利用超声波方法确定地层含气原油的析蜡点

姜彬，邱凌，李雪，杨胜来，李珂，陈翰

（1. 中海油研究总院；2. 中国石油大学（北京））

0 引言

析蜡点是决定地层条件下原油是否析蜡的关键参数，地层温度低于析蜡点时，石蜡析出，原油黏度升高，地下渗流条件变差，影响原油采收率。对于注水开发高凝油藏，地层含气原油析蜡点是确定合理注水温度的重要指标。

目前，国内外常用的原油析蜡点[1-4]测试方法主要针对地面脱气原油，部分测试方法[5-9]可实现压力较高条件下脱气原油的析蜡点测试；而对地层条件下含气原油的析蜡点测试方法相对较少，文献[10]描述了一种利用激光法测试地层条件下含气原油析蜡点的实验，但对颜色较深、透光性差的原油并不适用。本文利用超声波在不同介质中传播的声学特性，探索利用超声波测试地层含气原油析蜡点的新方法，并对国外某高凝油藏原油样品析蜡点进行了测试，为指导该高凝油藏的合理开发提供了依据。

1 实验原理

超声波脉冲[11-12]包含多个频率成分，在单一介质中传播时，其主频成分首先衰减，并以吸收衰减为主。原油析蜡时，随着固体蜡晶从原油中析出，初始单相体系逐渐变为固液两相体系，随着散射衰减对超声波的影响增强，观察到的首波频率也将发生变化，拐点即为析蜡点。若忽略测试过程中声束扩散衰减的影响，析蜡前后原油中声波的衰减系数[13-14]可表示为：

析蜡前，

析蜡后，

式中 α——衰减系数，dB/cm；f0——析蜡前超声波首波频率，Hz；f1——析蜡后超声波首波频率，Hz；C1——吸收衰减系数，(dB·s2)/cm；C2——散射衰减系数，(dB·s4)/cm。

2 实验设备及流体样品

2.1 实验设备

超声波测试原油析蜡点的实验系统主要由注入系统、超声波发射接收系统、超声波数据处理系统以及计量系统组成。注入系统包括高精度计量泵（ISOC泵）、回压泵；超声波发射接收系统包括 YBH-1超声波测试装置和 2个可直接伸入高压平衡釜（由夹持器夹持）的超声波探头；超声波数据处理系统包括超声波频率转换装置和数据处理器；计量系统包括压力表、电子温度计（可精确至 0.1 ℃）等。实验装置连接见图1。

图1 超声波测原油析蜡点流程图

2.2 油田概况及样品性质

K油田位于东非裂谷西支北端，属于边水半背斜层状砂岩油藏，储集层为扇三角洲分流河道沉积，埋深2 100～2 600 m，主力层物性较好，孔隙度为15%～30%，渗透率为（100～3 600）×10−3μm2，平均 1 500×10−3μm2。主力层原始地层压力22.8 MPa，地层温度为86 ℃，饱和压力为8.8 MPa，地层条件下原油黏度为3.53 mPa·s，溶解气油比约45 m3/m3，含蜡量为 29.8%，凝固点为45 ℃，具有高含蜡、高凝固点的特征，属于典型的高凝油藏。

本次实验样品取自K-1井2A层，取样方式分别为井下中途测试取样和地面油罐取样，即地层含气原油和地面脱气原油，其样品性质见表1。

表1 K油田高凝原油性质

2.3 测试流程

①检验实验设备，试压，预试验；调节超声波装置初始参数：发射电压1 000 V；脉冲宽度1 μs。测得脱气原油样品初始衰减系数39 dB/cm，含气原油样品初始衰减系数63 dB/cm。

②将夹持器中的高压平衡釜（体积为205 mL）抽真空，通过ISOC泵将原油样品泵入其中。

③将恒温箱温度升至88 ℃，并恒温10 h。

④对夹持器两端分别加压至10.6 MPa、15.8 MPa和22.8 MPa，并分别稳定5 h。每组实验完成后，须升温至熔蜡温度以上，直至蜡重新熔进样品中，并在指定压力下稳定5 h后开始降温。

