原油黏度变化影响因素概述

刘志明，向 晶，杨 真，王 莎，吕茂山

(1.中石化西北油田分公司塔河采油三厂，新疆 轮台 841602；2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

原油黏度变化影响因素概述

刘志明1，向 晶2，杨 真2，王 莎1，吕茂山1

(1.中石化西北油田分公司塔河采油三厂，新疆 轮台 841602；2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

从原油自身物性组成﹑表面活性剂（化学降粘剂）﹑外界物理因素三个方面论述了影响原油粘度变化的原因及作用机理，并结合油田现场实际生产工况，针对多种物理因素组合引发原油粘度异常变化进行了原因探究。

粘度；原 油物性；表面活性剂；温度； 压力

随着石油开采程度的加深， 原油增稠﹑黏度变大成为不可逆转的趋势。地层原油的黏度直接影响原油在地下的运移和流动，在油田开发过程中原油的黏度决定原油在地层中的渗流能力， 而在输送过程中， 也影响它在管道中的流动能力。因此， 了解原油的黏度特点， 对准确计算油井的产能，提高原油的采收率以及确定采用的原油集输技术等都有重要的意义。

影响原油黏度变化的因素很多，归纳起来主要有3个因素：原油自身物性组成，如胶质﹑沥青质﹑金属元素含量；表面活性剂（化学降黏剂）；外界物理因素如温度﹑压力﹑含水率﹑气泡等等。每一个因素彼此之间互相联系﹑互相影响﹑互相作用，实际生产中，多种物理因素组合引发原油黏度异常变化。所以， 要较好地认识某一特定区块原油黏度变化原因，解决黏度变大给油井正常生产带来的阻碍，必须全面考虑上述3个影响因素。

1 原油自身物性组成

1.1 胶质沥青质对原油黏度影响

引起原油高黏度的实质是其本身分子尤其是胶质和沥青质分子，沥青质是一种可溶的﹑杂散的﹑极性的有机大分子，它是导致石油在油藏内或采油生产以及储运系统中沉积﹑乳化﹑聚合﹑结焦和黏度增高等现象的主要原因[1]。近年来对沥青质﹑胶质的研究表明，胶质﹑沥青质分子是原油中分子量最大且极性最强的组分，是由烷基支链和含杂原子的多环芳核和环烷芳核所形成的复杂结构，含有大量的S﹑N﹑O等杂原子，分别以硫羟基﹑氨基﹑羟基﹑羧基等基团存在。这些基团之间常以氢键缔合或者发生偶极作用，从而产生很强的内聚力，使多个胶质﹑沥青质分子聚集成层状堆积状态，当原油分子间发生相对位移时可产生很大的内摩擦力，表现出原油的高黏度[2-3]。胶质分子与沥青质分子之间也可通过氢键相互连接﹑聚集，这些都将引起原油黏度的增加[4-5]。胶质﹑沥青质含量多， 增大了液体分子的内摩擦力， 使原油黏度增大， 甚至出现非牛顿流体的黏滞特性。

1.2 金属杂质含量对原油黏度影响

原油中含有少量的钠﹑钙﹑镁﹑铁﹑镍﹑钒﹑铜和铅等金属元素，一般认为原油中金属元素的来源有3个方面：一是以乳化状态分散于原油中的水所含的盐类；二是悬浮于原油中的极细的矿物质微粒；三是结合于有机化合物或络合物[6]。尽管含量很低，原油开采及输送过程中金属杂质的沉积，仍会引发原油性质发生变化，导致原油黏度变化。原油中的金属如镍和钒对其黏度影响最大，敬加强等[7]发现原油组成对其黏度影响的重要程度顺序为：镍＞钒=胶质=残碳≈沥青质＞氮＞硫＞蜡，认为金属杂原子主要缔合在沥青质与胶质中，是影响原油黏度的主要内在因素。一般来说，金属元素含量越高，越容易沉积缔合在沥青质与胶质中，导致原油黏度大幅度增加。

