高凝油流體特性研究

溫子輝 張雁 呂紅磊 等

摘 要：通過氣相色譜分析了大慶油田某區(qū)塊高凝油油樣的組成，按照相應(yīng)方法測量了油樣的密度，凝固點(diǎn)，析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)，平均分子量等。使用HAKKE-RS150流變儀測量了剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化和粘度隨溫度的變化，根據(jù)以上結(jié)果對(duì)高凝油油樣的流變模式進(jìn)行了分析研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含碳量最高值出現(xiàn)在C22附近；溫度是影響高凝油的粘度的重要因素，其粘度與溫度的關(guān)系曲線出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)；當(dāng)溫度較低時(shí)，此時(shí)高凝油受到剪切其粘度會(huì)大幅降低；當(dāng)溫度低于反常點(diǎn)時(shí)，3組油樣均呈現(xiàn)出非牛頓流體的特性，具體表現(xiàn)為剪切變稀性，可以在井筒中的合適深度安裝加熱裝置和剪切裝置，從而降低高凝油粘度使其保持良好流動(dòng)性。

關(guān) 鍵 詞：高凝油；組分分析；粘溫曲線；非牛頓流體

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0535-03

Abstract： High pour-point oil sample from Daqing oil field was analyzed by gas chromatography. And density， freezing point， related point and abnormal point and average molecular weight of the sample were determined according to the relevant inspection standards. The viscosity-temperature curve and rheological curve of high pour-point oil sample were measured， the rheological model of three groups of samples were analyzed and studied using HAKKE - RS150 rheometer. The results show that the average carbon number of the sample is C22 or so； the viscosity of high pour-point oil is very sensitive to temperature， and the viscosity-temperature relationship shows three line type； when high pour-point oil is sheared at low temperature， its viscosity decreases greatly； when temperature of high pour-point oil is below abnormal point， three groups of samples are non-Newton fluid that has the feature of shear thinned； heating and high-speed shear pump measures can effectively improve production effect.

Key words： High pour-point oil； Component analysis； Viscosity-temperature curve； Non-Newtonian fluid

通常將凝點(diǎn)比較高的輕質(zhì)高含蠟原油稱為高凝油[1]。大慶油田在虎林區(qū)塊發(fā)現(xiàn)了虎1井等高凝油井，我國對(duì)高凝油藏的研究起步較晚，目前的試油求產(chǎn)方法和配套工藝技術(shù)對(duì)高凝油井試油求產(chǎn)還存在諸多不適應(yīng)性，例如，對(duì)高凝油藏特性認(rèn)識(shí)不清等。研究高凝油的物理性質(zhì)及流變性能及溫度對(duì)高凝油粘度的影響，其結(jié)果對(duì)分析油層及井筒中原油流動(dòng)性能及其對(duì)試油工作制度的影響及優(yōu)化工藝配套技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)高凝油井試油求產(chǎn)方法的優(yōu)選和制定高凝油藏的合理開采方式具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與儀器

檢驗(yàn)的油樣取自大慶油田某區(qū)塊的C井，S井和X井的脫水原油，分別記為A1，A2以及A3，每口井取2個(gè)油樣，記3組。

實(shí)驗(yàn)儀器主要有HAKKE-RS150流變儀，氣相色譜儀，恒溫水浴鍋等。

1.2 高凝油物理性質(zhì)檢驗(yàn)

樣品組成測定方法：通過氣相色譜實(shí)驗(yàn)[2]測定各油樣的碳數(shù)分布；

密度的測定方法：密度采用GB/T 1884標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行測定；

凝固點(diǎn)的測定方法：凝固點(diǎn)采用SY/T0541-94標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行測定；

原油析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)的測定方法：析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)采用SY/T0522-93標(biāo)準(zhǔn)[5]進(jìn)行測定；

平均分子量的測定方法：平均分子量采用SH/T0169-92標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行測定；

1.3 高凝油的流變性能影響研究

用HAKKE-RS150流變儀測定3組油樣的流變性，包括剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化、粘度隨溫度的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高凝油的物理特性

從表1中看出高凝油油樣的碳數(shù)分布，A1與A2油樣的碳數(shù)最大值均為23，平均碳數(shù)為22左右；A3油樣的碳數(shù)最大值均為21，平均碳數(shù)為19左右；3組油樣的凝固點(diǎn)均高于30 ℃，最高達(dá)39 ℃；3組油樣的析蠟點(diǎn)分布，A1的析蠟點(diǎn)較高，在50 ℃以上；A2和A3油樣析蠟點(diǎn)在45 ℃附近；反常點(diǎn)的溫度介于凝固點(diǎn)和析蠟點(diǎn)之間，稍高于凝固點(diǎn)。高凝固點(diǎn)和高含蠟量是高凝油區(qū)別普通原油的特點(diǎn)，保證原油良好的流動(dòng)性，即少析蠟、不凝固顯得尤為重要，因此應(yīng)當(dāng)采取措施提高原油溫度，使原油少析蠟易于流動(dòng)，從而不堵塞井筒 [7]。

