储层条件下的含蜡原油流变性研究

聂向荣，杨胜来，曹力元，郑皑皑，石巍，蔡福林

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

储层条件下的含蜡原油流变性研究

聂向荣，杨胜来，曹力元，郑皑皑，石巍，蔡福林

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

为研究含蜡原油在储层条件下的流变性，应用高压黏度计，在储层压力条件下开展了原油流变性实验。结果表明：在较低的温度条件下，含蜡原油的黏度随剪切速率增大而减小，且起初在一定的剪切速率范围内减幅较大，随后减幅越来越小；随着温度的降低，含蜡原油的表观黏度、黏流活化能及稠度系数增大，非牛顿指数减小，流变特性越来越偏离牛顿流体；采用非牛顿指数、稠度系数、黏流活化能和结构黏度指数等4项参数，能较全面地表征储层条件下含蜡原油的流变性。关键词含蜡原油；流变性；黏流活化能；非牛顿指数；稠度系数；结构黏度指数

含蜡原油开发过程中，因含蜡导致的开采问题十分突出[1-5]，原因之一是其在储层中的流变特征较为复杂，流变性受多种因素的影响。国内外对此进行了大量的实验研究[6-15]，但是针对储层条件下含蜡原油流变性的研究相对较少。本文以国外某油田的含蜡原油为例，进行了储层条件（高压、含气）下的流变性实验研究。采用黏流活化能、非牛顿指数、稠度系数和结构黏度指数等4个参数，对储层条件下含蜡原油的流变特征进行表征，为含蜡油田的开发提供了理论支持。

1 实验条件及原理

1.1 仪器及样品

采用美国RUSKA公司生产的PVT-2730高压物性实验装置附带的高压黏度计，该测试仪实验温度允许范围在150℃以内，压力允许范围在75 MPa以内。由于实验样品为黏度较高的含蜡原油，按照高压黏度计的毛细管选取标准，选用半径为0.03 in（1 in=25.4 mm）的毛细管。

实验样品为国外某油田的高含蜡活油（未脱气），所在储层的温度为85℃，压力为22.87MPa，脱气后在地面条件（20℃，0.1MPa）下的基本物性参数为:密度836 kg/m3，蜡质量分数30%，析蜡点60℃，反常点45℃，凝固点40℃。

1.2 实验原理

根据哈根-泊肃叶方程（式（1）），结合管壁处的最大剪切应力τmax计算公式（式（2）），再根据剪切应力与速率的关系，可得到管壁处的剪切速率γ（见式（3））。

式中:Q为体积流量，m3/s；r为毛细管半径，m；Δp为毛细管两端压差，MPa；η为流体的表观黏度，109mPa·s；L为毛细管长度，m。

可以看出，在实验过程中通过记录流量Q可计算此时的剪切速率γ，结合该流量下测试的流体表观黏度η，即可得到η随γ的变化情况。

2 实验结果及分析

2.1 流变曲线

实验过程中分别设定5种流量:1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 cm3/min，由式（3）可得到对应的剪切速率，依次为384，576，768，960，1 153 s-1。在22.87MPa压力条件下，85～30℃温度变化过程中，分别测定不同温度条件下原油样品的流变曲线（见图1）。

图1 不同温度下η与γ的关系

由图1可以看出:温度较高（大于45℃）时，原油样品表现为牛顿流体，表观黏度不随剪切速率的变化而变化；温度较低时，原油样品表现为假塑性非牛顿流体，随着剪切速率的上升，表观黏度呈下降趋势，具有典型的剪切变稀特性。在35～30℃温度区间内，当剪切速率为380～800 s-1时，表观黏度随剪切速率增大而降低的程度较大，非牛顿现象较为显著；当剪切速率大于800 s-1时，表观黏度的下降趋于缓慢，非牛顿现象减弱。由此可见，通过增加剪切速率实现含蜡原油降黏的方法具有一定的局限性。

2.2 非牛顿指数

非牛顿指数可用来判断非牛顿流体偏离牛顿流体的程度。对于非牛顿流体，常用幂律方程表示其流变性，即

η=Kγn-1（4）

其对数形式为

式中:K为稠度系数，mPa·sn；n为非牛顿指数。

可根据n的大小进行流体性质的判断:n=1时，流体为牛顿流体；n≠1时，流体为非牛顿流体，其中，n＞1时为膨胀性流体（剪切变稠），n＜1时为假塑性流体（剪切变稀）。

利用式（5），在半对数直角坐标系中，对实验测得的η-γ数据进行线性回归拟合。利用所得的直线截距和斜率，经过换算，即可得到非牛顿指数n和稠度系数K（见表1）。

表1 不同温度下的非牛顿指数与稠度系数

由表1可以看出，随着温度的降低，原油样品的K不断增大，n则不断减小，即温度越低，该油样的黏度越大，假塑性越强。在45℃以上温度条件下，原油表现为牛顿流体，n的理论值应该为1，但是实验结果并非如此，这主要是实验误差及原油组分的复杂性造成的。

2.3 黏流活化能

分析黏度对温度的依赖性，需要计算黏流活化能。黏流活化能表示一个分子改换位置时克服周围分子对其作用力需要的能量，是黏度对温度敏感程度的一种度量。黏流活化能越大，则黏度对温度的变化越敏感，表征流体流动需要克服一个越大的能量势垒，亦即流体的流动越困难。

