油藏蠟沉積研究綜述

莫蘭秀，歐陽雯，章思鵬，姚睿，袁海峰

（西安石油大學(xué)， 陜西 西安 710065）

因此研究蠟在油藏中的沉積，對于制定高含蠟油藏的合理的開發(fā)方案具有指導(dǎo)作用。我國原油多為含蠟原油，在含蠟原油開采過程中，由于油藏壓力下降、油藏溫度下降和原油脫氣等因素，致使蠟在油藏中發(fā)生沉積[1-2]。沉積的蠟堵塞儲層孔隙吼道和黏附在孔喉壁面，減少油氣運(yùn)移有效通道，使儲層滲透率降低，進(jìn)而導(dǎo)致增大原油流動阻力，增加油氣開采難度[3]。而蠟沉積對油藏的損害的程度取決于地層滲透率、蠟沉淀量和油藏溫度。油藏中蠟的沉積的機(jī)理是非常復(fù)雜的，這是因為它涉及學(xué)科多，是一個涵蓋熱力學(xué)變量、流體動力學(xué)流動、傳熱傳質(zhì)以及固體-固體和表面-固體相互作用的函數(shù)[4]。因此研究蠟在油藏中的沉積，對于制定高含蠟油藏的合理的開發(fā)方案具有指導(dǎo)作用。

1 油藏蠟沉積的影響因素

油藏蠟沉積的影響因素眾多，總體分為內(nèi)因和外因，油藏蠟沉積現(xiàn)象是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果[5]。內(nèi)因主要指原油組成。外因指的是除內(nèi)因外的其他影響因素，比如原油中的水和機(jī)械雜質(zhì)、溫度和壓力等。

1.1 內(nèi)因

內(nèi)因主要指原油組成。儲層中的原油多為碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，它是由飽和烴、芳香烴、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組成[6-7]。

1.1.1 飽和烴

飽和烴是由正鏈烷烴、支鏈烷烴和環(huán)烷烴組成，且各組成其對于蠟的析出的作用有所不同。飽和烴是蠟的主要成分，支鏈烷烴可以延遲蠟核形成，環(huán)烷烴具有破壞蠟核形成和蠟的生長過程[8]。原油所含的正烷烴的濃度越高，其對應(yīng)蠟含量越高。

1.1.2 瀝青質(zhì)和膠質(zhì)

原油中瀝青質(zhì)的絮凝對蠟沉積具有促進(jìn)作用，而瀝青質(zhì)具有一定表活性，對蠟沉積具有抑制作用。對于其對蠟沉積發(fā)揮何種作用，主要取決于原油中其自身結(jié)構(gòu)及存在狀態(tài)。膠質(zhì)能夠降低沉積物的生成速率、增大沉積物的含蠟量、促進(jìn)沉積物的老化進(jìn)程、以及降低沉積物的膠凝溫度和屈服應(yīng)力，且發(fā)現(xiàn)含膠質(zhì)原油的蠟沉積物中蠟晶體積變小、數(shù)量變多、長寬比減小[9-13]。

1.1.3 芳香烴

由碳?xì)浠衔锝M成且分子至少含有一個苯環(huán)結(jié)構(gòu)的芳香烴，其蠟的良好溶劑。也就是說原油中含的芳香烴越多，該石油溶解蠟的能力更強(qiáng)，則蠟的溶解度相對增加[4]。

1.1.4 溶解氣

原油中含有溶解氣量越大，就相當(dāng)于充當(dāng)蠟的溶劑增加，且其析蠟溫度相對較低。原油中輕質(zhì)組分越多，會使原油黏度降低，剪切應(yīng)力減小，從而抑制蠟的沉積。同時，原油中溶解氣逸出會導(dǎo)致原油溫度下降，降低蠟的溶解度；輕質(zhì)組分逸出會導(dǎo)致原油中液相含量減少，減少了蠟的溶劑，促進(jìn)了蠟結(jié)晶析出[14]。

1.2 外因

影響油藏蠟沉積的外因多指油氣組成系統(tǒng)的溫度和壓力[15-16]。

1.2.1 溫度

油藏油氣系統(tǒng)溫度降低的兩個主要影響因素為低溫工作液的注入和原油脫氣膨脹。當(dāng)大量的低溫工作液被注入地層，地層被冷卻，導(dǎo)致儲層發(fā)生不可逆的蠟沉積過程。絕大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，由于油藏冷傷害的緣故，油藏蠟沉積在鉆井時就存在。原油脫氣膨脹，使得油氣體系溫度降低，致使蠟的溶解度降低。

1.2.2 壓力

在含蠟原油的生產(chǎn)過程中，油藏壓力不斷下降，當(dāng)原油體系的壓力低于飽和壓力時，會導(dǎo)致溶解氣從原油中逸出，使得原油體系的溫度降低，蠟的溶解度降低[17]。其次，原油體系中的輕質(zhì)組分從液相逸出，這將減少了蠟的溶劑，這就會使得蠟在體系中呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生析蠟和后續(xù)出現(xiàn)的蠟沉積。壓力對結(jié)蠟速度影響不單一，在露點(diǎn)壓力之下， 壓力增加沉積速度減小，在露點(diǎn)壓力之上壓力增加 沉積速度增加[18]。

