順北高溫高壓油井瀝青質(zhì)沉積規(guī)律研究

楊小輝

（中國(guó)石化西北油田分公司采油四廠，新疆沙雅 842200）

原油是由多種低分子烴類和重有機(jī)質(zhì)（蠟、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)）組成，重有機(jī)質(zhì)受外界干擾易在油藏孔縫、生產(chǎn)井筒、運(yùn)輸管線發(fā)生沉積。瀝青質(zhì)在儲(chǔ)層沉積會(huì)引起儲(chǔ)層巖礦潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)[1－2]，堵塞儲(chǔ)層孔道；在近井地帶沉積會(huì)引起井筒變徑，造成產(chǎn)能下降，同時(shí)增加清理成本。因此，研究瀝青質(zhì)在井筒的沉積規(guī)律以及預(yù)測(cè)瀝青質(zhì)沉積狀況，進(jìn)而制定瀝青質(zhì)沉積防治對(duì)策，對(duì)于避免瀝青質(zhì)井筒堵塞，提高采油效益具有重要意義。

瀝青質(zhì)沉積影響因素較多，TRBOVICH 等[3]指出主要為組分、溫度、壓力、氣油比；楊照等[4]采用透光率法測(cè)試了原油中瀝青質(zhì)初始沉淀點(diǎn)；CHEN 等[5]基于濁度法原理研究了原油穩(wěn)定性；喬進(jìn)帥等[6-7]進(jìn)一步指出膠質(zhì)含量、形態(tài)和粒徑大小對(duì)瀝青質(zhì)穩(wěn)定性影響最大；HIRSCHBERG 等[8]將Flory-Huggins 聚合物理論與瀝青質(zhì)高分子類比，成功描述了瀝青質(zhì)在油相中的沉積行為。此后，NGHIEM 等[9－11]提出了氣-液-固平衡的瀝青質(zhì)固體模型，并由KOHSE 等[12]用逸度理論進(jìn)一步完善。

SHB-X 井位于新疆塔里木盆地，埋深8 225 m，油藏溫度166.00 ℃，泡點(diǎn)壓力為37.30 MPa，油藏壓力83.81 MPa，氣油比491 m3/m3，井口溫度26.95 ℃，井口壓力36.67 MPa，油嘴開度4 mm。本研究將用高溫高壓固相沉積測(cè)試儀研究溫度、壓力、氣油比對(duì)順北原油瀝青質(zhì)沉積規(guī)律的影響，運(yùn)用逸度模型[13-14]計(jì)算了瀝青質(zhì)在井筒的沉積量及沉積速率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

SHB-X 井原油取自油田分離器，所得井流物組成見(jiàn)表1；模擬氣依照油井原油伴生氣測(cè)試化驗(yàn)資料配制，配制所用的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮?dú)獾扔杀本┤A通精科氣體化工有限公司生產(chǎn)，油井伴生氣測(cè)試化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 原油井流物組成

表2 油井伴生氣組成成分

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

固相沉積測(cè)試儀Solid Detection System，美國(guó)Core Lab 巖心公司，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 固相沉積測(cè)試儀裝置簡(jiǎn)圖

SDS 裝置耐溫200.00 ℃、耐壓100 MPa，通過(guò)等溫降壓或等壓降溫實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行固體（瀝青質(zhì)、蠟、垢）沉積規(guī)律研究，藍(lán)寶石可視單元兩側(cè)運(yùn)用CCD 相機(jī)監(jiān)測(cè)固相沉積狀況，結(jié)合Ellix 圖像處理軟件可分析沉積固相顆粒大小、沉積百分含量，裝置可識(shí)別最小顆粒粒徑0.2 μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 地層原油配制 將100 mL SHB-X 井原油裝入SDS 配樣轉(zhuǎn)樣器中，按照氣油比491 m3/m3，將模擬氣泵入配樣轉(zhuǎn)樣器內(nèi)，設(shè)置配樣溫度、壓力分別為原始地層溫度166.00 ℃、原始地層壓力83.81 MPa。配制過(guò)程由磁力攪拌器充分?jǐn)嚢?，配制時(shí)長(zhǎng)24 h，每1 h 記錄油樣混溶狀況。

