chǎn)過程中析出、凝結(jié)的蠟并不是純白色晶體,而是與其他井流物組成的混合物,包括膠質(zhì)瀝青質(zhì)、泥沙顆粒等[4]。

2 結(jié)蠟影響因素分析

結(jié)蠟的根本原因是原油對蠟的可溶解量下降,致使超過可溶解量部分的石蠟不斷析出,而溫度、原油組分的不斷變化是導(dǎo)致原油溶解能力降低的主要原因,諸多影響因素可分為內(nèi)部、外部兩大方面,下面對各類因素進行分析。

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1 原油組分

在溫度一致的條件下,輕質(zhì)組分較多的原油對蠟的可溶解量大于重質(zhì)組分較多的原油。原油中所含有的輕質(zhì)組分越多,蠟的析出溫度也就越低,也就是說石蠟析出就較為困難,石蠟的可溶解量也就越大。對比輕質(zhì)油和重質(zhì)油,在可溶解量相同時,重質(zhì)組分較多的原油的析蠟溫度會高于輕質(zhì)組分較多的原油,隨著溫度的降低,重質(zhì)組分較多的原油會率先析出石蠟。

2.1.2 溶解氣

地層流體在采出過程中,當(dāng)原油壓力始終保持在飽和壓力之上時,這種未飽和原油隨著壓力的降低,氣體是不會從原油中逸出的,石蠟的起始析蠟溫度是隨著壓力的降低而降低的;當(dāng)原油壓力始終保持在飽和壓力之下時,這種飽和原油隨著壓力降低,氣體會不斷從原油中逸出,原油對石蠟的可溶解量也會不斷降低,因而相對的起始析蠟溫度就會提高,壓力越低,氣體逸出的程度就越高,析出的蠟就越多,積聚、堵塞情況出現(xiàn)得越頻繁[5]。這主要是由于壓力降低前期分離出來的是輕質(zhì)氣體,如甲烷、乙烷等,隨著壓力不斷降低,后期分離出來的氣體重質(zhì)組分較多,隨著氣體被不斷分離出來,原油中的重質(zhì)組分含量不斷升高,因此,在壓力持續(xù)降低后期,析蠟溫度相對較高,而且氣體從原油中逸出時,會吸收一部分熱量,使原油的溫度有一定降低,最終導(dǎo)致蠟的析出和凝結(jié)。

2.1.3 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)

膠質(zhì)和瀝青質(zhì)成分在原油中所占比例對石蠟析出也有一定影響。原油中膠質(zhì)含量增加時,由于膠質(zhì)作為表面活性物質(zhì),能夠吸附于石蠟晶體表面,這就增加了石蠟結(jié)晶的難度,而瀝青質(zhì)是膠質(zhì)的進一步聚合物,不溶于油,以一種極小的微粒分散在原油當(dāng)中,對石蠟晶體有一定的分散作用,對生產(chǎn)有正面作用;而如果析出、凝結(jié)的石蠟中含有膠質(zhì)和瀝青質(zhì)時,所結(jié)蠟的硬度較常規(guī)結(jié)蠟硬度會高一些,很難被地層流體沖刷攜帶出來,比常規(guī)清蠟難度會大一些。原油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)成分對石蠟的析出有好壞兩方面作用,石蠟未析出時,可抑制石蠟的析出;而混合在已析出的石蠟中時,會使結(jié)蠟硬度提高,增加清蠟難度。

2.1.4 機械雜質(zhì)

石蠟在一定條件下從原油中析出后,會以原油中的細(xì)小顆?；驒C械雜質(zhì)為中心,進行聚集和結(jié)晶,對于石蠟析出后的聚集和擴大具有促進作用,相對來說加速了結(jié)蠟的過程。但蠟結(jié)晶的析出主要取決于原油自身的物理化學(xué)性質(zhì),機械雜質(zhì)的多少對于析蠟點的影響較小,僅是可以起到連接蠟晶的作用,石蠟析出后,相比無機械雜質(zhì)的原油來說,在有機械雜質(zhì)的原油中所凝結(jié)的蠟晶更大一些,在采出流體中,蠟晶間的碰撞和摩擦?xí)?dǎo)致采出流體黏度增加。所以在實際生產(chǎn)過程中,要結(jié)合采出流體性質(zhì)安排合理工作制度,防止地層出砂導(dǎo)致結(jié)蠟情況加劇和原油黏度增加[6]。

2.1.5 原油pH值

酸化和壓裂技術(shù)是目前油田較為常用的改善儲層物性和增產(chǎn)增注的技術(shù)手段,而在措施過程中,地面所配置的工作液物性與儲層流體物性是有一定差異的,會導(dǎo)致地層流體的pH值變化,儲層酸化后,所使用的酸化液一段時間內(nèi)會使采出流體的pH值降低;儲層壓裂后,壓裂液在一段時間內(nèi)會讓采出流體的pH值升高。因為酸液的加入對于原油的物理化學(xué)性質(zhì)影響較小,所以對于原油析蠟點幾乎沒有影響;而在堿性環(huán)境中,原油中一些脂肪酸與堿反應(yīng)生成脂肪酸鈉,脂肪酸鈉有著較強的極性,具有表面活性作用,在這種環(huán)境下是不利于蠟晶的聚集和凝結(jié),所以原油的析蠟點和黏度都會有一定降低[7]。原油特別是含水原油的開采過程中,偏堿性工作液在一定程度上可以降低原油黏度和減緩結(jié)蠟現(xiàn)象。

