胶质对沥青质沉积影响研究进展

王书亮，蒲臻熙，张晓燕，雷万能，张 义，刘永兵，周晓龙

（1.西南石油大学，四川成都 610500；2.中国石油塔里木油田分公司油气田产能建设事业部，新疆库尔勒 841000；3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；4.中国石油集团测井有限公司，陕西西安 710000）

原油是由蜡（饱和烷烃或正构烷烃）、芳香烃、异构烷烃、胶质和沥青质等多种有机物组成的复杂混合物。在原油的开采过程中，沥青质沉积会改变油藏岩石润湿性，降低油藏润湿率，造成采油设备堵塞，严重降低石油化工的开采效率和经济效益。研究表明，沥青质含量的高低并不能作为是否发生沥青质沉积的判断依据[1]。沥青质沉积除受到与其所处的原油性质、体系温度、环境压力、流体流速的影响外，还与原油中的重有机质的相互作用有关[2]。目前关于开采，输送条件对于沥青质沉积影响的研究较多，而重有机质如蜡、胶质对沥青质沉积作用的研究报道较少。胶质作为石油组分中分子极性与相对分子质量仅次于沥青质的重有机质，研究胶质对沥青质沉积的作用影响，对不同胶质、沥青质含量占比的原油开采有重要意义。

1 胶质的结构与性质

胶质由数目繁多、结构不一的非烃化合物组成，杂原子含量较高，已不能从单体化合物角度分析其结构。从石油化工的角度明确定义与分析胶质，迄今国际上未达成共识[3]。现有研究认为，胶质分子的基本结构以多个芳香环组成的稠和芳香环系为核心，多个环烷环链接在四周。芳香环和环烷环上带有若干个长度不同的正构或异构烷基侧链，分子中夹杂着含N，O，S 的基团[4]。这种核心为稠和芳香环系的结构称为单元结构，若干个同类单元结构层层累积构成了一个胶质分子。据报道，胶质中的单元结构数量约为2，低于结构数约为5 的庚烷沥青质[5]。胶质在原油中的含量并不高，但对沥青质分子的存在形态有很大影响，从而决定了胶体体系的稳定性。一方面，胶质具有相当大的表面活性，可以稳定分散沥青质[6]。结构越复杂，烷基侧链越长的胶质，进入沥青质聚合体后起到的防止沥青质缔合的能力越强[7]。此刻的沥青质分子被胶质包裹，体系处于稳定状态；另一方面，胶质对沥青质的稳定作用是有条件的。极性高的胶质吸附在沥青质表面后，形成的黏稠吸附层会加速沥青质的聚沉，从而破坏原油体系的稳定状态。因此，胶质对沥青质起稳定分散还是促进聚沉作用，需要考虑所处的条件和状态。在此基础上进行合理调控，减少沥青质聚沉，从而降低烷基苯系列分散剂的用量，对于油井的保护与开发有积极影响。

2 胶质对沥青质沉积的抑制作用

在胶体体系中，胶质吸附在沥青质表面，与沥青质一并组成分散相，因此胶质对沥青质的稳定性有重要影响，表现为对沥青质沉积的抑制作用。合适的胶质浓度，与沥青质分子相似的极性，胶质、沥青质分子间形成的氢键等都有利于阻碍沥青质分子缔合，使胶体体系趋于稳定。

胶质浓度影响沥青质沉积量。李兆敏等[8]研究发现，通过CO2驱替不同胶质、沥青质质量比的原油模拟液，沥青质沉积情况存在差异。结果表明：在胶质与沥青质质量比从1∶1 升到6∶1，沥青质沉积量，沉积趋势先增后减，黏度与之相反；质量比为2∶1 时，沥青质沉积达到峰值，溶液黏度最低。由此推断，胶质、沥青质间存在一对相互作用力，即吸附力与分散力，这对力直接影响沥青质的沉积量，而胶质浓度则决定力的大小。适当的胶质浓度能够稳定胶体系统，一般而言，胶质浓度越高，沥青质沉积的难度越大。

胶质自身极性影响沥青质稳定性。程亮等[9]研究指出，加入胶质后的沥青质溶液，两者缩合芳环产生的范德华力大于彼此带相同电荷的库伦排斥力，由胶质吸附作用对沥青质产生的空间稳定层，减小了沥青质缔合物的尺寸，阻碍沥青质的进一步聚集。同时在表征沥青质、胶质分子结构的基础上，通过测定滴加胶质前后沥青质浓度的变化，推断出：沥青质极性越大，受到胶质影响的分散指数越高；胶质极性越大，分散稳定沥青质的能力越强。