1.3.2 不同因素對(duì)瀝青質(zhì)沉積規(guī)律研究

1.3.2.1 溫度對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響 采用等壓降溫的實(shí)驗(yàn)方法，固定實(shí)驗(yàn)壓力83.81 MPa，分別測(cè)試溫度在90.00、70.00、50.00、30.00 ℃下瀝青質(zhì)沉積狀況，每降低一個(gè)溫度，循環(huán)攪拌維持油樣穩(wěn)定2 h，記錄瀝青質(zhì)沉積狀況。

1.3.2.2 壓力對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響 采用等溫降壓的實(shí)驗(yàn)方法，固定實(shí)驗(yàn)溫度166.00 ℃，分別測(cè)試壓力在83.81、65.00、45.00、25.00 MPa 下瀝青質(zhì)沉積狀況，每降低一個(gè)壓力，循環(huán)攪拌維持油樣穩(wěn)定2 h，記錄瀝青質(zhì)沉積狀況。

1.3.2.3 氣油比對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響 配制不同氣油比下的地層模擬油，采用等溫降壓的方法測(cè)試氣油比對(duì)瀝青質(zhì)沉積影響。依次配制氣油比491、200 m3/m3，維持溫度166.00 ℃不變，采取等溫降壓的方法，按照等壓降10.00 MPa 降壓處理，分別測(cè)試壓力在83.81、73.81、63.81、53.81、43.81 MPa 下瀝青質(zhì)沉積狀況。

1.3.3 瀝青質(zhì)沉積位置預(yù)測(cè) 采用等溫降壓的方法，在地層溫度為166.00 ℃下開始緩慢降壓，通過(guò)CCD相機(jī)分別記錄不同壓力（83.81、65.00、45.00、25.00 MPa）下瀝青質(zhì)沉積狀況；再依次改變溫度（130.00、100.00、70.00、40.00 ℃）模擬井筒不同部位，重復(fù)測(cè)試，獲得瀝青質(zhì)沉積壓力-溫度關(guān)系；最后運(yùn)用PVTsim 求解器進(jìn)行校正，繪制瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線，預(yù)測(cè)瀝青質(zhì)沉積位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響

按照1.3.2.1 方法，在壓力83.81 MPa 下，分別測(cè)試了不同溫度對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 溫度對(duì)原油溶解瀝青質(zhì)含量、沉積速率的影響

從圖2 可得，固定實(shí)驗(yàn)壓力83.81 MPa 不變，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度從90.00 ℃降低到30.00 ℃時(shí)，原油中瀝青質(zhì)溶解量由0.011 4 g 降低到0.001 3 g，瀝青質(zhì)沉積速率從0 增加到0.001 5 g/℃。原油開采受地面?zhèn)鳠岬扔绊懀瑴囟瘸侍荻冗f減，導(dǎo)致瀝青質(zhì)沉積量、沉積速率增加。

2.2 壓力對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響

固定實(shí)驗(yàn)溫度為166.00 ℃，分別測(cè)試不同壓力對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 壓力對(duì)原油瀝青質(zhì)沉積速率與沉積量的影響曲線

由圖3 可得，隨著壓力的降低，原油中瀝青質(zhì)沉積量逐漸增加，當(dāng)壓力越靠近原油泡點(diǎn)壓力，瀝青質(zhì)析出量越大。原油在開采過(guò)程中，壓力降低引起瀝青質(zhì)沉積相比于溫度降低顯著，壓力是影響瀝青質(zhì)沉積的重要因素之一。

