葡萄花黑帝廟淺層含蠟原油流變性研究

趙 莉 高旺來 趙立翠 周長(zhǎng)沙 馬世英

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

葡萄花黑帝廟地區(qū)淺層油藏是典型的低溫含蠟油藏，原始地層溫度下原油已經(jīng)失去流動(dòng)性。含蠟原油在低于原油凝固點(diǎn)時(shí)，由于蠟晶的析出以及膠質(zhì)瀝青質(zhì)的附著形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而使原油呈現(xiàn)出復(fù)雜的流變特性，對(duì)原油集輸和開發(fā)帶來一定的困難。評(píng)價(jià)原油低溫流動(dòng)性的指標(biāo)主要有凝固點(diǎn)、黏度及屈服應(yīng)力等，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該地區(qū)的原油低溫流動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而研究判斷原油流變類型、黏度對(duì)溫度的依賴關(guān)系以及原油流動(dòng)和恢復(fù)流動(dòng)的條件。

1 油藏及原油特點(diǎn)

葡萄花黑帝廟地區(qū)淺層油藏埋深較淺(平均埋深200～500 m)，油層膠結(jié)疏松，破裂壓力低，其中一個(gè)最突出的特點(diǎn)就是原始地層溫度(20℃)低于原油凝固點(diǎn)(38℃)，原油在原始地層溫度下失去流動(dòng)性，而且由于地層溫度低于原油凝固點(diǎn)，也就低于原油的析蠟溫度，造成地層特別是進(jìn)井地帶蠟堵嚴(yán)重。對(duì)油藏原油凝固點(diǎn)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和含蠟量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。原油凝點(diǎn)測(cè)定依據(jù)SY/T 0541-2009《原油凝點(diǎn)測(cè)定法》進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器采用大連大唐科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的DT-4003C型凝點(diǎn)測(cè)定儀。原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟含量的測(cè)定依據(jù)SY/T 7550-2004《原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量測(cè)定法》進(jìn)行，采用4組分分析儀、瀝青質(zhì)測(cè)定器和蠟含量測(cè)定器。

表1 原油部分基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)

由表1看出，葡萄花黑帝廟淺層油藏原油與一般稠油相比含蠟量明顯較高，而且屬于高含蠟原油(蠟含量高于10%)，凝固點(diǎn)幾乎接近高凝油(凝固點(diǎn)大于40℃)的范疇而且高于原始地層溫度，原油在油藏中幾乎處在一種靜止?fàn)顟B(tài)，所以需要更多的熱量將原油啟動(dòng)起來。熱驅(qū)動(dòng)原油的溫度不應(yīng)低于臨界啟動(dòng)溫度(原油凝固點(diǎn))，當(dāng)然這是啟動(dòng)原油流動(dòng)的前提，具體溫度等參數(shù)還要根據(jù)原始油藏性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

2 流變性研究

2.1 理論流變類型

流體的流變類型可以根據(jù)流變曲線來判定分析。流變曲線是表征流體所受到的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系曲線，如果某種流體的流變曲線是一條經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，那么該流體稱為牛頓流體，其流變特性遵從牛頓內(nèi)摩擦力定律。牛頓流體以外的所有流體稱為非牛頓流體，即剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系是非線性的，或者當(dāng)外力超過初始應(yīng)力后，剪切速率與剪切應(yīng)力才是成正比關(guān)系的。牛頓流體、假塑性流體和膨脹性流體。上述流體的流變曲線如圖1所示。

圖1 流體的流變曲線

塑性流體(也稱為有屈服值的假塑性流體)的特點(diǎn)是只有剪切應(yīng)力大于τs后才開始流動(dòng)，假塑性流體和膨脹性流體則是一施加外力就能流動(dòng)，但假塑性流體隨剪切速率的增大其剪切應(yīng)力增加趨勢(shì)逐漸減緩，膨脹性流體則相反。

2.2 實(shí)際流體流變類型

通過對(duì)葡萄花黑帝廟淺層原油進(jìn)行測(cè)試原油黏度在不同溫度、不同剪切速率下的變化情況，分別得到如圖2、圖3所示的原油流變曲線和原油黏溫曲線。

圖2 不同溫度下原油的流變曲線

同一溫度下，剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大，但增大的速度隨之變緩;不同溫度同一剪切速率下，剪切應(yīng)力隨著溫度的升高而減小;溫度在20℃～35℃之間時(shí)，流變曲線呈現(xiàn)出典型的塑性流體特性;溫度在40℃ ～50℃之間時(shí)，雖然剪切力變化幅度不大，但是曲線還是凸向剪切應(yīng)力軸且過坐標(biāo)原點(diǎn)，所以此時(shí)原油屬于假塑性流體;溫度在60℃～100℃之間時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系，說明溫度大于60℃時(shí)原油已經(jīng)屬于牛頓流體。

