析蜡温度确定方法的研究与分析

王敉邦，杨胜来，郑祖号，于 涛，杨 灿，郭 斐

（1. 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2. 中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249；3. 中国石油辽河油田公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦,124000）

析蜡点是原油析蜡过程的重要参数，其测试结果影响原油管道安全运输、生产井井筒清蜡和高凝油油藏开发方案设计[1⁃4]。析蜡点测试手段多样，包括激光法[5⁃6]、U型管法[7]、过滤法[8]、超声波法[9⁃10]，主要行业标准有差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC）[11]、显微观测法[12]和旋转黏度计法[13]。在DSC 法中将蜡晶体初始从原油液态体系中析出的温度定义为析蜡点，而其他标准均未给出明确定义。诸多室内实验发现，三种行业标准所测析蜡点相差较大，有时可达3~5 ℃，甚至更多，同时不同热处理温度与降温速率也会导致不同的实验结果。因此，选用合适的测试方法和析蜡温度，给实验和方案设计人员带来挑战。

本文以SY 油田和KF 油田高凝油为研究对象，针对脱气和含气两种原油状态，基于DSC 法、显微观测法、旋转黏度计法（下称“流变法”）和激光法四种测试手段，分析了测试结果产生差异的原因，提出了析蜡结晶温度、临界蜡沉积温度、沉积影响温度的概念和较为适合的测试方法，并进一步探讨了含气原油不同剪切速率下析蜡温度变化规律。

1 实验部分

1.1 影响因素分析

1.1.1 原油自身物性 蜡晶在原油中的析出与正构烷烃的熔点、组分质量分数及溶解度有关。蜡晶虽然具有晶体结构，但不属于晶体而是一种烃类混合物[14]。晶体有固定的熔点，其结晶温度通常等于或略低于熔点，因此原油中最高碳数正构烷烃的熔点反映了原油最高析蜡温度[15]。通常气相色谱所获得的最高碳数C36的熔点为75.8 ℃，文献中所获得的最高碳数为C115[16]。

实验所测得的析蜡点远远小于正链烷烃的熔点，主要有三个原因：（1）低碳数蜡晶在高碳数蜡晶上吸附所形成的共熔物会造成蜡晶熔点降低。（2）高碳数烷烃特别是C36+组分质量分数较低，其析蜡放热热量微弱。（3）考虑高碳数蜡晶原油中溶解。正构烷烃在原油中的溶解度是碳数和温度的函数，同一温度下碳数越高，溶解度越低，例如C60的溶解度一般比C40的溶解度小一至两个数量级[17]；而低碳数烷烃质量分数高，对高碳数烷烃具有较好的增溶作用。

1.1.2 测试方法及条件 不同测试方法所获得的析蜡点必然存在差异，以显微观测法、DSC 法、激光法和流变法进行分析讨论。标准中，显微观测法是在150 倍以上显微镜下观察蜡晶的析出，油膜厚度一般不超过30 mm[18]，但过高的放大倍数会导致视野范围缩小，较厚的油膜会导致蜡晶析出层位增加，对焦和查找需要更多的时间和精力，因而同一批次测试结果可能会存在较大差异。

显微观测法仅需观察到一个或若干个蜡晶颗粒即可，而DSC 法和激光法通常需要析出一定数量的蜡晶颗粒。DSC 法是测量试样和参比物的功率差与温度的关系，受测量精度及热损耗的影响需析出一定的蜡晶，这个蜡质量分数通常为0.3%，而显微观测法约为0.045%[19]。激光法是基于析出蜡晶致使溶液吸光性增强使激光衰减曲线呈现明显拐点来判断析蜡点，因此相较于DSC 法需要蜡晶质量分数多，所测析蜡点偏低。

显微观测法、DSC 法及激光法均在静态条件下测量，而流变法析蜡点是在动态条件下获得。流变法测试方法有流变仪法和毛细管法两种，析蜡点实验数据处理有直接法和活化能法[20⁃21]两种。相关研究表明，剪切行为会抑制原油中蜡晶的沉积，因而需要更低的温度和更多的蜡晶。

