趙 莉 高旺來 趙立翠 周長沙 馬世英

(1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249;2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

葡萄花黑帝廟地區(qū)淺層油藏是典型的低溫含蠟油藏，原始地層溫度下原油已經(jīng)失去流動性。含蠟原油在低于原油凝固點時，由于蠟晶的析出以及膠質(zhì)瀝青質(zhì)的附著形成復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)而使原油呈現(xiàn)出復雜的流變特性，對原油集輸和開發(fā)帶來一定的困難。評價原油低溫流動性的指標主要有凝固點、黏度及屈服應力等，通過室內(nèi)實驗結(jié)果對該地區(qū)的原油低溫流動性進行評價，進而研究判斷原油流變類型、黏度對溫度的依賴關系以及原油流動和恢復流動的條件。

1 油藏及原油特點

葡萄花黑帝廟地區(qū)淺層油藏埋深較淺(平均埋深200～500 m)，油層膠結(jié)疏松，破裂壓力低，其中一個最突出的特點就是原始地層溫度(20℃)低于原油凝固點(38℃)，原油在原始地層溫度下失去流動性，而且由于地層溫度低于原油凝固點，也就低于原油的析蠟溫度，造成地層特別是進井地帶蠟堵嚴重。對油藏原油凝固點、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和含蠟量進行測定，結(jié)果見表1。原油凝點測定依據(jù)SY/T 0541-2009《原油凝點測定法》進行，測量儀器采用大連大唐科學儀器公司生產(chǎn)的DT-4003C型凝點測定儀。原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟含量的測定依據(jù)SY/T 7550-2004《原油中蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量測定法》進行，采用4組分分析儀、瀝青質(zhì)測定器和蠟含量測定器。

表1 原油部分基礎物性數(shù)據(jù)

由表1看出，葡萄花黑帝廟淺層油藏原油與一般稠油相比含蠟量明顯較高，而且屬于高含蠟原油(蠟含量高于10%)，凝固點幾乎接近高凝油(凝固點大于40℃)的范疇而且高于原始地層溫度，原油在油藏中幾乎處在一種靜止狀態(tài)，所以需要更多的熱量將原油啟動起來。熱驅(qū)動原油的溫度不應低于臨界啟動溫度(原油凝固點)，當然這是啟動原油流動的前提，具體溫度等參數(shù)還要根據(jù)原始油藏性質(zhì)特點進行優(yōu)化。

2 流變性研究

2.1 理論流變類型

流體的流變類型可以根據(jù)流變曲線來判定分析。流變曲線是表征流體所受到的剪切應力與剪切速率之間的關系曲線，如果某種流體的流變曲線是一條經(jīng)過坐標原點的直線，那么該流體稱為牛頓流體，其流變特性遵從牛頓內(nèi)摩擦力定律。牛頓流體以外的所有流體稱為非牛頓流體，即剪切速率與剪切應力的關系是非線性的，或者當外力超過初始應力后，剪切速率與剪切應力才是成正比關系的。牛頓流體、假塑性流體和膨脹性流體。上述流體的流變曲線如圖1所示。

圖1 流體的流變曲線

塑性流體(也稱為有屈服值的假塑性流體)的特點是只有剪切應力大于τs后才開始流動，假塑性流體和膨脹性流體則是一施加外力就能流動，但假塑性流體隨剪切速率的增大其剪切應力增加趨勢逐漸減緩，膨脹性流體則相反。

2.2 實際流體流變類型

通過對葡萄花黑帝廟淺層原油進行測試原油黏度在不同溫度、不同剪切速率下的變化情況，分別得到如圖2、圖3所示的原油流變曲線和原油黏溫曲線。

圖2 不同溫度下原油的流變曲線

同一溫度下，剪切應力隨著剪切速率的增大而增大，但增大的速度隨之變緩;不同溫度同一剪切速率下，剪切應力隨著溫度的升高而減小;溫度在20℃～35℃之間時，流變曲線呈現(xiàn)出典型的塑性流體特性;溫度在40℃ ～50℃之間時，雖然剪切力變化幅度不大，但是曲線還是凸向剪切應力軸且過坐標原點，所以此時原油屬于假塑性流體;溫度在60℃～100℃之間時，剪切應力與剪切速率呈線性關系，說明溫度大于60℃時原油已經(jīng)屬于牛頓流體。

2.3 原油黏溫關系

原油在沒有剪切力作用時，黏度隨溫度的變化曲線如圖3所示。在沒有剪切力作用時，原油黏度隨溫度變化的趨勢特點很明顯，在溫度小于60℃時，隨著溫度的增大黏度急劇下降，當溫度高于60℃以后，原油黏度幾乎沒有變化。為了更直觀的表現(xiàn)含蠟原油黏度與溫度的關系，將原油黏度和動平衡表觀黏度與溫度的相對應關系以半對數(shù)坐標的形式呈現(xiàn)出來，即全黏溫曲線，見圖4。