2 表面活性剂对原油黏度影响

表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂分子结构一般是由极性基和非极性基构成，具有不对称结构。它的极性基易溶于水而具有亲水性质，故称为亲水基；而非极性基即长链烃基不溶于水易溶于油，因而具有亲油性质，故称为亲油基或疏水基。在原油输送过程中，一般添加适当的降凝降黏剂可以降低原油的凝点和黏度，使其易于流动，加入表面活性剂则可以增强降黏剂分子在原油中的分散性﹑增溶性和渗透性，从而增强降黏效果。另一方面，表面活性剂分子由极性基团和非极性基团构成，同时具有亲油性和亲水性，所以表面活性剂分子自身在原油中的分散和渗透也会对原油黏度产生一定影响。油水两相体系中，表面活性剂的降黏机理[8]可归结为3种：1)乳化降黏，是指表面活性剂使油包水型乳状液反相成为水包油型乳状液；2)破乳降黏，是指表面活性剂使油包水型乳状液破乳而生成游离水而降黏；3)吸附降黏，是指将表面活性剂水溶液注入油井，使油管的原油膜表面形成连续的水膜而降黏。

3 外界物理因素对原油黏度的影响

3.1 温度对原油黏度影响

温度是影响地层原油黏度的主要因素，通常地层原油黏度随温度的升高而降低。这是由于温度升高，地层原油体积膨胀，原油内部分子间距离增加，相互之间的引力减小，一部分中间相态的碳氢化合物在高温下由液相转为气相，地层原油密度减小，地层原油黏度减小，原油流动阻力降低。当温度在初始析蜡温度以上时，不同油田的地层原油与温度关系是直线关系，只是直线斜率有所差异。

图1 温度与黏度变化关系

图1中反映出随温度提高，原油黏度下降。当温度为20～60℃时，黏度下降较快，60℃以后，黏度变化趋势变缓。耿宏章在研究原油黏度与温度变化中认为[9]，原油在不同温度下黏度与温度基本呈线性关系，黏度与温度之间存在近似指数关系。高海港研究认为[10]，当温度在凝点附近时温度的增加对原油降黏效果较明显，高于凝点后升温的降黏效果减弱。综合认为原油黏度随温度升高而降低，反之黏度增加，黏度随温度改变的变化趋势减弱，趋势变弱拐点随原油物性组成不同而不同。

3.2 气体含量

原油对气体有一定的溶解能力，原油对气体最大溶解能力成为原油的泡点压力。当原油中溶解一定的气体时，原油物性发生改变，原油中分子间距离加大，分子间作用力变小，密度降低，原油流动性变好，原油黏度降低，在没有外力作用下，原油黏度随原油含气量的增加黏度降低。如果存在外力作用，原油中的含气量超过泡点压力时，已没有空间溶解气体，原油受压力作用，体积收缩，密度增加，分子间距变小，液层内部摩擦力增大，因而黏度增加。当压力等于饱和压力时，原油中溶气量达到最大值，原油的组分达最佳组合，此时原油黏度值最低，或称极小值。

3.3 压力对原油黏度影响

原油黏度随压力的关系与原油中含气量的多少有关。图2﹑图3分别为脱气原油﹑含气原油随压力的变化关系。

图2 脱气原油黏度随压力变化曲线

图3 含气原油粘度随压力变化曲线

图2反映出，脱气原油黏度随压力的提高黏度增大，基本呈线性关系，主要原因是压力增加，对原油造成挤压，导致原油中各组分分子间距变小，使原油密度增加，黏度变大。

图3反映出，含气原油黏度随压力的增加先降低，降低至一定程度后随压力的增加黏度变大。主要原因为含气原油的黏度对压力十分敏感，当压力低于饱和压力时，随压力的上升，气体溶入油中，改善了原油的组成，使原油黏度急剧下降。当高于饱和压力时，随压力的上升，原油黏度急剧上升，原因与气体含量影响原油黏度相同。当压力等于饱和压力时，原油中溶气量达到最大值，原油的组分达最佳组合，此时原油黏度值最低，或称极小值。