1.2.3 其他

原油中的機(jī)械雜質(zhì)和微小氣泡會作為蠟析出的結(jié)晶核心，促進(jìn)蠟的析出并加速蠟的沉積［11］。同時，原油滲流速度不同其產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不同，剪切應(yīng)力會破壞蠟的結(jié)構(gòu)，對蠟沉積起抑制作用。

2 油藏蠟沉積機(jī)理與機(jī)制

于調(diào)研可知，關(guān)于油藏蠟沉積機(jī)理，主要是指在油藏條件下的蠟沉積行為。即蠟從油藏的油氣系統(tǒng)析出并沉積，本文主要總結(jié)了三種機(jī)理。

2.1 正規(guī)溶液理論

不同油藏情況其油氣體系中蠟組分及其組成的碳?xì)浠衔锊煌炘谟蜌庀到y(tǒng)中的溶解度受多種因素的影響。油氣系統(tǒng)在穩(wěn)定條件下，蠟組分完全溶解于原油中，所以在該情況下的含蠟原油可視為真溶液。因此油藏中油氣系統(tǒng)中蠟組分是否析出主要由該系統(tǒng)下蠟的溶解度控制。在油藏在投入生產(chǎn)過程中，由于各項增產(chǎn)增注措施，導(dǎo)致油氣系統(tǒng)中油氣組成、系統(tǒng)溫度和壓力發(fā)生變化，使得蠟在油氣系統(tǒng)中的溶解度降低，進(jìn)而導(dǎo)致蠟的析出。正規(guī)溶液理論是后續(xù)蠟沉積熱力學(xué)模型理論基礎(chǔ)。

2.2 相平衡理論

一般地，儲層中的原始油氣系統(tǒng)是處于平衡狀態(tài)，蠟是完全溶解狀態(tài)，但由于油藏開發(fā)投產(chǎn)致使油氣系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡被打破，油氣系統(tǒng)中的固-液-氣三相失衡，導(dǎo)致蠟析出。在過去的幾十年中，相態(tài)平衡被廣泛應(yīng)用，且形成許多理論模型。氣液固三相平衡熱力學(xué)模型可用于模擬油藏油氣開采過程中由于油氣體系壓力、溫度和組成的改變而引起的蠟沉積問題[5]。

2.3 結(jié)晶理論

結(jié)晶是指從無序或部分到有序狀態(tài)形成晶體的過程。所有結(jié)晶過程都包括成核和晶體生長。核的形成是一個動態(tài)過程，此過程中伴隨著不同大小的核的生長和消失，且方向是趨向于最小吉布斯能。當(dāng)溫度等于或低于蠟的外觀溫度時，油氣體系中的蠟成分開始形成晶體。在這個過程中，帶有長側(cè)鏈的非極性高分子物質(zhì)會進(jìn)入蠟晶體與蠟發(fā)生共晶，而帶有極性基團(tuán)的高分子物質(zhì)則會被吸附到蠟晶體的表面上，從而促進(jìn)蠟晶體的聚集和沉積在表面上[19]。并且由于蠟中存在非正鏈烷烴組分，這將導(dǎo)致共晶混合物的形成。

2.4 油藏蠟沉積機(jī)制

3 油藏蠟沉積模型

蠟沉積模型應(yīng)該包括兩部分，即描述蠟在油藏中溶解與析出的蠟沉積預(yù)測模型[20]，另一部分是描述蠟析出后沉積與運(yùn)移的狀態(tài)方程和蠟沉積對儲層造成傷害的蠟沉積傷害模型?？偟膩碚f，油藏蠟沉積模型該具備能描述蠟在油藏中的溶解/析出、運(yùn)移及儲層傷害的要素。

3.1 蠟沉積預(yù)測模型

首先對油氣系統(tǒng)相態(tài)進(jìn)行判斷，即判斷油氣系統(tǒng)是處于氣-液-固三相區(qū)還是液-固兩相區(qū)。

S—摩爾固-液比；

e—摩爾氣化率。

步驟3：考察屬性aj中的每一個候選斷點(diǎn)Caj的存在性，即把原始決策表中與Caj相鄰的2個屬性值中的較小值改成較大值。如果此時的決策表不會產(chǎn)生沖突，那么把Caj從斷點(diǎn)集中去除；否則，還原已修改的屬性值。

由以上式子可知，（3-1）和（3-2）是判斷氣—液平衡，（3-3）和（3-4）可判斷液—固平衡，當(dāng)以上四個式子均大于1 時，混合物才屬于氣—液—固三相平衡。

當(dāng)油藏發(fā)生蠟沉積時，可根據(jù)熱力學(xué)平衡條件列方程計算蠟沉積量。當(dāng)油藏發(fā)生蠟沉積時，可根據(jù)熱力學(xué)平衡條件列方程計算蠟沉積量。