2.3 原油黏溫關(guān)系

原油在沒有剪切力作用時(shí)，黏度隨溫度的變化曲線如圖3所示。在沒有剪切力作用時(shí)，原油黏度隨溫度變化的趨勢(shì)特點(diǎn)很明顯，在溫度小于60℃時(shí)，隨著溫度的增大黏度急劇下降，當(dāng)溫度高于60℃以后，原油黏度幾乎沒有變化。為了更直觀的表現(xiàn)含蠟原油黏度與溫度的關(guān)系，將原油黏度和動(dòng)平衡表觀黏度與溫度的相對(duì)應(yīng)關(guān)系以半對(duì)數(shù)坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)出來，即全黏溫曲線，見圖4。

圖3 原油黏溫曲線

圖4 原油全黏溫曲線

含蠟原油在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)溫度依賴性很強(qiáng)，溫度小于60℃時(shí)，原油黏度隨溫度的增加急劇減小，當(dāng)溫度大于60℃后，蠟晶基本上已經(jīng)全部溶解在原油中，原油黏度變化幅度很小。從原油全黏溫曲線也可以看出，曲線在60℃左右時(shí)開始趨于平緩，溫度小于60℃時(shí)屬于非牛頓段，大于60℃時(shí)屬于牛頓段。原因是含蠟原油在溫度降低到一定程度時(shí)開始析蠟，碳數(shù)多的烷烴首先結(jié)晶，隨著溫度的不斷降低，相對(duì)碳數(shù)較少的烷烴也陸續(xù)結(jié)晶。只要溫度足夠低，不僅C17(烷烴中屬于蠟的部分)以上的烷烴會(huì)結(jié)晶，C17以下的烷烴(不屬于蠟的烷烴)也會(huì)結(jié)晶，直到所有烴類完全結(jié)晶為止。原油析蠟是一個(gè)隨溫度變化而變化的漸變過程，不是瞬間完成的。析蠟點(diǎn)就是原油中烴類物質(zhì)開始結(jié)晶的起始點(diǎn)，隨著溫度的降低，蠟晶濃度增大到一定程度時(shí)，絮凝的蠟晶將會(huì)發(fā)展成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，液態(tài)油被包圍在蠟晶體間隙內(nèi)，使得原油產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性凝固成為膠凝體系而失去流動(dòng)性［2］。為了更精確地確定原油析蠟點(diǎn)，依據(jù)SY/T 0545-1995《原油析蠟熱特性參數(shù)的測(cè)定:差示掃描量熱法》進(jìn)行測(cè)定，如圖5所示。

圖5 析蠟點(diǎn)測(cè)量結(jié)果(DSC原油熱譜圖)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到原油的析蠟點(diǎn)為52.06℃，析蠟高峰點(diǎn)為22.14℃。溫度在22.14℃時(shí)，DSC曲線［3］遠(yuǎn)離基線達(dá)到曲線最高點(diǎn)，說明原油在此溫度下析蠟量比較集中。原油析蠟點(diǎn)與通過全黏溫曲線觀測(cè)到的析蠟點(diǎn)基本一致。

2.4 低溫含蠟原油的屈服現(xiàn)象

原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如蠟晶的濃度、尺寸、形狀以及絮凝狀態(tài)和瀝青質(zhì)的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)等決定了原油的流變性質(zhì)，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)又與原油油溫有直接的關(guān)系［4］，所以低溫狀態(tài)下含蠟原油的流變性更加復(fù)雜，屈服特性是非牛頓流體重要的流變性質(zhì)之一，同時(shí)也表征了含蠟原油的膠凝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)溫度降低到原油凝固點(diǎn)附近，析出的蠟晶濃度已經(jīng)可以形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著溫度的進(jìn)一步降低，原油形成膠凝體系逐漸失去流動(dòng)性，此時(shí)含蠟原油表現(xiàn)出極其復(fù)雜的屈服 — 假塑性，重新將原油啟動(dòng)起來需要更大的壓力。