胶质、沥青质分子间形成的氢键影响沥青质分子的聚并。许云飞等[10]利用分子动力学模拟方法，研究胶质、沥青质在油水界面的分子聚集过程和成膜特点，结果发现：在胶质、沥青质的混合体系中，包围着沥青质的胶质加强了油-水界面所有极性分子间的联系，但胶质本身的溶解分散性让沥青质的聚并变得困难。胶质与沥青质分子间形成的N-H…S 型氢键加强了两者分子之间相互作用的同时，进一步阻碍了沥青质分子的缔合。

胶质占据沥青质分子互相作用的活性位，影响沥青质聚集沉淀。张文等[11]利用分子动力学模拟了减压渣油四组分的微观相结构，实验发现：胶质、沥青质分子间的相互作用能大于彼此自身分子间的作用能。沥青质聚集体周围分布着大量胶质分子，胶质分子封闭了不同沥青质聚集体互相作用的活性位，阻碍其进一步聚集；胶质含量增加，沥青质聚集体减小，沥青质分子间的相互作用减弱，渣油稳定性提高。胡勇[12]对胶质、沥青质体系进行了DPD 模拟，结果证实：沥青质和胶质的相容性较好，胶质含量增加，沥青质胶核尺寸越来越小且分散越来越均匀。

3 胶质对沥青质沉积的促进作用

由于胶质分子结构的复杂性，胶质不同，胶质所具有的表面活性和极性也会不同，这导致了胶质对沥青质沉积并不总是起抑制作用。一定情况下，胶质同样具有促进沥青质沉积的负面效果。

GOUAL 等[13]在分离胶质，测算胶质、沥青质的偶极矩实验过程中发现，胶质的加入延迟了沥青质絮凝的起始点，但增加了沥青质的沉积量，胶质的极性会影响稳定沥青质的效果。PEREIRA 等[14]从三种不同的委内瑞拉原油中提取出胶质，研究其在不同基质表面的吸附作用。结果发现：胶质自身分子间的相互作用的强弱会影响吸附沥青质。自身作用较弱的胶质吸附倾向低，倾向于通过胶凝理论来稳定分散沥青质；而自身作用较强的胶质吸附倾向高，由吸附产生的厚黏吸附层使得沥青质颗粒接触的机会更大，更容易导致絮凝。

国内的刘广豪等[15]向沥青质模型油中加入NBR 和VRR 两种不同的胶质，在分析计算胶质、沥青质平均结构单元和溶解度的基础上，研究沉积物颗粒粒径分布。同时对沉积物进行多种表征。结果显示：胶质NBR与VRR 均与沥青质存在缔合作用，沉积物芳香片层厚度和直径减小，层片数减少，层间距增大；胶质VRR 浓度升高，沉积物颗粒粒径减小。而加入胶质NBR，粒径变化并不明显，在质量浓度为1 000 mg/L 时，沉积物颗粒粒径反而增加。表征证实了芳香性，溶解度接近于沥青质的胶质才能够稳定分散沥青质。

胶质浓度变化也会加剧沥青质的沉积。秦一鸣等[16]研究发现，以委内瑞拉渣油为对象，通过改变胶质与沥青质质量比，胶质对沥青质会产生不同的作用。胶质与沥青质质量比在0∶1 到1.5∶1，以胶质对沥青质的分散作用为主；当质量比提高到2∶1，胶质浓度提高，对沥青质的吸附作用开始占据主导地位，沥青质聚并趋势增加。同样以辽河减渣油为对象，得到的规律与前者相似。

4 结论与展望

综上所述，目前关于胶质性质的学术研究已经比较成熟。研究结果表明：

（1）沥青质沉积受到临界胶质浓度制约。当胶质浓度低于临界值，吸附在沥青质表面的胶质分子会分散进入液相，裸露的沥青质分子之间彼此作用，最终聚集产生沉淀；胶质浓度高于临界值，胶质分子充分覆盖在沥青质分子表面，胶体体系处于稳定状态。但胶质浓度也不应过高，沥青质分子吸附过多的胶质分子也会产生沉淀。

（2）沥青质沉积与原油中沥青质、胶质的分子结构和极性有关。沥青质分子与胶质分子的结构参数、芳香性与极性越相似，胶质的胶溶分散作用越明显。若两者差异过大，胶质不仅不能分散沥青质，还会增大沥青质沉积物尺寸。因此，胶质对沥青质沉积起促进还是抑制作用，要考虑具体沥青质和胶质的结构与存在状态，不能仅从原油黏度、沥青质含量高低等因素判断。

未来，对胶质在原油体系中的正面效果进行深入研究，针对性地研发与胶质活性作用相似的解堵剂或利用胶质性质进行沥青质沉积的防治，具有重要的实践意义和价值导向。