草舍油田區(qū)塊原油瀝青質(zhì)初始沉淀壓力研究

程云龍, 蔣子揚(yáng), 楊子騰, 王 杰, 沈 忱

(1.中國石化華東油氣分公司 泰州采油廠, 江蘇 泰州 225300; 2.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

地層原油是一個(gè)復(fù)雜的多分散油體系,其中包含極性和非極性分子、輕質(zhì)和重質(zhì)組分,油藏原始條件下體系處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)[1],膠質(zhì)作為穩(wěn)定劑吸附在瀝青質(zhì)表面促使體系為穩(wěn)定的流體狀態(tài),但體系中的輕質(zhì)和瀝青質(zhì)組分具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性,但原油從地層輸送至地面,再由管線輸送至儲(chǔ)罐和三相分離器過程中,溫度和壓力都發(fā)生變化,這種多分散油體系的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)將被打破,輕質(zhì)組分從中脫離而出,膠質(zhì)組分從瀝青質(zhì)表面脫附[2-3]。瀝青質(zhì)表面失去膠質(zhì)附著后其上的活性位點(diǎn)相互吸引,從而聚集形成大顆粒。在衰竭開釆過程、注水開采過程以及注氣過程中都有可能出現(xiàn)瀝青質(zhì)沉淀[4]。由于溫度和壓力條件變化,原油體系析出瀝青質(zhì)顆粒沉淀,顆粒隨流體在儲(chǔ)層中流動(dòng)進(jìn)入孔吼及裂縫后吸附于巖石表面,使儲(chǔ)層的有效孔隙度和滲透率下降;小顆粒會(huì)逐漸聚集形成大的聚集體,堵塞油流通道對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆的傷害[5],繼而極大地降低儲(chǔ)層注入和采出能力,降低原油采收率。因此,研究瀝青質(zhì)初始沉淀的溫度壓力條件是保證油田生產(chǎn)穩(wěn)定高效的重要環(huán)節(jié)。為了減小瀝青質(zhì)對(duì)原油生產(chǎn)的影響,通過近紅外光散射技術(shù)(light-scattering technique,LST)和過濾法測(cè)定了草舍油樣在不同溫度下的瀝青質(zhì)初始沉淀壓力Poap,得到了瀝青質(zhì)沉淀析出過程的溫度和壓力參數(shù),并以此作出瀝青質(zhì)沉淀相圖,結(jié)合井筒溫度壓力變化曲線可估算出開始出現(xiàn)瀝青質(zhì)沉淀的深度,為預(yù)防和解決油井瀝青質(zhì)沉淀提供思路和理論依據(jù)[6-7]。

1 瀝青質(zhì)沉淀機(jī)理

關(guān)于瀝青質(zhì)沉淀機(jī)理的研究目前主要有4種影響瀝青質(zhì)沉積的效應(yīng)[8-12]被廣泛認(rèn)可。

1)多分散性效應(yīng)。瀝青質(zhì)的沉積與其在原油體系中的分散性有直接關(guān)系,而體系中極性和非極性組分、輕質(zhì)和重質(zhì)組分影響瀝青質(zhì)的分散性。當(dāng)體系的溫度、壓力和組成發(fā)生變化時(shí),瀝青質(zhì)因?yàn)樵隗w系中的分散性失衡而發(fā)生沉淀析出。在原油中加入極性組分時(shí),瀝青質(zhì)分子聚集,但是受堆積約束力的作用,瀝青質(zhì)分子無法形成固態(tài)沉淀,而是以膠束類聚集體出現(xiàn)[13-14];在原油中添加非極性組時(shí),瀝青質(zhì)分子中的雜化原子、氫鍵會(huì)發(fā)生聚集,導(dǎo)致瀝青質(zhì)分子以固態(tài)沉淀聚集析出[15]。

2)立體膠態(tài)效應(yīng)。瀝青質(zhì)分子本身具有很強(qiáng)的自聚集能力。原油體系平衡狀態(tài)下,膠質(zhì)分子吸附在瀝青質(zhì)的表面,作為穩(wěn)定劑使瀝青質(zhì)分子穩(wěn)定懸浮在體系中。膠質(zhì)的濃度及其在瀝青質(zhì)表面的平衡條件影響體系的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)向原油中加入大量極性組分(如烷烴分子)時(shí),體系中膠質(zhì)濃度大幅降低,瀝青質(zhì)就會(huì)發(fā)生聚集并析出。