2.1.6 礦化度

若采出流體的礦化度高一些,流體內(nèi)的離子含量也相對多一些,而這些離子的電荷會影響到石蠟析出后的聚集,所以礦化度較高的流體中,析蠟情況會有所改善[8]。針對這一情況,在區(qū)塊開發(fā)后期,結(jié)合配伍性和結(jié)蠟情況綜合分析后,可嘗試通過控制礦化度來改善結(jié)蠟情況。

2.2 外部因素

2.2.1 溫度

評價析蠟的一個指標(biāo)就是析蠟溫度,因此溫度對原油中石蠟的析出和凝結(jié)都有較大影響。流體從儲層采出的過程中,溫度不斷降低,石蠟在原油中的可溶解量會不斷降低,多余的石蠟就會結(jié)晶析出,由于井筒舉升過程中溫度、壓力變化較大,因此這種情況主要發(fā)生在井筒中。

無論原油的黏度、組分、雜質(zhì)含量等差異如何,隨著溫度的降低,對蠟的可溶解量都會呈降低趨勢,降低的程度則與原油的性質(zhì)有關(guān)。在高溫環(huán)境溶解到原油中的石蠟,隨著溫度降低,可溶解量下降,多溶解的那部分石蠟就會析出。原油開采過程中,在地層中溫度較高,在向地面流動過程中,溫度開始不斷降低,在井筒舉升環(huán)節(jié)溫度變化較大,油管和地面設(shè)備中溫度更低,在此過程中,低于析蠟溫度后,蠟分子就會逐漸從原油中析出,積聚一定量后就會形成蠟堵[9]。此外,隨著油藏的持續(xù)開發(fā),溫度壓力變化后,采出原油的組分也有一定差異,而受溫度、壓力、組分影響,原油的析蠟溫度也會發(fā)生改變,當(dāng)析蠟溫度降低時,石蠟不易析出,開發(fā)過程中需溫度降到析蠟溫度以下才會開始析出;當(dāng)析蠟溫度升高,即原油重質(zhì)組分占比增加,石蠟析出就相對容易,開發(fā)過程中特別是井筒舉升過程中就會析出、凝結(jié),出現(xiàn)結(jié)蠟情況。

2.2.2 壓力

油藏原始壓力較高,開發(fā)初期地層至井口節(jié)點處壓力相對較高,在壓力高于飽和壓力的條件下,隨著流體采出,原油的析蠟溫度會有一定降低,溶解氣不會逸出,因此降幅有限;開發(fā)中后期,地層壓力保持程度下降,開采過程中,當(dāng)壓力低于飽和壓力時,原油中氣體開始逸出,原油中輕質(zhì)組分被分離帶走,原油的性質(zhì)也會隨之發(fā)生改變,使得原油的溶解能力降低,蠟分子會更易析出。最終在管道和設(shè)備中造成堵塞。

2.2.3 流速

通過總結(jié)現(xiàn)場生產(chǎn)情況可知,產(chǎn)量較高的井結(jié)蠟情況比產(chǎn)量低的井會好一些。高產(chǎn)對應(yīng)供給較強,壓力較高,生產(chǎn)過程中脫氣量會低一些,起始析蠟溫度相對較低,井筒流體流速快,舉升過程中紊流狀態(tài)占比較大,因此雷諾數(shù)較大,井筒中熱損失小,石蠟析出較為困難。油管中高速的油流對于油管壁還有沖刷作用,會將未完全凝結(jié)的蠟晶體沖刷、攜帶出井筒,但如果原油流速過高,管道壁上的剪應(yīng)力增大,又會導(dǎo)致管道壁侵蝕和損壞;如果管道中原油流速較低,流動狀態(tài)更接近層流,雷諾數(shù)較小,管道壁上的剪應(yīng)力減小,導(dǎo)致蠟析出后在管道壁上聚集沉積[10]。因此雷諾數(shù)越小,結(jié)蠟情況更為嚴(yán)重一些,在生產(chǎn)過程中,制定合理工作制度,將流速控制在合理區(qū)間,既要避免低流速結(jié)蠟影響,又要避免高流速下對管道的損壞。

