聶向榮，楊勝來(lái)，曹力元，鄭皚皚，石巍，蔡福林

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

儲(chǔ)層條件下的含蠟原油流變性研究

聶向榮，楊勝來(lái)，曹力元，鄭皚皚，石巍，蔡福林

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

為研究含蠟原油在儲(chǔ)層條件下的流變性，應(yīng)用高壓黏度計(jì)，在儲(chǔ)層壓力條件下開(kāi)展了原油流變性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在較低的溫度條件下，含蠟原油的黏度隨剪切速率增大而減小，且起初在一定的剪切速率范圍內(nèi)減幅較大，隨后減幅越來(lái)越??；隨著溫度的降低，含蠟原油的表觀黏度、黏流活化能及稠度系數(shù)增大，非牛頓指數(shù)減小，流變特性越來(lái)越偏離牛頓流體；采用非牛頓指數(shù)、稠度系數(shù)、黏流活化能和結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)等4項(xiàng)參數(shù)，能較全面地表征儲(chǔ)層條件下含蠟原油的流變性。關(guān)鍵詞含蠟原油；流變性；黏流活化能；非牛頓指數(shù)；稠度系數(shù)；結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)

含蠟原油開(kāi)發(fā)過(guò)程中，因含蠟導(dǎo)致的開(kāi)采問(wèn)題十分突出[1-5]，原因之一是其在儲(chǔ)層中的流變特征較為復(fù)雜，流變性受多種因素的影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[6-15]，但是針對(duì)儲(chǔ)層條件下含蠟原油流變性的研究相對(duì)較少。本文以國(guó)外某油田的含蠟原油為例，進(jìn)行了儲(chǔ)層條件（高壓、含氣）下的流變性實(shí)驗(yàn)研究。采用黏流活化能、非牛頓指數(shù)、稠度系數(shù)和結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)等4個(gè)參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層條件下含蠟原油的流變特征進(jìn)行表征，為含蠟油田的開(kāi)發(fā)提供了理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)條件及原理

1.1 儀器及樣品

采用美國(guó)RUSKA公司生產(chǎn)的PVT-2730高壓物性實(shí)驗(yàn)裝置附帶的高壓黏度計(jì)，該測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)溫度允許范圍在150℃以內(nèi)，壓力允許范圍在75 MPa以內(nèi)。由于實(shí)驗(yàn)樣品為黏度較高的含蠟原油，按照高壓黏度計(jì)的毛細(xì)管選取標(biāo)準(zhǔn)，選用半徑為0.03 in（1 in=25.4 mm）的毛細(xì)管。

實(shí)驗(yàn)樣品為國(guó)外某油田的高含蠟活油（未脫氣），所在儲(chǔ)層的溫度為85℃，壓力為22.87MPa，脫氣后在地面條件（20℃，0.1MPa）下的基本物性參數(shù)為:密度836 kg/m3，蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，析蠟點(diǎn)60℃，反常點(diǎn)45℃，凝固點(diǎn)40℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)哈根-泊肅葉方程（式（1）），結(jié)合管壁處的最大剪切應(yīng)力τmax計(jì)算公式（式（2）），再根據(jù)剪切應(yīng)力與速率的關(guān)系，可得到管壁處的剪切速率γ（見(jiàn)式（3））。

式中:Q為體積流量，m3/s；r為毛細(xì)管半徑，m；Δp為毛細(xì)管兩端壓差，MPa；η為流體的表觀黏度，109mPa·s；L為毛細(xì)管長(zhǎng)度，m。

可以看出，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)記錄流量Q可計(jì)算此時(shí)的剪切速率γ，結(jié)合該流量下測(cè)試的流體表觀黏度η，即可得到η隨γ的變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流變曲線

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別設(shè)定5種流量:1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 cm3/min，由式（3）可得到對(duì)應(yīng)的剪切速率，依次為384，576，768，960，1 153 s-1。在22.87MPa壓力條件下，85～30℃溫度變化過(guò)程中，分別測(cè)定不同溫度條件下原油樣品的流變曲線（見(jiàn)圖1）。