3)聚集效應(yīng)。當(dāng)體系受外界因素(如溫度、壓力和化學(xué)組分)的影響時(shí),膠質(zhì)在瀝青質(zhì)表面的化學(xué)位點(diǎn)的平衡被打破,膠質(zhì)從瀝青質(zhì)表面脫附,瀝青質(zhì)分子相互吸引而聚集成更大的顆粒,并且這種聚集不可逆。

4)電動(dòng)力效應(yīng)。當(dāng)原油處于儲(chǔ)層、井筒、管線等不同環(huán)境狀態(tài)時(shí),由于原油體系的組成、性質(zhì)和流態(tài),內(nèi)流通道的電性質(zhì)、熱性質(zhì)和潤濕性發(fā)生變化,瀝青質(zhì)沉積還受電動(dòng)力效應(yīng)的影響。由于帶電膠體粒子在管柱內(nèi)傳輸時(shí)將產(chǎn)生相應(yīng)電位差,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子間的氫鍵、范德華力、π-π相互作用和靜電力等作用力[16]發(fā)生改變,導(dǎo)致下游的膠體粒子電荷變化使瀝青質(zhì)發(fā)生沉積。根據(jù)石油的組成性質(zhì)及其所在熱力學(xué)環(huán)境,瀝青質(zhì)沉淀可能由以上沉積機(jī)理中的一種或多種效應(yīng)造成。

2 原油SARA分析

地層原油是一個(gè)復(fù)雜的多分散油體系,其中包含眾多組分,體系的穩(wěn)定性不僅受溫度和壓力影響,還與體系中各組分的含量和性質(zhì)有關(guān),可利用SARA分析和膠體穩(wěn)定性指數(shù)(colloidal instability index,CII)對(duì)油樣進(jìn)行分析[17-18]。SARA分析即分析原油中的飽和分(saturate)、芳香分(aromatic)、膠質(zhì)(resin)和瀝青質(zhì)(asphaltene)的含量。膠體穩(wěn)定性指數(shù)CII可以通過四組分預(yù)測(cè)體系的穩(wěn)定性,即

(1)

CII值越大,說明體系中瀝青質(zhì)易析出。

取樣井原油物性及相關(guān)參數(shù)見表1。分別取一天中08:00、16:00和24:00的油樣(編號(hào)為1、2、3),分析的四組分及CII結(jié)果見表2,3個(gè)時(shí)段的油樣CII都大于0.9,說明該油樣極不穩(wěn)定,易發(fā)生瀝青質(zhì)沉淀。

表1 取樣井原油物性及相關(guān)參數(shù)

表2 SARA分析及CII結(jié)果

3 近紅外光散射技術(shù)和過濾法測(cè)定瀝青質(zhì)初始沉淀壓力

3.1 近紅外光散射技術(shù)原理及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用儀器為固體沉淀測(cè)試系統(tǒng)(solid phase detection system,SDS)(加拿大DBR公司生產(chǎn)),使用油樣為草舍油田區(qū)塊典型井原油樣品。圖1為LST系統(tǒng)原理圖,它由一個(gè)可控制體積的可視PVT(pressure-volume-temperature)單元組成。PVT單元的主要組成部分是一個(gè)耐熱玻璃圓柱體。在耐熱玻璃柱內(nèi)部安裝了一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的浮動(dòng)活塞和一個(gè)磁力攪拌器,可以無汞操作。活塞的底部有O形環(huán),用于將液壓流體與單元內(nèi)容物隔開。磁力攪拌器安裝在PVT單元的底部端蓋上,可以快速將油樣攪拌均勻。圓筒裝在帶有垂直鋼化玻璃板的鋼殼內(nèi),以便對(duì)內(nèi)部管件內(nèi)容物進(jìn)行可視化觀察。可變?nèi)莘e泵通過從PVT單元頂部的浮動(dòng)活塞控制流體的體積,從而控制流體的壓力。在等溫降壓或等壓注入溶劑時(shí),通過計(jì)算機(jī)控制泵的工作以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。PVT單元安裝在一個(gè)特殊的支架上,可以360°旋轉(zhuǎn)。支架和PVT單元被安置在一個(gè)控溫烘箱內(nèi)。PVT單元溫度由鉑電阻熱探測(cè)器測(cè)量,壓力由經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字壓力表監(jiān)測(cè)[19]。PVT單元的可視窗口上配備有光纖透光率探針用于測(cè)定瀝青質(zhì)沉淀出現(xiàn)后的透光率。LST系統(tǒng)通過近紅外波長的優(yōu)化激光測(cè)試溫度、壓力或流體成分可變的測(cè)試流體的透射率?？赏ㄟ^檢測(cè)器記錄實(shí)驗(yàn)過程中的變量:溫度、壓力、時(shí)間和透光率[20-22]。