从国内外实验结果看，不同脱气原油方法所获析蜡点从高到低依次为：显微观测法>DSC 法>激光法>流变法。从实验条件分析，可以将显微观察法获得的析蜡点定义为析蜡结晶温度，此温度下已经有可观察蜡晶析出；将DSC 法、激光法等静态条件下获得的析蜡点定义为临界蜡沉积温度，U 型管法、超声波法析蜡点也属于此类；将流变法获得的动态条件下的析蜡点定义为沉积影响温度，此温度下析出蜡晶或沥青质沉积已经对原油流动产生明显影响。除以上影响因素外，降温速率、原油热历史、剪切速率等因素也会影响原油析蜡点。

1.2 实验材料、仪器

实验中所用脱气原油来自SY 油田和KF 油田，油样基础物性如表1 所示，表1 中同时列出了相关文献中的油样数据。

表1 原油基础物性Table 1 Basic physical properties of crude oil

相关测试仪器及标准如表2 所示。针对高压含气条件，析蜡点测试实验采用激光法和毛细管流变法，实验装置如图1 所示。数据采用文献[13]中处理方法（下称“直接法”）及活化能法对其进行处理。

表2 测试方法、仪器及参考标准Table 2 Instruments and reference standards

图1 析蜡点测试系统Fig.1 Wax precipitation poin test system

2 结果与分析

2.1 不同方法对比

表3 为各油样在0.1 MPa 下不同方法所获得的析蜡点。如1.2 节中所述，除10 号油样外，显微观测法所测析蜡温度最高，且DSC 法所测析蜡点均高于激光法及流变法。对比显微观测法与DSC 法，所测析蜡温度差最大达9 ℃，并整体呈现含蜡量越小所测温度差异越大的特征。其原因可能是，含蜡量越低，高熔点的高碳数石蜡晶体越早析出，同时轻烃对石蜡有较好的增溶效果，导致原油整体析出蜡量和放出潜热无法达到DSC 法检出界限，因此显微观测法与DSC 法对低质量分数原油所测结果差异较大。而DSC 法、激光法和流变法所测析蜡温度差异较小，但流变法所测油样含蜡质量分数均在24% 以上，24% 以下含蜡原油是否呈现相同特征需进一步研究。整体上看，若采用显微观测法作为清蜡或者热水驱温度，方案设计过于保守，因此常压条件下建议采用DSC 法、激光法或者流变法测试。

表3 不同方法析蜡点测试结果Table 3 Test results of wax precipitation points by different methods

2.2 组分影响

图2 为不同油样的正烷烃累积质量分数。

图2 不同油样正烷烃累积质量分数Fig.2 Cumulative mass fraction of n⁃alkanes in different oil samples

由图2 可以看出，SY 油田与KF 油田油样累积质量分数曲线形状相似，析蜡温度相近，但含蜡质量分数相差15%；图中黄色圆点为熔蜡点与析蜡温度接近时的正构烷烃碳数，除油样B 外，其位置一般位于累积质量曲线70%~80%；油样E 轻烃质量分数较高，C3-C15质量占比达90% 左右，其含蜡量与GULF 油田A6 井相近，但析蜡温度降低约19 ℃，接近nC17熔点。据此可以获得如下结论：（1）析蜡温度与含蜡量高低无关，受高碳数石蜡影响较大。（2）析蜡温度远小于最大碳数正构烷烃所对应的熔点。（3）低碳数烷烃质量分数增多，可增大高碳数蜡晶的溶解，并有效降低原油析蜡温度。

2.3 压力与溶解气的影响

2.3.1 脱气原油 压力影响原油的析蜡点。以KF 油田脱气原油为例（见表4），从常压0.1 MPa 加压至24.0 MPa，析蜡温度上升约4 ℃。相关研究表明，压力升高使各组分相变温度增大，低碳数烷烃相较于低压下结晶温度升高；低碳数烷烃析出一方面导致原油轻质组分减少、高碳数烷烃溶解度下降，同时低碳数烷烃在高碳数烷烃表面的吸附增大了蜡晶生长速率；压力升高原油体积减小，蜡晶分子间距离减小，碰撞几率增大，成核速率增大，析出的蜡晶增大了原油内摩擦阻力，原油黏度升高。