圖1 不同溫度下η與γ的關(guān)系

由圖1可以看出:溫度較高（大于45℃）時(shí)，原油樣品表現(xiàn)為牛頓流體，表觀黏度不隨剪切速率的變化而變化；溫度較低時(shí)，原油樣品表現(xiàn)為假塑性非牛頓流體，隨著剪切速率的上升，表觀黏度呈下降趨勢(shì)，具有典型的剪切變稀特性。在35～30℃溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)剪切速率為380～800 s-1時(shí)，表觀黏度隨剪切速率增大而降低的程度較大，非牛頓現(xiàn)象較為顯著；當(dāng)剪切速率大于800 s-1時(shí)，表觀黏度的下降趨于緩慢，非牛頓現(xiàn)象減弱。由此可見(jiàn)，通過(guò)增加剪切速率實(shí)現(xiàn)含蠟原油降黏的方法具有一定的局限性。

2.2 非牛頓指數(shù)

非牛頓指數(shù)可用來(lái)判斷非牛頓流體偏離牛頓流體的程度。對(duì)于非牛頓流體，常用冪律方程表示其流變性，即

η=Kγn-1（4）

其對(duì)數(shù)形式為

式中:K為稠度系數(shù)，mPa·sn；n為非牛頓指數(shù)。

可根據(jù)n的大小進(jìn)行流體性質(zhì)的判斷:n=1時(shí)，流體為牛頓流體；n≠1時(shí)，流體為非牛頓流體，其中，n＞1時(shí)為膨脹性流體（剪切變稠），n＜1時(shí)為假塑性流體（剪切變?。?。

利用式（5），在半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)系中，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的η-γ數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合。利用所得的直線截距和斜率，經(jīng)過(guò)換算，即可得到非牛頓指數(shù)n和稠度系數(shù)K（見(jiàn)表1）。

表1 不同溫度下的非牛頓指數(shù)與稠度系數(shù)

由表1可以看出，隨著溫度的降低，原油樣品的K不斷增大，n則不斷減小，即溫度越低，該油樣的黏度越大，假塑性越強(qiáng)。在45℃以上溫度條件下，原油表現(xiàn)為牛頓流體，n的理論值應(yīng)該為1，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此，這主要是實(shí)驗(yàn)誤差及原油組分的復(fù)雜性造成的。

2.3 黏流活化能

分析黏度對(duì)溫度的依賴性，需要計(jì)算黏流活化能。黏流活化能表示一個(gè)分子改換位置時(shí)克服周圍分子對(duì)其作用力需要的能量，是黏度對(duì)溫度敏感程度的一種度量。黏流活化能越大，則黏度對(duì)溫度的變化越敏感，表征流體流動(dòng)需要克服一個(gè)越大的能量勢(shì)壘，亦即流體的流動(dòng)越困難。

一般情況下，溫度越高，流體的黏度越小。含蠟原油的黏-溫變化規(guī)律符合Arrhenius方程，即

式中:Ea為黏流活化能，J/mol；A為指前因子，mPa·s；R為氣體常數(shù)，取值8.314 J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度，K。

對(duì)于含蠟原油，存在析蠟前和析蠟后2種狀態(tài)。析蠟前，含蠟原油為牛頓流體，黏流活化能Ea和指前因子A均為常數(shù)；當(dāng)有蠟晶析出時(shí)，由于分散相蠟晶的出現(xiàn)，使得原油的黏-溫關(guān)系發(fā)生變化，黏流活化能隨之增大。在非牛頓流體區(qū)，Ea和A不再是常數(shù)，而是與剪切速率相關(guān)的函數(shù)。

將式（6）兩邊取對(duì)數(shù)，可得

繪制剪切速率為384 s-1時(shí)lnη與T-1的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）?？梢钥闯?，lnη-T-1關(guān)系曲線并不是一條直線，而是隨著溫度的降低，存在2個(gè)明顯的拐點(diǎn)。如果用1條直線去擬合的話，將會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此，須應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行分段線性擬合，得到3個(gè)回歸方程（見(jiàn)表2），對(duì)應(yīng)圖2中的3條直線。

圖2 lnη-T-1關(guān)系曲線

由表2可以看出，隨著溫度的降低，黏流活化能起初表現(xiàn)為逐漸增大，當(dāng)溫度降低到42.9～30.0℃時(shí)，則表現(xiàn)為急劇增大。分析認(rèn)為，這是原油在低溫條件下析出大量蠟晶的結(jié)果。