圖3 原油黏溫曲線

圖4 原油全黏溫曲線

含蠟原油在一定溫度范圍內(nèi)對溫度依賴性很強，溫度小于60℃時，原油黏度隨溫度的增加急劇減小，當溫度大于60℃后，蠟晶基本上已經(jīng)全部溶解在原油中，原油黏度變化幅度很小。從原油全黏溫曲線也可以看出，曲線在60℃左右時開始趨于平緩，溫度小于60℃時屬于非牛頓段，大于60℃時屬于牛頓段。原因是含蠟原油在溫度降低到一定程度時開始析蠟，碳數(shù)多的烷烴首先結(jié)晶，隨著溫度的不斷降低，相對碳數(shù)較少的烷烴也陸續(xù)結(jié)晶。只要溫度足夠低，不僅C17(烷烴中屬于蠟的部分)以上的烷烴會結(jié)晶，C17以下的烷烴(不屬于蠟的烷烴)也會結(jié)晶，直到所有烴類完全結(jié)晶為止。原油析蠟是一個隨溫度變化而變化的漸變過程，不是瞬間完成的。析蠟點就是原油中烴類物質(zhì)開始結(jié)晶的起始點，隨著溫度的降低，蠟晶濃度增大到一定程度時，絮凝的蠟晶將會發(fā)展成三維空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，液態(tài)油被包圍在蠟晶體間隙內(nèi)，使得原油產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性凝固成為膠凝體系而失去流動性［2］。為了更精確地確定原油析蠟點，依據(jù)SY/T 0545-1995《原油析蠟熱特性參數(shù)的測定:差示掃描量熱法》進行測定，如圖5所示。

圖5 析蠟點測量結(jié)果(DSC原油熱譜圖)

實驗結(jié)果得到原油的析蠟點為52.06℃，析蠟高峰點為22.14℃。溫度在22.14℃時，DSC曲線［3］遠離基線達到曲線最高點，說明原油在此溫度下析蠟量比較集中。原油析蠟點與通過全黏溫曲線觀測到的析蠟點基本一致。

2.4 低溫含蠟原油的屈服現(xiàn)象

原油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如蠟晶的濃度、尺寸、形狀以及絮凝狀態(tài)和瀝青質(zhì)的膠團結(jié)構(gòu)等決定了原油的流變性質(zhì)，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)又與原油油溫有直接的關系［4］，所以低溫狀態(tài)下含蠟原油的流變性更加復雜，屈服特性是非牛頓流體重要的流變性質(zhì)之一，同時也表征了含蠟原油的膠凝結(jié)構(gòu)強度。當溫度降低到原油凝固點附近，析出的蠟晶濃度已經(jīng)可以形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，隨著溫度的進一步降低，原油形成膠凝體系逐漸失去流動性，此時含蠟原油表現(xiàn)出極其復雜的屈服 — 假塑性，重新將原油啟動起來需要更大的壓力。

當溫度在原油凝固點附近但仍低于凝固點時，通過原油流變曲線(圖6)可以看出這個溫度范圍內(nèi)，由于蠟晶結(jié)構(gòu)的存在，原油具有明顯的屈服應力值。屈服應力［5］又分為動屈服應力和靜屈服應力，動屈服應力一般為平衡流變曲線外延與剪切應力軸的交點處所對應的剪切應力，但通常是從剪切速率沒有延伸到非常低的流變曲線上獲得的，它是維持原油繼續(xù)流動(但不是保持原有流動速率)所需的最小剪切力［6］;靜屈服應力一般為原油經(jīng)過長時間靜置后測得的屈服應力，表征的是原油在靜止狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)強度，是原油經(jīng)過長時間由靜置到開始流動所需的最小剪切力，所以反映了管道停輸再啟動的難易程度，也是衡量原油流動性的重要指標之一［7］。

圖6 原油在凝固點附近具有屈服性的流變曲線

τs1、τs2、τs3分別對應的是溫度30 ℃、25 ℃、20 ℃下的動屈服應力值，在同一剪切速率下，隨著溫度的升高，動屈服應力值明顯減小，當溫度接近凝固點時屈服應力值幾乎不存在。對于簡單觸變性流體，觸變結(jié)構(gòu)被破壞后在有限的時間完全恢復至相應的平衡狀態(tài)，則沒有必要區(qū)分動、靜屈服應力，所以當該類含蠟原油處于具有屈服特性的溫度范圍時，原油啟動壓力［8］一定要大于其本身的屈服應力，這對原油流動所需要的啟動壓力提供了可適用的參考值。

3 結(jié)論

(1)含蠟原油不同于一般的普通稠油。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)以及含蠟量都比較高，原油凝固點也高于普通稠油，原油組成的復雜性也決定了流變性的復雜。

(2)含蠟原油黏度和流變性對溫度非常敏感，原油黏度在析蠟溫度以上變化不大，而低于析蠟溫度時變化劇烈。析蠟溫度以上蠟全部溶解在原油中為單相流動，呈牛頓流體特性;析蠟溫度到凝固點溫度之間，原油一部分為固態(tài)，另一部分為液態(tài)，仍具有牛頓流體特性;低于凝固點溫度，雖然有一部分為液態(tài)，但由于析出的結(jié)晶成網(wǎng)格而不能流動，呈現(xiàn)非牛頓流體特性。

(3)評價原油低溫流動性的指標主要有凝固點、黏度及屈服應力。葡萄花黑帝廟淺層含蠟原油的高凝固點、低溫高黏度以及低溫屈服的特點已經(jīng)表明低溫下原油流動性極差，而且該區(qū)的特殊性還在于原始地層溫度低于原油凝固點，原油在地層溫度下已經(jīng)失去流動性，通過研究低溫下原油的屈服應力，對原油的流動提供了可靠的壓力參考值，同時對輸油系統(tǒng)的流動安全也具有實際的指導意義［9］。

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［6］張勁軍，王寶昌，張鵬.含蠟原油的動屈服應力［J］.油氣儲運，1996，15(3):5-15.

［7］侯磊，張勁軍.含蠟原油屈服應力的研究進展及分析［J］.油氣儲運，2005，24(3):5-9.

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