2.3 氣油比對(duì)瀝青質(zhì)沉積的影響

采用等溫降壓的實(shí)驗(yàn)方法研究了兩種氣油比對(duì)瀝青質(zhì)沉積規(guī)律的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4 數(shù)據(jù)可得，溫度恒定時(shí)，降低壓力，高氣油比相比于低氣油比更容易析出瀝青質(zhì)。分析認(rèn)為，高氣油比原油在降壓過(guò)程中，溶解氣大量析出，原油組分改變，穩(wěn)定體系破壞嚴(yán)重。同時(shí)作者認(rèn)為，溶解氣析出在流體中不規(guī)則運(yùn)動(dòng)對(duì)原油的擾動(dòng)剪切作用不能忽視。

2.4 瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線繪制

采用等溫降壓的實(shí)驗(yàn)方法，研究了不同溫度下瀝青質(zhì)隨壓力沉積規(guī)律，繪制了SHB-X 井瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線圖，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 順北油田原油瀝青質(zhì)沉積壓力-溫度變化關(guān)系

由圖5 可得，瀝青質(zhì)上沉積壓力隨溫度的升高逐漸減小，瀝青質(zhì)下沉積壓力隨溫度升高而逐漸增加，溫度升高減小了瀝青質(zhì)沉積壓力區(qū)域，瀝青質(zhì)較不容易發(fā)生沉積；當(dāng)溫度恒定時(shí)，瀝青質(zhì)沉積速率隨壓力降低而增加，并在泡點(diǎn)壓力處達(dá)到最大。

分析認(rèn)為：瀝青質(zhì)沉積是一個(gè)可逆過(guò)程，溫度升高有利于瀝青質(zhì)的溶解；當(dāng)油樣中壓力大于泡點(diǎn)壓力時(shí)，原油中有大量的輕組分和溶解氣，這些溶劑促進(jìn)了瀝青質(zhì)溶解，在高于泡點(diǎn)壓力時(shí)瀝青質(zhì)不易沉積，當(dāng)壓力小于泡點(diǎn)壓力時(shí)，溶解氣體從油相中逸出，油樣中重組分增加，原油穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，瀝青質(zhì)大量沉積。

2.5 瀝青質(zhì)沉積位置預(yù)測(cè)

由校準(zhǔn)后的SHB-X 井原油瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線圖，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)開采溫度、壓力隨井筒深度變化數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)SHB-X 井瀝青質(zhì)初始沉積位置，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 油田瀝青質(zhì)沉積位置預(yù)測(cè)

油井生產(chǎn)溫壓曲線與上沉積壓力線交點(diǎn)即為瀝青質(zhì)初始沉積位置，由圖6 得出瀝青質(zhì)初始沉積條件對(duì)應(yīng)溫度、壓力分別為158.00 ℃、75.00 MPa，瀝青質(zhì)初始沉積條件對(duì)應(yīng)井筒深度為6 900 m，沉積過(guò)程一直持續(xù)到井口，同時(shí)沉積量在泡點(diǎn)壓力處達(dá)到最大，泡點(diǎn)壓力處對(duì)應(yīng)井深200 m。

3 瀝青質(zhì)沉積模型

瀝青質(zhì)沉積模型基于氣-液模型，并將析出的瀝青質(zhì)假設(shè)為不溶于原油的純液相。當(dāng)氣液體系達(dá)到平衡時(shí)，氣相組分i 的逸度與液相相同組分i 的活度之間存在下述關(guān)聯(lián)關(guān)系：

