草舍油田区块原油沥青质初始沉淀压力研究

程云龙, 蒋子扬, 杨子腾, 王 杰, 沈 忱

(1.中国石化华东油气分公司 泰州采油厂, 江苏 泰州 225300; 2.中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

地层原油是一个复杂的多分散油体系,其中包含极性和非极性分子、轻质和重质组分,油藏原始条件下体系处于热力学稳定状态[1],胶质作为稳定剂吸附在沥青质表面促使体系为稳定的流体状态,但体系中的轻质和沥青质组分具有热力学不稳定性,但原油从地层输送至地面,再由管线输送至储罐和三相分离器过程中,温度和压力都发生变化,这种多分散油体系的热力学稳定状态将被打破,轻质组分从中脱离而出,胶质组分从沥青质表面脱附[2-3]。沥青质表面失去胶质附着后其上的活性位点相互吸引,从而聚集形成大颗粒。在衰竭开釆过程、注水开采过程以及注气过程中都有可能出现沥青质沉淀[4]。由于温度和压力条件变化,原油体系析出沥青质颗粒沉淀,颗粒随流体在储层中流动进入孔吼及裂缝后吸附于岩石表面,使储层的有效孔隙度和渗透率下降;小颗粒会逐渐聚集形成大的聚集体,堵塞油流通道对储层造成不可逆的伤害[5],继而极大地降低储层注入和采出能力,降低原油采收率。因此,研究沥青质初始沉淀的温度压力条件是保证油田生产稳定高效的重要环节。为了减小沥青质对原油生产的影响,通过近红外光散射技术(light-scattering technique,LST)和过滤法测定了草舍油样在不同温度下的沥青质初始沉淀压力Poap,得到了沥青质沉淀析出过程的温度和压力参数,并以此作出沥青质沉淀相图,结合井筒温度压力变化曲线可估算出开始出现沥青质沉淀的深度,为预防和解决油井沥青质沉淀提供思路和理论依据[6-7]。

1 沥青质沉淀机理

关于沥青质沉淀机理的研究目前主要有4种影响沥青质沉积的效应[8-12]被广泛认可。

1)多分散性效应。沥青质的沉积与其在原油体系中的分散性有直接关系,而体系中极性和非极性组分、轻质和重质组分影响沥青质的分散性。当体系的温度、压力和组成发生变化时,沥青质因为在体系中的分散性失衡而发生沉淀析出。在原油中加入极性组分时,沥青质分子聚集,但是受堆积约束力的作用,沥青质分子无法形成固态沉淀,而是以胶束类聚集体出现[13-14];在原油中添加非极性组时,沥青质分子中的杂化原子、氢键会发生聚集,导致沥青质分子以固态沉淀聚集析出[15]。

2)立体胶态效应。沥青质分子本身具有很强的自聚集能力。原油体系平衡状态下,胶质分子吸附在沥青质的表面,作为稳定剂使沥青质分子稳定悬浮在体系中。胶质的浓度及其在沥青质表面的平衡条件影响体系的稳定状态。当向原油中加入大量极性组分(如烷烃分子)时,体系中胶质浓度大幅降低,沥青质就会发生聚集并析出。

3)聚集效应。当体系受外界因素(如温度、压力和化学组分)的影响时,胶质在沥青质表面的化学位点的平衡被打破,胶质从沥青质表面脱附,沥青质分子相互吸引而聚集成更大的颗粒,并且这种聚集不可逆。

4)电动力效应。当原油处于储层、井筒、管线等不同环境状态时,由于原油体系的组成、性质和流态,内流通道的电性质、热性质和润湿性发生变化,沥青质沉积还受电动力效应的影响。由于带电胶体粒子在管柱内传输时将产生相应电位差,胶质和沥青质分子间的氢键、范德华力、π-π相互作用和静电力等作用力[16]发生改变,导致下游的胶体粒子电荷变化使沥青质发生沉积。根据石油的组成性质及其所在热力学环境,沥青质沉淀可能由以上沉积机理中的一种或多种效应造成。