表4 KF 油田脱气原油析蜡点Table 4 WAT of dead oil in KF oilfield

2.3.2 含气原油 溶解气即轻烃的加入必将影响析蜡温度。饱和压力下随压力升高，溶解气油比增大，原油析蜡温度降低。饱和压力上，析蜡温度变化以SY 油田原油为例进行讨论。 图3 为19.5 MPa 下不同方法析蜡温度测试结果。由图3 可以看出，地层压力19.5 MPa 下临界蜡沉积温度为59.5 ℃，比脱气原油析蜡温度降低约0.5 ℃，比沉积影响温度高约1 ℃。虽然溶解气对蜡晶具有一定的增溶作用，减缓了蜡晶析出，但在饱和压力以上，随压力增加，析蜡温度也随之升高。直接法与活化能法在图3（b）、（c）中虽然均表现为拐点明显的两段直线，但直接法采用的是半对数坐标，数据处理及拟合难度加大，因此对于蜡沉积影响温度的确定，建议采用活化能法。

图4 为不同压力下SY 油田析蜡温度。由图4可知，随压力下降，析蜡温度也随之下降，与9 MPa时相比，19.5 MPa 时的临界蜡沉积温度降低了5 ℃，并在12~18 MPa 降低幅度最大。对比激光法与流变法发现，15 MPa 前临界蜡沉积温度高于蜡沉积岩心温度，15 MPa 后则反之。族组分分析表明，原油中沥青质质量分数约为0.3%，推测可能是蜡晶与沥青质协同沉积的影响。因为析蜡结晶温度之上，实验所测得沥青质沉淀压力为15.7 MPa，而沥青质的析出会降低蜡晶析出速率，同时会显著增大流体内摩擦阻力，因此蜡沉积影响温度的影响程度高于临界蜡沉积温度。

图3 19.5 MPa 下不同方法析蜡温度测试Fig.3 Test results of WAT by different methods at 19.5 MPa

2.4 剪切速率的影响

不同剪切速率下基于流变法所测析蜡点也存在差异。以12 MPa 下SY 油田含气原油为例进行分析，结果如图5 所示。由图5 可以看出，析蜡温度最高为55.6 ℃（10 s-1），最小为52.7 ℃（1 183 s-1），相差约2.9 ℃，剪切速率大于800 s-1后析蜡温度基本保持在52.7 ℃左右。剪切应力作用下蜡晶定向伸展、分散，形态趋向片状，结构稳定性变差[24]，较高的剪切速率会破坏空间网络结构，宏观上呈现原油黏度降低；当剪切速率增大到一定界限，剪切速率对蜡晶的影响已经很小，因此析蜡温度变化较小。受沥青质沉积的影响，沉积影响温度均高于临界蜡沉积温度。

图4 不同压力下SY 油田析蜡温度Fig.4 WAT in SY oilfield under different pressures

图5 SY 油田不同剪切速率下析蜡温度Fig.5 WAT at different shear rates in SY oilfield

图5 中黄色区域为流体截面积4.9 cm2、渗透率871 mD、孔隙度22% 的岩心内, 流速在0.2~1.0 mL/min 时所受剪切速率为20~100 s-1，该范围内基于流变法所测析蜡温度明显偏高。一方面是因为沥青质析出、沉积会影响原油黏度；另一方面毛细管流变法适合于剪切速率较高时的黏度测量。因此，对于存在沥青质沉积的原油析蜡温度测试，建议采用激光法较为适宜。

3 结 论

（1）受原油自身物性和测试条件的影响，不同方法所获得析蜡温度不同。析蜡温度从高到低一般为显微观测法、DSC 法、激光法和流变法，进而可将析蜡温度定义为析蜡结晶温度、临界蜡沉积温度和沉积影响温度。

（2）常压下，临界蜡沉积温度与析蜡结晶温度差异较大，与蜡沉积影响温度差距较小，建议采用临界蜡沉积温度或沉积影响温度最为合适，施工成本较低。基于数据处理难度认为流变法采用活化能法处理数据最为适宜。

（3）析蜡温度与含蜡量高低无关，受高碳数石蜡影响较大，并且析蜡温度远小于最大碳数正构烷烃所对应的熔点。原油内轻烃质量分数增加能增大高碳数蜡晶的溶解度并降低原油析蜡温度。

（4）饱和压力附近含气原油析蜡温度最小，比脱气原油下降约9 ℃。随压力增大，析蜡温度增加；剪切速率增大，析蜡温度降低。受沥青质沉积的影响，沉积影响温度在不同压力和剪切速率区间变化幅度存在差异。因此建议采用激光法或流变法测试时提高剪切速率来降低沥青质沉积对析蜡点的影响。