1為圓柱;2為PVT可視化單元;3為磁力攪拌器;4為泵;5為背壓調(diào)節(jié)器;6為壓力表;7為空氣循環(huán)烤箱;8為近紅外光系統(tǒng)圖1 LST系統(tǒng)示意圖

圖2展示了近紅外(near infrared,NIR)光系統(tǒng)下的透光原理。當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力P大于瀝青質(zhì)初始沉淀壓力Poap時(shí),原油體系不發(fā)生瀝青質(zhì)沉淀,呈均質(zhì)流體狀態(tài),近紅外光對(duì)體系的透光率呈現(xiàn)較大值;當(dāng)實(shí)驗(yàn)壓力P小于瀝青質(zhì)初始沉淀壓力Poap時(shí),原油體系開始發(fā)生瀝青質(zhì)沉淀,近紅外光對(duì)體系的透光率降低,且瀝青質(zhì)沉淀越多透光率越低,根據(jù)透光率的下降趨勢(shì)可判斷瀝青質(zhì)初始沉淀壓力[23]。

圖2 NIR透光原理

在儲(chǔ)層溫度和壓力條件下注入適當(dāng)?shù)臏y(cè)試流體。然后將LST組件安裝在PVT電池的窗口上。利用磁力攪拌器在1 400 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌30 min,測(cè)試流體均質(zhì)化。隨后利用NIR裝置對(duì)測(cè)試流體進(jìn)行透光率掃描。分別設(shè)定溫度為35、50、61、70、84 ℃進(jìn)行等溫降壓實(shí)驗(yàn),等溫降壓實(shí)驗(yàn)中起始?jí)毫Υ笥谟筒貕毫?以降壓速率為0.5 MPa/min降低壓力,同時(shí)對(duì)測(cè)試流體進(jìn)行透光率掃描,記錄下實(shí)驗(yàn)過程中的透光率和對(duì)應(yīng)壓力。

3.2 過濾法原理及實(shí)驗(yàn)方法

過濾法使用SDS固體沉淀測(cè)試系統(tǒng)的PVT可視化單元,配制地層溫度壓力的適量實(shí)驗(yàn)油樣注入可視化PVT單元,再注入一定量的沉淀劑。隨后通過0.45 μm高壓高溫疏水過濾器在不同壓力下過濾除去少量(約10 mL)混合好的油樣。過濾是在實(shí)驗(yàn)壓力和溫度條件下進(jìn)行的。濾材背面保持在實(shí)驗(yàn)壓力下,通入穩(wěn)定的烴類氣體。隨后設(shè)定溫度為35、50、61、70、84 ℃進(jìn)行降壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)全過程中,單元內(nèi)容物都用磁力攪拌器攪拌混合并驅(qū)出,通過過濾器收集沉淀出的物質(zhì)。取保留在過濾器上的材料,分析飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量,記錄各組分含量及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)壓力。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 光散射技術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3所示為等溫降壓過程中的透光率變化曲線,隨著壓力的降低,近紅外響應(yīng)開始增加,透光率上升。此時(shí)原油體系處于初始沉淀壓力以上,不發(fā)生沉淀,體系中沒有懸浮瀝青質(zhì),此時(shí)近紅外光通過流體時(shí)散射最小,透光率較大。這種最小的散射可能是由于體系中存在少量懸浮的地層細(xì)?；蛐∷?。但由于壓力降低體系密度降低,分子間距增大,近紅外光對(duì)體系的透射率逐漸增大。當(dāng)透光率上升至某一點(diǎn)壓力時(shí),出現(xiàn)急劇下降,此點(diǎn)壓力即為瀝青質(zhì)初始沉淀壓力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度降至瀝青質(zhì)初始沉淀壓力時(shí),體系開始出現(xiàn)沉淀,瀝青質(zhì)顆粒一出現(xiàn),導(dǎo)致大部分透射光在遠(yuǎn)高于泡點(diǎn)壓力下散射,近紅外光透射率就急劇下降,這可能是由于較大的瀝青質(zhì)顆粒的瞬時(shí)生長,也意味著顆粒生長的動(dòng)力更快。壓力繼續(xù)降低,體系密度也相應(yīng)降低,近紅外光對(duì)體系的透射率再次緩慢上升,當(dāng)壓力降至某一點(diǎn)時(shí),透光率再次下降,此點(diǎn)即為泡點(diǎn)壓力。當(dāng)壓力降至泡點(diǎn)壓力時(shí),原油體系開始脫氣,體系的密度逐漸上升,分子間距減小,近紅外光對(duì)體系的透射率快速下降。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)一步降低壓力會(huì)產(chǎn)生更多的氣體,因此減壓過程會(huì)在PVT細(xì)胞排出氣體的過程中以離散的步驟繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)壓力繼續(xù)降低,透光率又開始上升,這是因?yàn)轶w系密度增大后分子間作用力增強(qiáng),導(dǎo)致部分瀝青質(zhì)顆粒再次溶解于體系。根據(jù)分析,實(shí)驗(yàn)溫度為35、50、61、70、84 ℃時(shí)的瀝青質(zhì)沉淀初始?jí)毫Ψ謩e為17.57、17.14、16.52、15.84、14.94 MPa,泡點(diǎn)壓力分別為8.51、9.86、10.56、11.14、11.65 MPa。