2.2 粘溫關(guān)系特征

圖1給出了A3在不同剪切速率下的粘溫曲線。由圖1可見，溫度是影響高凝油粘度的重要因素，其粘溫關(guān)系曲線呈現(xiàn)拋物線型。根據(jù)曲線斜率可以將粘溫曲線劃分為3段，分別是粘度突增區(qū)、粘度緩增區(qū)和粘度平衡區(qū)。

當(dāng)溫度不同時(shí)，以三種剪切速率測量油樣的對(duì)應(yīng)粘度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和文獻(xiàn)調(diào)研可知[8]：當(dāng)溫度處于析蠟點(diǎn)以上時(shí)對(duì)應(yīng)粘度平衡區(qū)，溫度介于析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)之間是對(duì)應(yīng)的是粘度緩增區(qū)，溫度低于反常點(diǎn)是對(duì)應(yīng)粘度突增區(qū)。當(dāng)原油溫度在析蠟點(diǎn)溫度以上時(shí)，原油中的蠟完全溶解，此時(shí)高凝油粘度變化比較穩(wěn)定，粘度隨溫度變化不明顯，此時(shí)流體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性；溫度介于析蠟點(diǎn)和反常點(diǎn)之間時(shí)，此時(shí)石蠟不能完全溶解在原油中，隨著溫度降低，石蠟逐漸析出，在原油中逐漸形成分散體系影響高凝油粘度，但原油仍然保持為連續(xù)相，高凝油仍然近似認(rèn)為是牛頓流體；當(dāng)原油溫度降到反常點(diǎn)以下時(shí)，隨著蠟晶不斷析出，這些高度分散的蠟晶不斷聚集，最終形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[9]，原油中開始出現(xiàn)海綿狀凝膠體，液態(tài)烴表現(xiàn)為非連續(xù)相，只有當(dāng)外加剪切力超過原油的極限切應(yīng)力以后原油才會(huì)發(fā)生流動(dòng)。當(dāng)高凝油的溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí)，蠟晶的析出會(huì)對(duì)原油粘度產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)高凝油的溫度低于反常點(diǎn)時(shí)，溫度不再是決定原油粘度的唯一因素，此時(shí)原油粘度由溫度和剪切速率兩個(gè)因素決定，開始表現(xiàn)出非牛頓流體的特性。

因此，為了防止高凝油開采過程中的石蠟析出，應(yīng)采取措施使高凝油溫度一直處于析蠟點(diǎn)之上，井筒加熱方式可解決蠟晶析出堵塞井筒問題[10]。

2.3 粘度與剪切速率關(guān)系研究

比較圖1中3種剪切速率下的粘溫關(guān)系曲線可知，只有當(dāng)溫度較低時(shí)，剪切速率對(duì)高凝油的粘度變化影響較大。根據(jù)圖1中A3粘溫關(guān)系曲線可知，①當(dāng)油樣溫度為32 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時(shí)，其粘度由260.9 mPa·s降至106 mPa·s，下降幅度度達(dá)59.37%；當(dāng)油樣溫度為40 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時(shí)，其粘度由45.30 mPa·s降至31.50 mPa·s，下降幅度達(dá)30.46%，這表明，當(dāng)溫度處于反常點(diǎn)以下時(shí)，高凝油呈現(xiàn)非牛頓流體特性即剪切稀釋效應(yīng)，且溫度越低，粘度降低程度越大；②當(dāng)油樣溫度為32 ℃，剪切速率由100 s-1增加至200 s-1時(shí)，其粘度將由260.9 mPa·s降至189.5 mPa·s，下降幅度僅為27.37%，說明剪切速率不是決定原油粘度的唯一因素，當(dāng)剪切速率低于某一臨界值時(shí)，剪切速率的增大降粘效果明顯[11]，當(dāng)剪切速率超過了某一臨界值時(shí)，增大剪切速率的降粘效果并不明顯，因此為了達(dá)到使高凝油的粘度降低到易于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，從節(jié)約能源的角度出發(fā)：剪切速率達(dá)到某一臨界值時(shí)綜合效益最好；③當(dāng)油樣溫度為60 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時(shí)，其粘度由17.45 mPa·s降為14.5 mPa·s，下降幅度僅17.19%，這表明：當(dāng)隨著溫度升高增加剪切速率的降粘效果逐漸下降，此時(shí)高凝油的粘度主要受兩個(gè)因素影響，即剪切速率和溫度。當(dāng)溫度和剪切速率在某一個(gè)臨界值以內(nèi)時(shí)，溫度越低，剪切速率越大，高凝油的粘度降低值越大，當(dāng)溫度和剪切速率超過某個(gè)臨界值時(shí)，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐漸下降。

以此為理論基礎(chǔ)，在井筒的合適深度安裝井筒加熱裝置在抽油泵的抽油桿上適當(dāng)安裝剪切裝置，利用加熱裝置使原油溫度保持在一定范圍和剪切器的適當(dāng)剪切達(dá)到保持高凝油良好流動(dòng)性的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高凝油油藏的合理、高效開采。