2 原油SARA分析

地层原油是一个复杂的多分散油体系,其中包含众多组分,体系的稳定性不仅受温度和压力影响,还与体系中各组分的含量和性质有关,可利用SARA分析和胶体稳定性指数(colloidal instability index,CII)对油样进行分析[17-18]。SARA分析即分析原油中的饱和分(saturate)、芳香分(aromatic)、胶质(resin)和沥青质(asphaltene)的含量。胶体稳定性指数CII可以通过四组分预测体系的稳定性,即

(1)

CII值越大,说明体系中沥青质易析出。

取样井原油物性及相关参数见表1。分别取一天中08:00、16:00和24:00的油样(编号为1、2、3),分析的四组分及CII结果见表2,3个时段的油样CII都大于0.9,说明该油样极不稳定,易发生沥青质沉淀。

表1 取样井原油物性及相关参数

表2 SARA分析及CII结果

3 近红外光散射技术和过滤法测定沥青质初始沉淀压力

3.1 近红外光散射技术原理及实验方法

实验使用仪器为固体沉淀测试系统(solid phase detection system,SDS)(加拿大DBR公司生产),使用油样为草舍油田区块典型井原油样品。图1为LST系统原理图,它由一个可控制体积的可视PVT(pressure-volume-temperature)单元组成。PVT单元的主要组成部分是一个耐热玻璃圆柱体。在耐热玻璃柱内部安装了一个特殊设计的浮动活塞和一个磁力搅拌器,可以无汞操作。活塞的底部有O形环,用于将液压流体与单元内容物隔开。磁力搅拌器安装在PVT单元的底部端盖上,可以快速将油样搅拌均匀。圆筒装在带有垂直钢化玻璃板的钢壳内,以便对内部管件内容物进行可视化观察。可变容积泵通过从PVT单元顶部的浮动活塞控制流体的体积,从而控制流体的压力。在等温降压或等压注入溶剂时,通过计算机控制泵的工作以保持系统的稳定。PVT单元安装在一个特殊的支架上,可以360°旋转。支架和PVT单元被安置在一个控温烘箱内。PVT单元温度由铂电阻热探测器测量,压力由经过校准的数字压力表监测[19]。PVT单元的可视窗口上配备有光纤透光率探针用于测定沥青质沉淀出现后的透光率。LST系统通过近红外波长的优化激光测试温度、压力或流体成分可变的测试流体的透射率。可通过检测器记录实验过程中的变量:温度、压力、时间和透光率[20-22]。

1为圆柱;2为PVT可视化单元;3为磁力搅拌器;4为泵;5为背压调节器;6为压力表;7为空气循环烤箱;8为近红外光系统图1 LST系统示意图

图2展示了近红外(near infrared,NIR)光系统下的透光原理。当实验压力P大于沥青质初始沉淀压力Poap时,原油体系不发生沥青质沉淀,呈均质流体状态,近红外光对体系的透光率呈现较大值;当实验压力P小于沥青质初始沉淀压力Poap时,原油体系开始发生沥青质沉淀,近红外光对体系的透光率降低,且沥青质沉淀越多透光率越低,根据透光率的下降趋势可判断沥青质初始沉淀压力[23]。

图2 NIR透光原理

在储层温度和压力条件下注入适当的测试流体。然后将LST组件安装在PVT电池的窗口上。利用磁力搅拌器在1 400 r/min转速下搅拌30 min,测试流体均质化。随后利用NIR装置对测试流体进行透光率扫描。分别设定温度为35、50、61、70、84 ℃进行等温降压实验,等温降压实验中起始压力大于油藏压力,以降压速率为0.5 MPa/min降低压力,同时对测试流体进行透光率扫描,记录下实验过程中的透光率和对应压力。