圖3 等溫降壓過程中的透光率變化曲線

3.3.2 過濾法實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

取油樣1在35、50、61、70、84 ℃下進(jìn)行等溫降壓實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)全過程中對(duì)過濾器收集的沉淀進(jìn)行SARA分析。如圖4中“方塊”曲線所示,作出過濾器上殘留物的瀝青質(zhì)含量與壓力關(guān)系曲線,正如預(yù)期的那樣,實(shí)驗(yàn)溫度84 ℃過濾壓力步長為25 MPa時(shí),殘留物的瀝青質(zhì)含量為3.45 wt%,與油樣1直接測(cè)得的瀝青質(zhì)含量相同。這是因?yàn)樵诖藟毫ο?液相中沒有絮凝的瀝青質(zhì)顆粒,因此無法在SARA分析中顯示出來。在剛好低于瀝青質(zhì)初始沉淀壓力14.94 MPa的壓力下,瀝青質(zhì)開始沉淀,透光率降低。然而,過濾器上殘留物的分析顯示瀝青質(zhì)的含量略有增加。這可能是因?yàn)槌恋淼臑r青質(zhì)顆粒尺寸仍小于0.45 μm,因此可以通過過濾器。

圖4 過濾法等溫降壓實(shí)驗(yàn)測(cè)得的瀝青質(zhì)含量變化

在略低于泡點(diǎn)壓力11.65 MPa的壓力下,過濾器上的瀝青質(zhì)含量增加到6 wt%左右。隨后殘留物中的懸浮瀝青質(zhì)顆粒的濃度開始降低。這是因?yàn)楫?dāng)壓力降至泡點(diǎn)壓力時(shí),原油體系開始脫氣,密度增大,瀝青質(zhì)顆粒在致密流體中重新溶解。如圖4所示,在壓力低于8 MPa時(shí),瀝青質(zhì)含量趨于穩(wěn)定,理論上會(huì)降至初始瀝青質(zhì)含量3.45 wt%。但是,由于瀝青質(zhì)顆粒仍處于懸浮狀態(tài),且尺寸小于0.45 μm可以通過濾光片,所以導(dǎo)致近紅外光散射,透光率降低。其次,在泡點(diǎn)壓力以下脫氣的原油體系密度增大也會(huì)影響透光率。

圖4中“三角”曲線為實(shí)驗(yàn)中SARA分析的瀝青質(zhì)含量變化曲線和膠質(zhì)與瀝青質(zhì)的比率曲線。如圖4中所示,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)呈相反的變化趨勢(shì),瀝青質(zhì)沉淀量越大,膠質(zhì)含量越低。這是由于在原油體系中膠質(zhì)作為穩(wěn)定劑吸附在瀝青質(zhì)表面,以保證體系的穩(wěn)定,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)為對(duì)立關(guān)系。當(dāng)體系所處熱力學(xué)環(huán)境發(fā)生較大變化,體系平衡被打破,輕質(zhì)組分脫出,膠質(zhì)從瀝青質(zhì)表面脫附,瀝青質(zhì)顆粒析出并且由于表面的活性點(diǎn)相互吸引而聚集并絮凝成大顆粒。