3 流變狀態(tài)分析

比較圖2中3個(gè)溫度下油樣剪切速率與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線，可知油樣在對(duì)應(yīng)溫度下的流變特性。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析認(rèn)識(shí)到：①當(dāng)油樣溫度高于析蠟點(diǎn)溫度時(shí)，油樣的流變曲線表現(xiàn)為一條過原點(diǎn)的直線，油樣屬于牛頓流體[12]；②當(dāng)油樣溫度低于析蠟點(diǎn)溫度而高于反常點(diǎn)溫度時(shí)，油樣的流變曲線為一條過原點(diǎn)的直線，油樣仍然屬于牛頓流體；③當(dāng)油樣溫度低于反常點(diǎn)溫度時(shí)，3種油樣的流變曲線呈現(xiàn)出不同的曲線形態(tài)。根據(jù)圖2得到的A2油樣流變曲線形態(tài)可知，當(dāng)溫度低于其反常點(diǎn)溫度時(shí)，A2油樣的剪切速率與剪切應(yīng)力雖然仍然成正比關(guān)系，但是直線不過原點(diǎn)，油樣符合擬塑性流體[13]的流變模式。通過數(shù)學(xué)方程回歸剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線，可以得到油樣的本構(gòu)方程，油樣在不用溫度下的流變狀態(tài)方程如表2所示。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)高凝油處于剪切狀態(tài)下時(shí)，其粘度會(huì)大幅度降低。高凝油的粘度主要受兩個(gè)因素影響，即剪切速率和溫度。當(dāng)溫度和剪切速率在某一個(gè)臨界值以內(nèi)時(shí)，溫度越低，剪切速率越大，高凝油粘度降低值越大，當(dāng)溫度和剪切速率超過某個(gè)臨界值時(shí)，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐漸下降。

（2）溫度對(duì)高凝油的粘度變化影響十分顯著，高凝油的粘溫曲線呈現(xiàn)出拋物線型。當(dāng)溫度較低時(shí)其粘度較大，伴隨溫度的升高，粘度迅速下降，當(dāng)溫度升高到析蠟點(diǎn)以上后，粘度即使溫度繼續(xù)上升粘度降低不明顯。

（3）在溫度較低的條件下，高凝油剪切降粘效果顯著，在溫度較高時(shí)，剪切降粘效果不顯著；當(dāng)溫度低于反常點(diǎn)溫度時(shí)，高凝油為非牛頓流體，但是不同油樣流變曲線形狀不同，即本構(gòu)方程不同，都能通過剪切達(dá)到降低高凝油粘度的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟慶學(xué)，王玉臣. 高凝油及其開采技術(shù)[J]. 石油科技論壇， 2006 （05）： 45-49.

[2]楊海鷹. 氣相色譜技術(shù)在石油和石化分析中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 石油化工， 2005（12）：1123-1128.

[3]李敬巖，褚小立，田松柏. 紅外光譜方法快速預(yù)測原油密度的研究[J]. 石油煉制與化工，2011（12）：73-77.

[4]王武俊. 凝固點(diǎn)測定方法的評(píng)述[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（13）：74+98.

[5]姜彬，邱凌. 王繼強(qiáng)，樊靈，韓岐清，隋義勇，楊作明，歐征. 大港油田高凝高粘原油特性[J]. 油氣地質(zhì)與采收率，2007（06）：94-96+117.

[6]劉偉. 原油主要化學(xué)成分對(duì)原油平均分子量的影響[J]. 黑龍江科技信息，2011（05）：31+115.

[7]謝文彥，李曉光，陳振巖，回雪峰. 遼河油區(qū)稠油及高凝油勘探開發(fā)技術(shù)綜述[J]. 石油學(xué)報(bào)，2007（04）：145-150.

[8]曲文馳，曲悅銘，劉丹. 聚合物驅(qū)油藏剩余油潛力分析及壓裂時(shí)機(jī)確定[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2015（10）：138-143.

[9]姚傳進(jìn)，雷光倫，張曉，高達(dá)，蔣寶云，劉海慶. 濰北油田高凝油流變性研究[J]. 油氣地質(zhì)與采收率，2011（01）：63-66+115.

[10]王霞. 高凝油藏?zé)岵煞绞窖芯縖D]. 山東東營：中國石油大學(xué)，2008.

[11]張曉. 高凝原油流變性及井筒剪切降粘開采技術(shù)研究[D]. 山東東營：中國石油大學(xué)，2011.

[12]劉乃震，王廷瑞，劉孝良，劉崇建. 非牛頓流體的穩(wěn)定性及其流態(tài)判別[J]. 天然氣工業(yè)，2003（01）：53-57+7-6.

[13]施慶珊，王計(jì)偉，歐陽友生，陳儀本. 非牛頓流體粘度測定方法研究進(jìn)展[J]. 發(fā)酵科技通訊，2011（02）：42-45.