當(dāng)溫度在原油凝固點(diǎn)附近但仍低于凝固點(diǎn)時(shí)，通過原油流變曲線(圖6)可以看出這個(gè)溫度范圍內(nèi)，由于蠟晶結(jié)構(gòu)的存在，原油具有明顯的屈服應(yīng)力值。屈服應(yīng)力［5］又分為動(dòng)屈服應(yīng)力和靜屈服應(yīng)力，動(dòng)屈服應(yīng)力一般為平衡流變曲線外延與剪切應(yīng)力軸的交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力，但通常是從剪切速率沒有延伸到非常低的流變曲線上獲得的，它是維持原油繼續(xù)流動(dòng)(但不是保持原有流動(dòng)速率)所需的最小剪切力［6］;靜屈服應(yīng)力一般為原油經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間靜置后測(cè)得的屈服應(yīng)力，表征的是原油在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是原油經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間由靜置到開始流動(dòng)所需的最小剪切力，所以反映了管道停輸再啟動(dòng)的難易程度，也是衡量原油流動(dòng)性的重要指標(biāo)之一［7］。

圖6 原油在凝固點(diǎn)附近具有屈服性的流變曲線

τs1、τs2、τs3分別對(duì)應(yīng)的是溫度30 ℃、25 ℃、20 ℃下的動(dòng)屈服應(yīng)力值，在同一剪切速率下，隨著溫度的升高，動(dòng)屈服應(yīng)力值明顯減小，當(dāng)溫度接近凝固點(diǎn)時(shí)屈服應(yīng)力值幾乎不存在。對(duì)于簡(jiǎn)單觸變性流體，觸變結(jié)構(gòu)被破壞后在有限的時(shí)間完全恢復(fù)至相應(yīng)的平衡狀態(tài)，則沒有必要區(qū)分動(dòng)、靜屈服應(yīng)力，所以當(dāng)該類含蠟原油處于具有屈服特性的溫度范圍時(shí)，原油啟動(dòng)壓力［8］一定要大于其本身的屈服應(yīng)力，這對(duì)原油流動(dòng)所需要的啟動(dòng)壓力提供了可適用的參考值。

3 結(jié)論

(1)含蠟原油不同于一般的普通稠油。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)以及含蠟量都比較高，原油凝固點(diǎn)也高于普通稠油，原油組成的復(fù)雜性也決定了流變性的復(fù)雜。

(2)含蠟原油黏度和流變性對(duì)溫度非常敏感，原油黏度在析蠟溫度以上變化不大，而低于析蠟溫度時(shí)變化劇烈。析蠟溫度以上蠟全部溶解在原油中為單相流動(dòng)，呈牛頓流體特性;析蠟溫度到凝固點(diǎn)溫度之間，原油一部分為固態(tài)，另一部分為液態(tài)，仍具有牛頓流體特性;低于凝固點(diǎn)溫度，雖然有一部分為液態(tài)，但由于析出的結(jié)晶成網(wǎng)格而不能流動(dòng)，呈現(xiàn)非牛頓流體特性。

(3)評(píng)價(jià)原油低溫流動(dòng)性的指標(biāo)主要有凝固點(diǎn)、黏度及屈服應(yīng)力。葡萄花黑帝廟淺層含蠟原油的高凝固點(diǎn)、低溫高黏度以及低溫屈服的特點(diǎn)已經(jīng)表明低溫下原油流動(dòng)性極差，而且該區(qū)的特殊性還在于原始地層溫度低于原油凝固點(diǎn)，原油在地層溫度下已經(jīng)失去流動(dòng)性，通過研究低溫下原油的屈服應(yīng)力，對(duì)原油的流動(dòng)提供了可靠的壓力參考值，同時(shí)對(duì)輸油系統(tǒng)的流動(dòng)安全也具有實(shí)際的指導(dǎo)意義［9］。

［1］張勁軍.對(duì)原油流變學(xué)研究的若干思考［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22(9):11-17.

［2］李鴻英，張勁軍.蠟晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)與含蠟原油流變性的關(guān)系［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23(9):19-23.

［3］李鴻英，黃啟玉，張帆，等.用差示掃描量熱法確定原油的含蠟量［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，27(1):60-66.

［4］李鴻英，張勁軍.蠟對(duì)原油流變性的影響［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(11):6-12.

［5］王鳳巖，嵇銳，王忠偉，等.特(超)稠油流變特性試驗(yàn)研究及應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2002，9(5):91-93.

［6］張勁軍，王寶昌，張鵬.含蠟原油的動(dòng)屈服應(yīng)力［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，1996，15(3):5-15.

［7］侯磊，張勁軍.含蠟原油屈服應(yīng)力的研究進(jìn)展及分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24(3):5-9.

［8］楊勝來，蔣利平.克拉瑪依九7區(qū)超稠油流變性及滲流特性研究［J］.特種油氣藏，2004，11(6):86-91.

［9］張國(guó)忠，馬志祥.熱油管道安全經(jīng)濟(jì)輸油溫度研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25(1):106-109.