式中：A—常數(shù)，取0.882 4；

B—常數(shù)，取0.000 3；

C—常數(shù)，取0.114 4；

3.2 蠟沉積模型

在原油開采中，由于蠟的熱力學(xué)平衡被打破，蠟開始從原油中析出。油氣系統(tǒng)中蠟的固體顆粒在隨原油流經(jīng)儲層時會堵在孔喉中，導(dǎo)致蠟沉積。根據(jù)蠟的連續(xù)性方程結(jié)合蠟的質(zhì)量守恒方程，最后可得到油藏蠟的沉積模型（3-9）式：

式中：C—每單位液體體積（該體積為液體加上液體中懸浮蠟固體的）的懸浮蠟固體體積，無因次；

3.3 石蠟沉積傷害模型

儲層多孔介質(zhì)三維重構(gòu)是研究油藏蠟沉積基礎(chǔ)[21]。在研究油藏蠟沉積的損害模型時，關(guān)于儲層多孔介質(zhì)三維模型重建的方法有毛細(xì)管束模型、隨機(jī)法、切片法組合法、多點(diǎn)統(tǒng)計法、過程法、X 射線立體成像法和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型等。由于毛管束模型法建立儲層多孔介質(zhì)模型較為簡單，因此可通采用毛管束模型將儲層多孔介質(zhì)簡化，為了更貼近實(shí)際，可采用彎的毛管束模型進(jìn)行研究。毛管束模型法建立儲層多孔介質(zhì)模型的思維圖如圖1 所示。

圖1 儲層多孔介質(zhì)模型

袁媛[22]提出了一種考慮迂曲度的毛管束模型，該模型結(jié)合了壓汞資料和MATLAB 的計算，細(xì)化了毛細(xì)管相關(guān)參數(shù)。其中，平均迂曲度可以使用如下的計算式：

φ—巖心的孔隙度，小數(shù)；

原油在儲層流動時，蠟可能會發(fā)生沉積并以薄膜的形式附著在巖石孔隙表面，如果假設(shè)蠟在毛細(xì)管壁上均勻地附著，可以通過預(yù)測沉積量來推測毛細(xì)管徑的變化。圖2 展示了該過程的等效示意圖。假蠟沉積的體積為，蠟沉積后后地層的滲透率、地層的孔隙度和毛細(xì)管半徑分別變?yōu)?/p>

圖2 孔喉蠟沉積

同時假設(shè)比面的變化可以忽略不計，則 ：

石蠟沉積后的毛細(xì)管半徑計算公式如下（3-11）式：

石蠟沉積后的地層孔隙度計算公式如下（3-12）式：

把(3-10)式帶入上式得：

常用的滲透率模型有Kozeny-Carman 水力毛細(xì)管模型、Kozeny-Carman 毛細(xì)管修正模型、多參數(shù)冪律模型、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型、流動效率模型和Fair-Hatch模型等。其中，多參數(shù)冪律模型是應(yīng)用最廣的模型之一。（3-15）式為Civan 在考慮多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性、有效孔隙度以及各類垢等影響因素上，所提出的改進(jìn)的冪律模型。

式中：下標(biāo)min 和max 的物理量—分別表示這項物理量的最小值和最大值；

C—分形系數(shù)；

A—毛細(xì)管橫截面積，cm2；

V—孔隙間流體流動速率，m/s。

4 結(jié) 論

油藏蠟沉積是油氣系統(tǒng)內(nèi)因和外因素綜合作用的結(jié)果，其中內(nèi)因為油氣系統(tǒng)組成，外因為油藏開發(fā)過程中的各項措施所引起的油藏油氣系統(tǒng)的溫度和壓力變化。對于高含蠟油藏在投入生產(chǎn)時，清防蠟工作應(yīng)該貫穿整個生產(chǎn)過程。同時可以使用蠟沉積預(yù)測模型去預(yù)測油藏不同生產(chǎn)條件下蠟沉積相關(guān)溫度和沉積量，使用蠟沉積傷害模型去預(yù)測清防蠟時機(jī)。蠟沉積傷害模型的精確度依賴于蠟沉積量的精確度和多孔介質(zhì)建模。對蠟的濁點(diǎn)、傾點(diǎn)和析蠟點(diǎn)的實(shí)驗預(yù)測結(jié)果可以對蠟沉積的熱力學(xué)模型進(jìn)行校正，同時原油的碳數(shù)分布的精確預(yù)測可提高蠟沉積量的預(yù)測結(jié)果。對于蠟固液平衡預(yù)測可以使用SP-Wax 軟件進(jìn)行模擬，蠟沉積行為可用分子動力學(xué)模擬[23-24]。在建立儲層多孔介質(zhì)模型建模，可以參考最先進(jìn)的油藏多孔介質(zhì)三維建模并結(jié)合實(shí)驗進(jìn)一步改進(jìn)模型的精確度，使得模型更貼合實(shí)際的初始儲層。