油田生产注氮气或二氧化碳气体提高油井采收率过程中，导致原油黏度增加，增加原油集输难度的主要原因为注气过程中注气压力较高，远远高于原油的的泡点压力，导致原油黏度增大。

3.4 含水率变化对原油黏度影响

原油乳化理论认为，原油中含水导致原油乳化，乳化程度不同导致原油黏度大小不同，乳化程度越高，黏度越大。原油乳化一般随含水率的增加，乳化程度越严重，但当含水率达到一定值时，乳化发生相的转变，导致原油黏度降低，此值即为乳化拐点，也可认为黏度变化拐点。耿宏章在研究原油含水率与黏度变化关系时认为[11]，原油黏度随含水率的升高先呈上升趋势， 达到一极大值后又呈下降趋势， 随后随含水率的上升而下降， 此极值点为油水非乳化的拐点， 由于组分不同黏度-含水特性曲线不同，达到的极值拐点可能不同。图4为不同含水率原油与黏度的变化关系。

图4 含水率原油与黏度的变化关系

图4反映出，原油黏度随含水率上升原油黏度增大，但当经过原油乳化拐点后，原油黏度随含水率的增加反而降低。该油样黏度极值拐点在含水率35%～40%之间。

注气井注入水蒸汽提高采收率时，不仅压力较高增加原油黏度，在原油举升靠近地面时，温度下降，蒸汽转化成水滴进入原油中，加剧了原油的乳化，导致原油黏度进一步增大。

孙梦茹[12]研究认为，原油中轻烃组分溶于水是原油黏度上升的主要原因，随着油﹑水接触时间的增加，由于存在浓度差，油中的轻烃组分逐渐扩散到水中并达到平衡状态。随着浓度差的减小，扩散速度逐渐减慢，黏度增加趋势变缓。含水率越高，原油中轻轻组分损失越多，黏度越大。

3.5 气泡对原油黏度影响

原油在开采举升过程中伴随有大量的气泡，气泡存在对原油黏度影响通过室内试验可以验证。往蒸馏水中加注少量起泡剂，产生大量起泡后，测定其黏度由10mPa·s左右上升至350～400mPa·s，可见气泡的存在导致了原油黏度大幅提高。主要原因为原油中产生气泡后，油样处于混相状态，运动过程不仅需要克服液阻效应﹑气阻效应，还要克服气液两相运动时产生的摩擦阻力，导致原油黏度大幅度提高。

气泡对原油黏度的影响与环境温度联系紧密，气泡对外界环境温度变化比较敏感，当环境温度较低，不易产生气泡，气泡体积变小，不易形成联通气泡；环境温度较高时，容易产生气泡，且形成较大的联通气泡，对流体动力黏度影响较大。

4 原油黏度异常变化原因探究

针对塔河油田部分掺稀井原油现场检测黏度高于室内检测黏度，由于现场检测温度高于室内检测温度，这一现象与温度对黏度影响变化结论矛盾，同时部分黏度较大﹑含水率中低油井现场检测黏度低于室内检测黏度，这一现象符合温度对黏度影响变化的结论。针对这2种迥异的现象进行了室内跟踪探究。

通过表1看出，掺稀井混合液含水低，起始黏度小，举升至井口过程产生大量气泡；含水较高﹑起始黏度较大的生产油井，举升至井口过程不易产生气泡或产生少量气泡。TH260﹑TH261井现场检测黏度高于试验室检测黏度，现场油样温度高于试验室，与温度越高黏度越低矛盾；TK8现场检测远低于室内检测结果，与温度越高黏度越低相符合。

从气泡因素考虑，表1中数据显示大量气泡井原油现场检测黏度远高于室内检测黏度，气泡的存在导致原油黏度大大增加，黏度较小的油样气泡的影响作用大于温度对油样黏度的影响，符合温度变化对黏度影响分析。当油样黏度变小，温度已不再是影响黏度变化的主要因素。黏度较大或含水较高的油井产生较少气泡，气泡对原油黏度的影响较小，温度仍然是影响黏度变化的最主要因素。所以现场温度高，检测黏度比室内高，与温度越高黏度黏度越低不矛盾，主要是因为气泡的存在，主要原因详见气泡对原油黏度影响分析。