式中：fAS-氣相中瀝青質(zhì)的逸度，Pa；P-平衡相態(tài)下的壓力，Pa；aAS-油相中瀝青質(zhì)的活度。

濃度與活度相關(guān)：理想溶液中，液相瀝青質(zhì)的活度等于其濃度。非理想溶液存在下式：

式中：PAS-氣相中瀝青質(zhì)組分的分壓，Pa；k-比例系數(shù)；CAS-液相中瀝青質(zhì)的濃度。

逸度與活度正相關(guān)，前人運(yùn)用氣-液逸度模型用于原油穩(wěn)定性分析[13-14]，本研究采用氣-液逸度模型計(jì)算不同溫度、壓力時(shí)的逸度，通過(guò)逸度變化率表征原油中瀝青質(zhì)的析出量，計(jì)算單位井深中瀝青質(zhì)的沉積速率。在已知原油開采速度下，可由單位井深中瀝青質(zhì)沉積量計(jì)算瀝青質(zhì)沉積速率。

氣-液逸度模型：

瀝青質(zhì)沉積量：

瀝青質(zhì)沉積速率：

式中：mAS-瀝青質(zhì)沉積量，g；vAS-瀝青質(zhì)沉積速率，g/s；D-井筒管徑，cm；ρ0-原油密度，g/cm3；voil-原油開采速度，g/s；dh-所計(jì)算一段井深的距離，cm；Δh-對(duì)應(yīng)相鄰逸度f(wàn)i之間的井深，cm。

采用逸度模型計(jì)算不同溫度、壓力對(duì)應(yīng)的逸度，表征不同壓差對(duì)應(yīng)的瀝青質(zhì)沉積速率和沉積量見(jiàn)表3。由順北油田原油瀝青質(zhì)析出沉積包絡(luò)線預(yù)測(cè)初始沉積位置為6 900 m，溫度為156.89 ℃、壓力為74.42 MPa，取初始沉積位置為沉積速率計(jì)算起點(diǎn)。

表3 SHB-X 井原油瀝青質(zhì)沉積速率、沉積量表

上述結(jié)果表明，SHB-X 井在無(wú)井壁坍塌、井筒變徑形成砂橋等因素影響下，在井筒深度6 900 m 開始沉積，并在井深200 m 處沉積速率達(dá)到最大，該深度下壓力接近泡點(diǎn)壓力，伴隨大量溶解氣析出。目前順北油田在測(cè)壓、清蠟等工藝操作中存在輕微遇阻，遇阻位置普遍在井深150～280 m，常規(guī)機(jī)械解堵操作能解堵。分析認(rèn)為，SHB-X 井原油自身瀝青質(zhì)含量偏低，沉積出來(lái)的瀝青質(zhì)隨原油開采流速被攜帶出井筒，但隨著開采時(shí)間的增加，原油中飽和分、芳香分、膠質(zhì)等百分含量逐漸減小，瀝青質(zhì)百分含量逐漸增加，不利于順北油田長(zhǎng)遠(yuǎn)開采，因此，提前開展瀝青質(zhì)沉積抑制措施，對(duì)于維持順北油田長(zhǎng)期高效開采具有重要意義[15-18]。

4 結(jié)論

（1）原油開采中，溫度、壓力、氣油比隨井深變化是影響瀝青質(zhì)沉積的主要因素。溫度升高有利于瀝青質(zhì)溶解；瀝青質(zhì)沉積在泡點(diǎn)壓力處最大；氣油比越大瀝青質(zhì)越容易發(fā)生沉積現(xiàn)象。

（2）根據(jù)SHB-X 井原油瀝青質(zhì)沉積壓力-溫度關(guān)系，通過(guò)PVTsim 求解器校正繪制了瀝青質(zhì)沉積包絡(luò)線，結(jié)果表明SHB-X 井在6 900 m 發(fā)生沉積，沉積過(guò)程持續(xù)到井口。

（3）基于氣-液逸度理論推導(dǎo)了適用于SHB-X 井沉積量、沉積速率計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明瀝青質(zhì)初始沉積量、沉積速率較小，隨著井深減小而逐漸增大，在200 m 易發(fā)生堵塞，與現(xiàn)場(chǎng)遇阻位置相近。該模型為順北油田開展瀝青質(zhì)清焦作業(yè)提供了技術(shù)支撐。