3.2 过滤法原理及实验方法

过滤法使用SDS固体沉淀测试系统的PVT可视化单元,配制地层温度压力的适量实验油样注入可视化PVT单元,再注入一定量的沉淀剂。随后通过0.45 μm高压高温疏水过滤器在不同压力下过滤除去少量(约10 mL)混合好的油样。过滤是在实验压力和温度条件下进行的。滤材背面保持在实验压力下,通入稳定的烃类气体。随后设定温度为35、50、61、70、84 ℃进行降压实验。实验全过程中,单元内容物都用磁力搅拌器搅拌混合并驱出,通过过滤器收集沉淀出的物质。取保留在过滤器上的材料,分析饱和分、芳香分、胶质和沥青质的含量,记录各组分含量及对应实验压力。

3.3 实验结果及分析

3.3.1 光散射技术实验结果及分析

图3所示为等温降压过程中的透光率变化曲线,随着压力的降低,近红外响应开始增加,透光率上升。此时原油体系处于初始沉淀压力以上,不发生沉淀,体系中没有悬浮沥青质,此时近红外光通过流体时散射最小,透光率较大。这种最小的散射可能是由于体系中存在少量悬浮的地层细粒或小水滴。但由于压力降低体系密度降低,分子间距增大,近红外光对体系的透射率逐渐增大。当透光率上升至某一点压力时,出现急剧下降,此点压力即为沥青质初始沉淀压力。当实验温度降至沥青质初始沉淀压力时,体系开始出现沉淀,沥青质颗粒一出现,导致大部分透射光在远高于泡点压力下散射,近红外光透射率就急剧下降,这可能是由于较大的沥青质颗粒的瞬时生长,也意味着颗粒生长的动力更快。压力继续降低,体系密度也相应降低,近红外光对体系的透射率再次缓慢上升,当压力降至某一点时,透光率再次下降,此点即为泡点压力。当压力降至泡点压力时,原油体系开始脱气,体系的密度逐渐上升,分子间距减小,近红外光对体系的透射率快速下降。在这个实验中,进一步降低压力会产生更多的气体,因此减压过程会在PVT细胞排出气体的过程中以离散的步骤继续进行。当压力继续降低,透光率又开始上升,这是因为体系密度增大后分子间作用力增强,导致部分沥青质颗粒再次溶解于体系。根据分析,实验温度为35、50、61、70、84 ℃时的沥青质沉淀初始压力分别为17.57、17.14、16.52、15.84、14.94 MPa,泡点压力分别为8.51、9.86、10.56、11.14、11.65 MPa。

图3 等温降压过程中的透光率变化曲线

3.3.2 过滤法实验结果及分析

取油样1在35、50、61、70、84 ℃下进行等温降压实验,实验全过程中对过滤器收集的沉淀进行SARA分析。如图4中“方块”曲线所示,作出过滤器上残留物的沥青质含量与压力关系曲线,正如预期的那样,实验温度84 ℃过滤压力步长为25 MPa时,残留物的沥青质含量为3.45 wt%,与油样1直接测得的沥青质含量相同。这是因为在此压力下,液相中没有絮凝的沥青质颗粒,因此无法在SARA分析中显示出来。在刚好低于沥青质初始沉淀压力14.94 MPa的压力下,沥青质开始沉淀,透光率降低。然而,过滤器上残留物的分析显示沥青质的含量略有增加。这可能是因为沉淀的沥青质颗粒尺寸仍小于0.45 μm,因此可以通过过滤器。

图4 过滤法等温降压实验测得的沥青质含量变化

在略低于泡点压力11.65 MPa的压力下,过滤器上的沥青质含量增加到6 wt%左右。随后残留物中的悬浮沥青质颗粒的浓度开始降低。这是因为当压力降至泡点压力时,原油体系开始脱气,密度增大,沥青质颗粒在致密流体中重新溶解。如图4所示,在压力低于8 MPa时,沥青质含量趋于稳定,理论上会降至初始沥青质含量3.45 wt%。但是,由于沥青质颗粒仍处于悬浮状态,且尺寸小于0.45 μm可以通过滤光片,所以导致近红外光散射,透光率降低。其次,在泡点压力以下脱气的原油体系密度增大也会影响透光率。