表1 现场检测与室内检测黏度变化

由TP8井黏度变化情况可以看出，检测温度不变，现场和室内检测黏度仍有很大变化，主要原因为含水率较高，使得从现场取样至室内过程原油进一步乳化，导致原油黏度增加，此时原油乳化是影响原油黏度变化的主要因素。

综上所述，原油含水率低﹑黏度小，生产举升过程中物性较易发生改变，伴随大量气泡产生。实际生产中，原油黏度同时存在多因素的影响，油样黏度较低时，影响原油黏度变化的主要因素依次是：原油乳化（含水率较高）＞原油物性变化（气泡影响）＞温度变化；油样黏度较高时，影响原油黏度变化的主要因素依次是：温度变化＞原油乳化＞气泡影响。

5 结语

影响原油黏度变化的因素很多，但是所有因素对黏度的影响都体现在改变原油的物性组成，每个油田的每个区块，原油物性﹑原油组成及油藏的形成过程都有各自特点，因此各种因素对原油黏度变化影响也各异。在实际生产过程中，影响原油黏度变化存在多种因素，相互联系又相互制约，因而对每一种原油黏度变化异常情况必须全面综合分析，找出影响原油黏度变化的主要因素，才能快速解决现场生产难题。

[1] 李英峰.石油沥青质缔合体的分子动力学研究和抑制剂的筛选[D].青岛：中国石油大学(华东)，2007.

[2] 陈秋芬，王大喜，刘然冰.油溶性稠油降黏剂研究进展[J].石油钻采工艺，2004，26(2)：45-47.

[3] 王大喜，陈秋芬，赵玉玲.油溶性降黏剂作用机理的密度泛函计算[J].石油学报：石油加工，2005，21(6)：40-45.

[4] 张付生，王彪.几种原油降黏剂作用机理的红外谱图和X射线衍射研究[J].油田化学，1995(4)：347-352.

[5] 孙慧，张付生.稠油化学降黏研究进展[J].精细与专用化学品，2005(23)：16-20.

[6] 梁文杰.石油化学[M].北京：石油大学出版社，1995：53-57.

[7] 敬加强，罗平亚，朱毅飞.原油组成对其黏 度影响的灰色关联分析[J].油气田地面工程，2000，19(6)：12-13.

[8] 赵国玺.表面活性剂化 学[M].北京：石油大学出版社，1984：382-408.

[9] 耿宏章，秦积舜，周开学，张星. 影响原油黏度 因素的试验研究[J]. 青岛大学学报：工程技术版，2003(1)：83-87.

[10] 高海 港，蒋尔梁，王煦，魏登峰. 温度及剪切速率对延长原油黏度的影响规律研究[J]. 广州化工，2009(4)：111-113.

[11] 耿宏章，秦积舜，周开学，张星. 含水率对原油黏度影响的实验研究[J]. 油气田地面工程，2003(2)：68-69.

[12] 孙孟茹，张星，耿洪章. 水﹑油接触过程中原油黏度变化的试验研究[J]. 石油大学学报：自然科学版，2003(2)：63-66.

Effect Factors Summarization of Crude Oil Viscosity Change

LIU Zhi-ming1, XIANG Jing2, ZHANG Pei2, WANG Sha1, LYU Mao-shan1
(1.The Third Oil Plant, Northwest Oilf i eld Branch Company, Sinopec，Lunta i 841602, China; 2.College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

The cause and action mechanism which affected the crude oil viscosity change, included crude oil physical properties, surfactant and physical factors, were discussed. Combined with actual production conditions of oilf i eld, aimed at the multi physical inf l uence factors, the reason which caused the anomalous change of crude oil viscosity, was explored.

viscosity; crude oil physical property; surfactant; temperature; pressure

TE 345

A

1671-9905(2014)11-0036-04

刘志明，男，助理工程师，现从事油田化学研究工作，地址：中石化西北油田分公司塔河采油三厂，E-mail：286114911@qq.com

2014-09-24