一般情况下，温度越高，流体的黏度越小。含蜡原油的黏-温变化规律符合Arrhenius方程，即

式中:Ea为黏流活化能，J/mol；A为指前因子，mPa·s；R为气体常数，取值8.314 J/（mol·K）；T为绝对温度，K。

对于含蜡原油，存在析蜡前和析蜡后2种状态。析蜡前，含蜡原油为牛顿流体，黏流活化能Ea和指前因子A均为常数；当有蜡晶析出时，由于分散相蜡晶的出现，使得原油的黏-温关系发生变化，黏流活化能随之增大。在非牛顿流体区，Ea和A不再是常数，而是与剪切速率相关的函数。

将式（6）两边取对数，可得

绘制剪切速率为384 s-1时lnη与T-1的关系曲线（见图2）。可以看出，lnη-T-1关系曲线并不是一条直线，而是随着温度的降低，存在2个明显的拐点。如果用1条直线去拟合的话，将会产生较大误差，因此，须应用最小二乘法进行分段线性拟合，得到3个回归方程（见表2），对应图2中的3条直线。

图2 lnη-T-1关系曲线

由表2可以看出，随着温度的降低，黏流活化能起初表现为逐渐增大，当温度降低到42.9～30.0℃时，则表现为急剧增大。分析认为，这是原油在低温条件下析出大量蜡晶的结果。

表2 不同温度区间lnη与T-1关系式

在42.9～30.0℃区间温度条件下，剪切速率分别为384，576，768，960，1 153 s-1时含蜡原油的黏流活化能见图3。

图3 42.9～30.0℃条件下Ea与γ的关系

由图3可以看出，剪切速率越大，含蜡原油的黏流活化能越小。这是因为随着剪切速率的增加，蜡晶等大分子的流动能力提高，原油黏度小幅降低，黏度对温度的依赖程度减弱。

2.4 结构黏度指数

结构黏度指数在其他行业的应用较广，一般用来表示熔体的结构化程度，即熔体内大分子的交联和结晶程度[10]。对于高含蜡原油而言，可以借用结构黏度指数定量表征其在低温条件下析出的蜡晶形成晶体网格的结构化程度。结构黏度指数Δη的表达式为

通过计算不同温度下η-γ1/2关系曲线的斜率，即可得到结构黏度指数与温度的关系曲线（见图4）。

图4 结构黏度指数与温度的关系

由图4可以看出，温度从85℃降至30℃时，结构黏度指数从0.001增加到0.070。这说明在温度较高时，原油的流动性较强，几乎没有稳定的结构，随着温度的降低，原油的结构化程度越来越高，并在45℃时发生突变。分析认为，这是由于在45℃时，蜡质开始大量析出，并形成了稳定的蜡晶网格，使得含蜡原油的结构化程度增强。这一结论与含蜡原油流变曲线、非牛顿指数及黏流活化能的实验结果基本一致，由此可见，利用结构黏度指数进行含蜡原油析蜡结晶程度的定量描述是可行的。

3 结论

1）在地层压力条件下，当温度高于45℃时，含蜡原油表现为牛顿流体，低于45℃时，则表现为假塑性非牛顿流体。

2）可以用幂律型流变模式表征含蜡原油的流变特征，用黏流活化能表征含蜡原油对温度的敏感性，用结构黏度指数定量描述含蜡原油的析蜡结晶程度。

3）通过增大剪切速率，可以在一定程度上降低含蜡原油黏度对温度的敏感度，这对高凝油藏的开发和生产具有一定的指导意义。

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（编辑 孙薇）

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Study on rheology ofwaxy crude oilunder reservoir conditions

Nie Xiangrong,Yang Shenglai,Cao Liyuan,Zheng Aiai,ShiW ei,Cai Fulin

(MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,Ch ina)

For the purpose of studying rheology of waxy crude oil under reservoir conditions,the experimental research was carried out with high-pressure viscometer.The results show that the viscosity of waxy crude oil decreases as the shear rate increases at the lower temperature.The decreasing amplitude is larger within certain range of the shear rate,and then becomes smaller.As the temperature deceases,the apparent viscosity,activation energy of viscous flow and consistency index of waxy crude oil increases,but the non-Newtonian index decreases.The rheology ofwaxy crude oil changes from Newtonian fluid to non-Newtonian fluid by cooling.We can comprehensively evaluate the rheology ofwaxy crude oil under reservoir condition using four parameters such as non-Newtonian index,consistency index,activation energy of viscous flow and structural viscosity index.

waxy crudeoil;rheology;activation energy of viscous flow;non-Newtonian index;consistency index;structuralviscosity index

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“苏丹3/7区高凝油油藏高效开发技术”（2011ZX05032-002）

TE345

A

2013-04-30；改回日期：2013-09-20。

聂向荣，男，1986年生，中国石油大学（北京）油气田开发工程专业在读博士研究生，主要从事油藏渗流机理方面的研究工作。E-mail:nxrcup@163.com。

聂向荣，杨胜来，曹力元，等.储层条件下的含蜡原油流变性研究[J].断块油气田，2013，20（6）:755-758.

Nie Xiangrong，Yang Shenglai，Cao Liyuan，et al.Study on rheology of waxy crude oil under reservoir conditions[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:755-758.

10.6056/dkyqt201306019