葡萄花黑帝庙浅层含蜡原油流变性研究

赵 莉 高旺来 赵立翠 周长沙 马世英

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249;2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

葡萄花黑帝庙地区浅层油藏是典型的低温含蜡油藏，原始地层温度下原油已经失去流动性。含蜡原油在低于原油凝固点时，由于蜡晶的析出以及胶质沥青质的附着形成复杂的网络结构而使原油呈现出复杂的流变特性，对原油集输和开发带来一定的困难。评价原油低温流动性的指标主要有凝固点、黏度及屈服应力等，通过室内实验结果对该地区的原油低温流动性进行评价，进而研究判断原油流变类型、黏度对温度的依赖关系以及原油流动和恢复流动的条件。

1 油藏及原油特点

葡萄花黑帝庙地区浅层油藏埋深较浅(平均埋深200～500 m)，油层胶结疏松，破裂压力低，其中一个最突出的特点就是原始地层温度(20℃)低于原油凝固点(38℃)，原油在原始地层温度下失去流动性，而且由于地层温度低于原油凝固点，也就低于原油的析蜡温度，造成地层特别是进井地带蜡堵严重。对油藏原油凝固点、胶质、沥青质和含蜡量进行测定，结果见表1。原油凝点测定依据SY/T 0541-2009《原油凝点测定法》进行，测量仪器采用大连大唐科学仪器公司生产的DT-4003C型凝点测定仪。原油胶质、沥青质、蜡含量的测定依据SY/T 7550-2004《原油中蜡、胶质、沥青质含量测定法》进行，采用4组分分析仪、沥青质测定器和蜡含量测定器。

表1 原油部分基础物性数据

由表1看出，葡萄花黑帝庙浅层油藏原油与一般稠油相比含蜡量明显较高，而且属于高含蜡原油(蜡含量高于10%)，凝固点几乎接近高凝油(凝固点大于40℃)的范畴而且高于原始地层温度，原油在油藏中几乎处在一种静止状态，所以需要更多的热量将原油启动起来。热驱动原油的温度不应低于临界启动温度(原油凝固点)，当然这是启动原油流动的前提，具体温度等参数还要根据原始油藏性质特点进行优化。

2 流变性研究

2.1 理论流变类型

流体的流变类型可以根据流变曲线来判定分析。流变曲线是表征流体所受到的剪切应力与剪切速率之间的关系曲线，如果某种流体的流变曲线是一条经过坐标原点的直线，那么该流体称为牛顿流体，其流变特性遵从牛顿内摩擦力定律。牛顿流体以外的所有流体称为非牛顿流体，即剪切速率与剪切应力的关系是非线性的，或者当外力超过初始应力后，剪切速率与剪切应力才是成正比关系的。牛顿流体、假塑性流体和膨胀性流体。上述流体的流变曲线如图1所示。

图1 流体的流变曲线

塑性流体(也称为有屈服值的假塑性流体)的特点是只有剪切应力大于τs后才开始流动，假塑性流体和膨胀性流体则是一施加外力就能流动，但假塑性流体随剪切速率的增大其剪切应力增加趋势逐渐减缓，膨胀性流体则相反。

2.2 实际流体流变类型

通过对葡萄花黑帝庙浅层原油进行测试原油黏度在不同温度、不同剪切速率下的变化情况，分别得到如图2、图3所示的原油流变曲线和原油黏温曲线。

图2 不同温度下原油的流变曲线

同一温度下，剪切应力随着剪切速率的增大而增大，但增大的速度随之变缓;不同温度同一剪切速率下，剪切应力随着温度的升高而减小;温度在20℃～35℃之间时，流变曲线呈现出典型的塑性流体特性;温度在40℃ ～50℃之间时，虽然剪切力变化幅度不大，但是曲线还是凸向剪切应力轴且过坐标原点，所以此时原油属于假塑性流体;温度在60℃～100℃之间时，剪切应力与剪切速率呈线性关系，说明温度大于60℃时原油已经属于牛顿流体。

2.3 原油黏温关系

原油在没有剪切力作用时，黏度随温度的变化曲线如图3所示。在没有剪切力作用时，原油黏度随温度变化的趋势特点很明显，在温度小于60℃时，随着温度的增大黏度急剧下降，当温度高于60℃以后，原油黏度几乎没有变化。为了更直观的表现含蜡原油黏度与温度的关系，将原油黏度和动平衡表观黏度与温度的相对应关系以半对数坐标的形式呈现出来，即全黏温曲线，见图4。

图3 原油黏温曲线

图4 原油全黏温曲线

含蜡原油在一定温度范围内对温度依赖性很强，温度小于60℃时，原油黏度随温度的增加急剧减小，当温度大于60℃后，蜡晶基本上已经全部溶解在原油中，原油黏度变化幅度很小。从原油全黏温曲线也可以看出，曲线在60℃左右时开始趋于平缓，温度小于60℃时属于非牛顿段，大于60℃时属于牛顿段。原因是含蜡原油在温度降低到一定程度时开始析蜡，碳数多的烷烃首先结晶，随着温度的不断降低，相对碳数较少的烷烃也陆续结晶。只要温度足够低，不仅C17(烷烃中属于蜡的部分)以上的烷烃会结晶，C17以下的烷烃(不属于蜡的烷烃)也会结晶，直到所有烃类完全结晶为止。原油析蜡是一个随温度变化而变化的渐变过程，不是瞬间完成的。析蜡点就是原油中烃类物质开始结晶的起始点，随着温度的降低，蜡晶浓度增大到一定程度时，絮凝的蜡晶将会发展成三维空间网络结构，液态油被包围在蜡晶体间隙内，使得原油产生结构性凝固成为胶凝体系而失去流动性［2］。为了更精确地确定原油析蜡点，依据SY/T 0545-1995《原油析蜡热特性参数的测定:差示扫描量热法》进行测定，如图5所示。