3.4 瀝青質(zhì)沉淀相圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得油樣在儲(chǔ)層溫度、井筒中部溫度和井口溫度下的瀝青質(zhì)初始沉淀壓力,可作出相應(yīng)的P-T(壓力-溫度)相圖并繪制出粗略的瀝青質(zhì)沉淀相圖[24]。如圖5所示,各溫度下的初始沉淀壓力連線即為瀝青質(zhì)沉淀相包絡(luò)線,泡點(diǎn)壓力連線為泡點(diǎn)線。當(dāng)原油所處熱力學(xué)環(huán)境在穩(wěn)定區(qū)域時(shí),瀝青質(zhì)不發(fā)生沉淀;當(dāng)原油所處的熱力學(xué)點(diǎn)在瀝青質(zhì)沉淀相包絡(luò)線上時(shí),開始出現(xiàn)瀝青質(zhì)沉淀;當(dāng)原油所處的熱力學(xué)點(diǎn)在泡點(diǎn)線上時(shí)瀝青質(zhì)沉淀達(dá)到最大[25-26]。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)對(duì)瀝青質(zhì)沉淀相包絡(luò)線進(jìn)行三相式擬合,得到以下回歸方程:

B0為截距;B1、B2、B3為回歸系數(shù)圖5 瀝青沉淀相圖

Poap=(9.444 44×10-6)T3-(2.33×10-3)T2+

(1.155×10-1)T+15.980 09

(2)

式中:Poap為瀝青質(zhì)初始沉淀壓力,MPa;T為原油體系所處溫度, ℃。

如圖5所示,壓力對(duì)瀝青質(zhì)沉淀的影響大于溫度。實(shí)際生產(chǎn)時(shí),近井地帶的地層壓力較大,高于瀝青質(zhì)初始沉淀壓力,不易發(fā)生沉淀。但隨著開發(fā)過程中地層能量逐漸衰竭,井底流壓減小,導(dǎo)致壓力降至瀝青質(zhì)初始沉淀壓力以下,在井底產(chǎn)生沉淀。油藏物性越好,地層能量的衰減速度越快,生產(chǎn)壓差變化越大,需及時(shí)補(bǔ)充地層能量,穩(wěn)定壓差。

原油體系從儲(chǔ)層運(yùn)移至井底過程中,由于地層孔吼條件復(fù)雜、地層非均質(zhì)性差異、地層壓力變化較大等原因,極易發(fā)生瀝青質(zhì)沉淀。但是從井底輸送至井口過程中,受影響因素較少,瀝青質(zhì)初始沉淀壓力對(duì)比井筒內(nèi)壓力變化較小。結(jié)合井筒溫度壓力的變化曲線,即可找出對(duì)應(yīng)深度的原油體系所處熱力學(xué)狀態(tài),對(duì)照瀝青質(zhì)沉淀相圖,即可確定瀝青質(zhì)沉淀開始出現(xiàn)的深度。此模型對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)查找瀝青質(zhì)沉淀出現(xiàn)位置存在精確度不足的問題,但對(duì)于井筒預(yù)防瀝青質(zhì)沉淀仍然具有較大的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)測(cè)得油樣在35、50、61、70、84 ℃時(shí)的瀝青質(zhì)沉淀初始?jí)毫Ψ謩e為17.57、17.14、16.52、15.84、14.94 MPa,隨溫度升高而降低。壓力變化過程中,膠質(zhì)和瀝青質(zhì)呈相反的變化趨勢(shì)。

2)在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)對(duì)瀝青質(zhì)沉淀相包絡(luò)線擬合,三相式回歸后得到方程,預(yù)測(cè)各溫度下的瀝青質(zhì)初始沉淀壓力,結(jié)合井筒溫度壓力曲線可估算出井筒中瀝青質(zhì)沉淀出現(xiàn)的位置。

3)油藏物性越好,地層能量衰減越快,生產(chǎn)壓差變化越大,極易產(chǎn)生瀝青質(zhì)沉淀,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充地層能量,穩(wěn)定壓差。

本文的數(shù)學(xué)模型尚存在應(yīng)用環(huán)境有限、對(duì)瀝青質(zhì)沉淀位置的預(yù)測(cè)值不夠精確等不足。后續(xù)可研究瀝青質(zhì)沉淀析出后原油潤濕濕性、毛管壓力及相滲曲線等變化,結(jié)合多相管流知識(shí)和數(shù)值模擬研究,擴(kuò)大該模型的應(yīng)用范圍,提高對(duì)瀝青質(zhì)沉淀位置的預(yù)測(cè)精確度。