2.2.4 含水量

地層采出液中含水量的大小對結(jié)蠟也有一定影響。若采出液中含水量增加,由于水的比熱容大于油的,可減緩流體溫度的降低趨勢,使降低至析蠟溫度的時間有所延長,增加無析蠟生產(chǎn)時間。采出流體含水量增加,可在油管壁上形成連續(xù)水膜,使石蠟析出后不易附著沉積在油管壁上。隨著產(chǎn)出流體含水量的增加,結(jié)蠟情況會有所緩解,特別是當(dāng)采出流體含水量達到高含水水平后,采出過程中就形成水包油的狀態(tài),石蠟析出后不易凝結(jié),也不易沉積在附有水膜的油管壁上,因此可以減緩井筒的結(jié)蠟情況。在低含水時,由于水中鹽類析出凝結(jié)在油管、套管壁上,增加了管壁的粗糙程度,這些部位就會成為石蠟沉積、凝結(jié)的有利部位。

2.2.5 油管表面粗糙程度

油管壁、套管壁的粗糙程度對結(jié)蠟情況也有一定影響。若管壁粗糙,原油中析出的石蠟就易在粗糙部位沉積并逐漸積累,結(jié)蠟情況逐漸加重,若管壁光滑,則析出的蠟沉積就較為困難。因此技術(shù)研究人員在進行隨鉆分析過程中,結(jié)合鄰井資料,對儲層物性進行判斷,若認(rèn)為投產(chǎn)后結(jié)蠟會明顯影響油井正常生產(chǎn),就可將普通油管替換為石墨烯涂層防蠟油管,來降低生產(chǎn)中結(jié)蠟帶來的影響。

2.2.6 管壁親水/油性

管壁表面親水性越強,原油中水分子就會在管壁上聚集得越多,形成連續(xù)水膜,越不容易結(jié)蠟;若為中性或親油性,則會使析出的蠟分子較容易在管壁上附著、聚集、結(jié)蠟,影響正常生產(chǎn)。

2.2.7 管線設(shè)計

如果管線設(shè)計沒有針對含蠟原油進行優(yōu)化,就易發(fā)生蠟沉積。其中影響結(jié)蠟的設(shè)計因素包括管徑、管道坡度、加熱系統(tǒng)、保溫等。產(chǎn)量一定的情況下,如果管徑過小,原油的流速就會增加,導(dǎo)致管壁的侵蝕和損壞;如果管道的坡度未針對含蠟原油進行過優(yōu)化,在坡度較低的部位,原油的流速就會變緩,易在管壁發(fā)生結(jié)蠟情況;如果加熱系統(tǒng)作用不明顯,管道中原油溫度下降,蠟也會析出。

2.2.8 油壁溫差

生產(chǎn)方式的不同,地層采出流體溫度和油管壁溫度也有一定差異,而這種溫度差異也對結(jié)蠟有一定影響。若采出流體溫度高于油管壁溫度,隨著溫度差的增大,蠟的沉積速度和結(jié)蠟程度會持續(xù)增加,當(dāng)溫度差足夠大時,原油甚至?xí)跇?biāo)定的析蠟溫度以上就開始析蠟并沉積。這種溫差的增大,會使油管內(nèi)平面上的溫度梯度變大,因此提高了蠟分子的擴散能力,蠟的析出和沉積在這種環(huán)境下是會增強的;若采出流體溫度低于油管壁溫度,在濃度梯度的作用下,析出的蠟分子會向低溫處移動,即流體中心處,并被流體攜帶出井筒,在這種情況下,即使流體溫度低于析蠟溫度,油管壁面也幾乎不會出現(xiàn)結(jié)蠟情況[11]。但在實際生產(chǎn)過程中,采出流體溫度一般是高于油管壁溫度的。

2.2.9 生產(chǎn)時間

隨著生產(chǎn)時間的增加,即使采取各類清蠟防治措施,在油管壁上附著的蠟也是在緩慢增厚的[12]。但隨著生產(chǎn)時間的增加,蠟分子的沉積速率則會有一定減弱,其原因在于隨著壁面蠟沉積厚度的增加,相當(dāng)于給地層流體增加了“保溫層”,地層流體采出過程中,在壁面增厚部位與外界的換熱阻力會變大,流體熱量損失會減小,而結(jié)蠟表面與流體之間的溫差就減小了,致使石蠟沉積速度有一定降低。

3 結(jié)語

原油結(jié)蠟的根本原因是原油對蠟的溶解能力降低,主要原因是溫度和流體組分的變化,次要原因是壓力、流速、溶解氣等因素的變化。機械雜質(zhì)在原油中可被當(dāng)作結(jié)蠟中心,但結(jié)蠟主要取決于原油自身的物理化學(xué)性質(zhì),所以機械雜質(zhì)的影響較小。原油在管道中的流速是可控的,因此對于流速問題導(dǎo)致結(jié)蠟嚴(yán)重的油井,可通過優(yōu)化采速來減緩石蠟在油管壁上的沉積。

不同油田的地層物性、原油物性都有差異,所采取的開發(fā)方式也不盡相同,因此在出現(xiàn)結(jié)蠟現(xiàn)象后,應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)情況結(jié)合結(jié)蠟各影響因素進行綜合分析,通過對油井結(jié)蠟原理及其影響因素進行綜述,能夠為解決實際結(jié)蠟問題的分析提供參考,明確油井結(jié)蠟的主控因素,因地制宜采取相適應(yīng)的防治措施,提高油田的經(jīng)濟效益。