图5 析蜡点测量结果(DSC原油热谱图)

实验结果得到原油的析蜡点为52.06℃，析蜡高峰点为22.14℃。温度在22.14℃时，DSC曲线［3］远离基线达到曲线最高点，说明原油在此温度下析蜡量比较集中。原油析蜡点与通过全黏温曲线观测到的析蜡点基本一致。

2.4 低温含蜡原油的屈服现象

原油的内部结构如蜡晶的浓度、尺寸、形状以及絮凝状态和沥青质的胶团结构等决定了原油的流变性质，而内部结构又与原油油温有直接的关系［4］，所以低温状态下含蜡原油的流变性更加复杂，屈服特性是非牛顿流体重要的流变性质之一，同时也表征了含蜡原油的胶凝结构强度。当温度降低到原油凝固点附近，析出的蜡晶浓度已经可以形成空间网络结构，随着温度的进一步降低，原油形成胶凝体系逐渐失去流动性，此时含蜡原油表现出极其复杂的屈服 — 假塑性，重新将原油启动起来需要更大的压力。

当温度在原油凝固点附近但仍低于凝固点时，通过原油流变曲线(图6)可以看出这个温度范围内，由于蜡晶结构的存在，原油具有明显的屈服应力值。屈服应力［5］又分为动屈服应力和静屈服应力，动屈服应力一般为平衡流变曲线外延与剪切应力轴的交点处所对应的剪切应力，但通常是从剪切速率没有延伸到非常低的流变曲线上获得的，它是维持原油继续流动(但不是保持原有流动速率)所需的最小剪切力［6］;静屈服应力一般为原油经过长时间静置后测得的屈服应力，表征的是原油在静止状态时的结构强度，是原油经过长时间由静置到开始流动所需的最小剪切力，所以反映了管道停输再启动的难易程度，也是衡量原油流动性的重要指标之一［7］。

图6 原油在凝固点附近具有屈服性的流变曲线

τs1、τs2、τs3分别对应的是温度30 ℃、25 ℃、20 ℃下的动屈服应力值，在同一剪切速率下，随着温度的升高，动屈服应力值明显减小，当温度接近凝固点时屈服应力值几乎不存在。对于简单触变性流体，触变结构被破坏后在有限的时间完全恢复至相应的平衡状态，则没有必要区分动、静屈服应力，所以当该类含蜡原油处于具有屈服特性的温度范围时，原油启动压力［8］一定要大于其本身的屈服应力，这对原油流动所需要的启动压力提供了可适用的参考值。

3 结论

(1)含蜡原油不同于一般的普通稠油。胶质、沥青质以及含蜡量都比较高，原油凝固点也高于普通稠油，原油组成的复杂性也决定了流变性的复杂。

(2)含蜡原油黏度和流变性对温度非常敏感，原油黏度在析蜡温度以上变化不大，而低于析蜡温度时变化剧烈。析蜡温度以上蜡全部溶解在原油中为单相流动，呈牛顿流体特性;析蜡温度到凝固点温度之间，原油一部分为固态，另一部分为液态，仍具有牛顿流体特性;低于凝固点温度，虽然有一部分为液态，但由于析出的结晶成网格而不能流动，呈现非牛顿流体特性。

(3)评价原油低温流动性的指标主要有凝固点、黏度及屈服应力。葡萄花黑帝庙浅层含蜡原油的高凝固点、低温高黏度以及低温屈服的特点已经表明低温下原油流动性极差，而且该区的特殊性还在于原始地层温度低于原油凝固点，原油在地层温度下已经失去流动性，通过研究低温下原油的屈服应力，对原油的流动提供了可靠的压力参考值，同时对输油系统的流动安全也具有实际的指导意义［9］。

［1］张劲军.对原油流变学研究的若干思考［J］.油气储运，2003，22(9):11-17.

［2］李鸿英，张劲军.蜡晶形态、结构与含蜡原油流变性的关系［J］.油气储运，2004，23(9):19-23.

［3］李鸿英，黄启玉，张帆，等.用差示扫描量热法确定原油的含蜡量［J］.石油大学学报:自然科学版，2003，27(1):60-66.

［4］李鸿英，张劲军.蜡对原油流变性的影响［J］.油气储运，2002，21(11):6-12.

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［6］张劲军，王宝昌，张鹏.含蜡原油的动屈服应力［J］.油气储运，1996，15(3):5-15.

［7］侯磊，张劲军.含蜡原油屈服应力的研究进展及分析［J］.油气储运，2005，24(3):5-9.

［8］杨胜来，蒋利平.克拉玛依九7区超稠油流变性及渗流特性研究［J］.特种油气藏，2004，11(6):86-91.

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