表2 不同溫度區(qū)間lnη與T-1關(guān)系式

在42.9～30.0℃區(qū)間溫度條件下，剪切速率分別為384，576，768，960，1 153 s-1時(shí)含蠟原油的黏流活化能見(jiàn)圖3。

圖3 42.9～30.0℃條件下Ea與γ的關(guān)系

由圖3可以看出，剪切速率越大，含蠟原油的黏流活化能越小。這是因?yàn)殡S著剪切速率的增加，蠟晶等大分子的流動(dòng)能力提高，原油黏度小幅降低，黏度對(duì)溫度的依賴程度減弱。

2.4 結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)

結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用較廣，一般用來(lái)表示熔體的結(jié)構(gòu)化程度，即熔體內(nèi)大分子的交聯(lián)和結(jié)晶程度[10]。對(duì)于高含蠟原油而言，可以借用結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)定量表征其在低溫條件下析出的蠟晶形成晶體網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)化程度。結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη的表達(dá)式為

通過(guò)計(jì)算不同溫度下η-γ1/2關(guān)系曲線的斜率，即可得到結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)與溫度的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖4）。

圖4 結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖4可以看出，溫度從85℃降至30℃時(shí)，結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)從0.001增加到0.070。這說(shuō)明在溫度較高時(shí)，原油的流動(dòng)性較強(qiáng)，幾乎沒(méi)有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，隨著溫度的降低，原油的結(jié)構(gòu)化程度越來(lái)越高，并在45℃時(shí)發(fā)生突變。分析認(rèn)為，這是由于在45℃時(shí)，蠟質(zhì)開(kāi)始大量析出，并形成了穩(wěn)定的蠟晶網(wǎng)格，使得含蠟原油的結(jié)構(gòu)化程度增強(qiáng)。這一結(jié)論與含蠟原油流變曲線、非牛頓指數(shù)及黏流活化能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，由此可見(jiàn)，利用結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)進(jìn)行含蠟原油析蠟結(jié)晶程度的定量描述是可行的。

3 結(jié)論

1）在地層壓力條件下，當(dāng)溫度高于45℃時(shí)，含蠟原油表現(xiàn)為牛頓流體，低于45℃時(shí)，則表現(xiàn)為假塑性非牛頓流體。

2）可以用冪律型流變模式表征含蠟原油的流變特征，用黏流活化能表征含蠟原油對(duì)溫度的敏感性，用結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)定量描述含蠟原油的析蠟結(jié)晶程度。

3）通過(guò)增大剪切速率，可以在一定程度上降低含蠟原油黏度對(duì)溫度的敏感度，這對(duì)高凝油藏的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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（編輯 孫薇）

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Study on rheology ofwaxy crude oilunder reservoir conditions

Nie Xiangrong,Yang Shenglai,Cao Liyuan,Zheng Aiai,ShiW ei,Cai Fulin

(MOE Key Laboratory for Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,Ch ina)

For the purpose of studying rheology of waxy crude oil under reservoir conditions,the experimental research was carried out with high-pressure viscometer.The results show that the viscosity of waxy crude oil decreases as the shear rate increases at the lower temperature.The decreasing amplitude is larger within certain range of the shear rate,and then becomes smaller.As the temperature deceases,the apparent viscosity,activation energy of viscous flow and consistency index of waxy crude oil increases,but the non-Newtonian index decreases.The rheology ofwaxy crude oil changes from Newtonian fluid to non-Newtonian fluid by cooling.We can comprehensively evaluate the rheology ofwaxy crude oil under reservoir condition using four parameters such as non-Newtonian index,consistency index,activation energy of viscous flow and structural viscosity index.

waxy crudeoil;rheology;activation energy of viscous flow;non-Newtonian index;consistency index;structuralviscosity index

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“蘇丹3/7區(qū)高凝油油藏高效開(kāi)發(fā)技術(shù)”（2011ZX05032-002）

TE345

A

2013-04-30；改回日期：2013-09-20。

聶向榮，男，1986年生，中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事油藏滲流機(jī)理方面的研究工作。E-mail:nxrcup@163.com。

聶向榮，楊勝來(lái)，曹力元，等.儲(chǔ)層條件下的含蠟原油流變性研究[J].斷塊油氣田，2013，20（6）:755-758.

Nie Xiangrong，Yang Shenglai，Cao Liyuan，et al.Study on rheology of waxy crude oil under reservoir conditions[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:755-758.

10.6056/dkyqt201306019