⑤采用恒速降温方式（约1 ℃/h）逐步降低体系温度，通过超声波数据处理系统，记录并处理降温过程中接收端超声波频率的变化。

⑥分析实验数据，计算析蜡点。

3 实验结果对比与分析

3.1 地面脱气原油析蜡点

测试结果表明，对于常压（0.1 MPa）脱气原油，随着原油温度的降低，声波频率的变化趋势分为 2个阶段（见图 2）：超声波首波频率先保持不变，然后随温度持续下降，首波频率呈上升趋势。根据降温过程中首波频率的变化规律，将温度与首波频率曲线进行分段拟合，得到频率随温度变化的拐点为63.78 ℃，即地面脱气原油的析蜡点为63.78 ℃。

为进一步验证超声波方法测定析蜡点的可靠性，采用旋转黏度计法、差示热流扫描（DSC）法、压差法及冷指法等4种国内外常见方法对K-1井地面脱气原油样品析蜡点进行了测定，测定结果分别为63.44 ℃、65.67 ℃、63.00 ℃、65.00 ℃，超声波方法与这4种方法的测量误差在2 ℃以内。

图2 常压下脱气原油温度与首波频率关系曲线

需要特别指出的是，为达到仪器的最小量程，采用上述 4种方法测试时，要求原油体系中析出少量的石蜡晶体，如旋转黏度仪法测定的原油样品含蜡量需大于 5%；若要满足DSC方法对放热量测量精度的要求，则需要体系中积累一定量的固体蜡；同样，要观测到压差法中滤网两端压差的明显变化以及冷指法中肉眼可分辨的析蜡层，都必须以少量蜡析出为前提。因此，采用这些方法获得的析蜡点通常称为“整体”析蜡点，并非第 1颗蜡晶出现的温度，而该“整体”析蜡点已被证实可以满足地面工程设计的要求。与上述 4种常用方法类似，超声波方法在测试过程中同样要求原油体系中析出少量的石蜡晶体。

3.2 地层含气原油析蜡点

地层压力下（22.8 MPa），含气原油声波频率随温度变化规律与脱气原油相同，超声波首波频率随温度降低的阶段性变化明显：原油温度由 86.0 ℃降低到60.11 ℃，首波频率基本保持在145 kHz左右，随后继续降温，首波频率明显上升，表明原油中的蜡开始析出，因而判断该含气原油样品在地层压力下的析蜡温度为60.11 ℃（见图3）。该温度比地面常压下的脱气原油析蜡温度（63.78 ℃）低约3.7 ℃，说明溶解气的存在对原油析蜡点有一定影响，常用的地面原油析蜡点不能准确判断地层条件下含气原油是否析蜡。

图3 地层压力下含气原油温度与声波首波频率关系

3.3 不同压力下原油析蜡点

为进一步研究压力对析蜡温度的影响，本实验分别对10.6 MPa、15.8 MPa和22.8 MPa 压力下K-1井同层位的含气原油和脱气原油的析蜡点进行测试。由图 4可见，压力对原油析蜡点具有明显影响，随着压力降低，含气原油和脱气原油的析蜡点均呈降低趋势，且相同压降下，含气原油析蜡点的降低程度略小于脱气原油。

图4 不同压力下含气原油与脱气原油析蜡点对比

由图4和表2可见，相同压力条件下，含气原油析蜡点比脱气原油低8 ℃左右，说明溶解气对原油析蜡有明显的抑制作用。

表2 K油田不同压力下含气原油与脱气原油析蜡点对比

4 结论及建议

建立了利用超声波测试原油析蜡点的新方法，可适用于含气和脱气原油析蜡点的测量，且不受原油颜色限制。该方法能够有效克服常规方法在含气原油析蜡点测试中的不足，实现了对地层条件下含气原油析蜡点的测定。以K油田为例，超声波方法测得的地层含气原油析蜡点比地面脱气原油析蜡点低约3.7 ℃，因此，采用常规测试方法获得的地面原油析蜡点判断地层条件下的原油析蜡与否比较保守。

压力和溶解气对原油析蜡温度影响较大，不同压力下原油析蜡温度不同，随着压力降低，脱气原油和含气原油的析蜡点均呈降低趋势。但相同压力条件下，脱气原油的析蜡温度则明显高于含气原油。

利用超声波方法测得的析蜡温度为“整体”析蜡温度，可直接用于指导地面工程设计，但由于“整体”析蜡点以一定量蜡析出为前提，因此该温度是否影响多孔介质中原油的流动，仍待室内岩心驱替实验的论证。为防止原油析蜡对地层物性的伤害，建议高凝油田注水开发过程中，应尽量将注入水井底温度保持在地层含气原油的析蜡温度以上，对于K油田，应保持注入水井底温度在60.11 ℃以上。

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