图4中“三角”曲线为实验中SARA分析的沥青质含量变化曲线和胶质与沥青质的比率曲线。如图4中所示,胶质和沥青质呈相反的变化趋势,沥青质沉淀量越大,胶质含量越低。这是由于在原油体系中胶质作为稳定剂吸附在沥青质表面,以保证体系的稳定,胶质和沥青质为对立关系。当体系所处热力学环境发生较大变化,体系平衡被打破,轻质组分脱出,胶质从沥青质表面脱附,沥青质颗粒析出并且由于表面的活性点相互吸引而聚集并絮凝成大颗粒。

3.4 沥青质沉淀相图

实验测得油样在储层温度、井筒中部温度和井口温度下的沥青质初始沉淀压力,可作出相应的P-T(压力-温度)相图并绘制出粗略的沥青质沉淀相图[24]。如图5所示,各温度下的初始沉淀压力连线即为沥青质沉淀相包络线,泡点压力连线为泡点线。当原油所处热力学环境在稳定区域时,沥青质不发生沉淀;当原油所处的热力学点在沥青质沉淀相包络线上时,开始出现沥青质沉淀;当原油所处的热力学点在泡点线上时沥青质沉淀达到最大[25-26]。在实验温度范围内对沥青质沉淀相包络线进行三相式拟合,得到以下回归方程:

B0为截距;B1、B2、B3为回归系数图5 沥青沉淀相图

Poap=(9.444 44×10-6)T3-(2.33×10-3)T2+

(1.155×10-1)T+15.980 09

(2)

式中:Poap为沥青质初始沉淀压力,MPa;T为原油体系所处温度, ℃。

如图5所示,压力对沥青质沉淀的影响大于温度。实际生产时,近井地带的地层压力较大,高于沥青质初始沉淀压力,不易发生沉淀。但随着开发过程中地层能量逐渐衰竭,井底流压减小,导致压力降至沥青质初始沉淀压力以下,在井底产生沉淀。油藏物性越好,地层能量的衰减速度越快,生产压差变化越大,需及时补充地层能量,稳定压差。

原油体系从储层运移至井底过程中,由于地层孔吼条件复杂、地层非均质性差异、地层压力变化较大等原因,极易发生沥青质沉淀。但是从井底输送至井口过程中,受影响因素较少,沥青质初始沉淀压力对比井筒内压力变化较小。结合井筒温度压力的变化曲线,即可找出对应深度的原油体系所处热力学状态,对照沥青质沉淀相图,即可确定沥青质沉淀开始出现的深度。此模型对于现场查找沥青质沉淀出现位置存在精确度不足的问题,但对于井筒预防沥青质沉淀仍然具有较大的参考价值。

4 结论

1)实验测得油样在35、50、61、70、84 ℃时的沥青质沉淀初始压力分别为17.57、17.14、16.52、15.84、14.94 MPa,随温度升高而降低。压力变化过程中,胶质和沥青质呈相反的变化趋势。

2)在实验温度范围内对沥青质沉淀相包络线拟合,三相式回归后得到方程,预测各温度下的沥青质初始沉淀压力,结合井筒温度压力曲线可估算出井筒中沥青质沉淀出现的位置。

3)油藏物性越好,地层能量衰减越快,生产压差变化越大,极易产生沥青质沉淀,应及时补充地层能量,稳定压差。

本文的数学模型尚存在应用环境有限、对沥青质沉淀位置的预测值不够精确等不足。后续可研究沥青质沉淀析出后原油润湿湿性、毛管压力及相渗曲线等变化,结合多相管流知识和数值模拟研究,扩大该模型的应用范围,提高对沥青质沉淀位置的预测精确度。