伊朗Y油田輕質油瀝青質沉積的預測分析

寧俐（中石化國際石油勘探開發有限公司 北京 朝陽區 100029）

在油氣開采過程中,原油瀝青質在儲層巖石表面上的吸附會導致潤濕性從親水向親油方向的改變,從而造成儲層巖石的油相相對滲透率下降[1]。在一定熱力學條件下,瀝青質會在巖石孔隙表面發生沉積,導致有機垢的生成,從而堵塞一部分儲層孔喉,造成儲層的絕對滲透率下降。油田生產過程中由于瀝青質沉淀造成的危害,近十余年在國外已受到廣泛重視,是研究的熱點問題之一[2,3]。瀝青質沉淀對石油生產的危害主要表現在:在石油開采與運輸過程中,瀝青質等重組分的沉積,既可能產生于油藏和井筒中,又可能生成在分離器、油泵、管道、換熱器、油罐等設備中。原油在管道中流動,隨著溫度和壓力的下降,瀝青質沉積在管道底部,嚴重影響了管道的輸油效率。即使輕微的瀝青質沉積也會使生產操作變得困難,降低生產運行效率,沉積嚴重時會導致油井報廢或管道堵塞。為了防止管道堵塞,必須加入瀝青質清除劑或進行清管操作,使生產維修費用大幅提高[4],并嚴重影響了管道的正常運行。

一、伊朗Y油田儲層特性分析（Iran Y oilfield reservoir property analysis）

根據Y油田早期鉆探的取心井的巖心樣品水平方向和垂直方向分析結果，如下表1所示：

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滲透率(md)儲層類別孔隙度(%)分級分級高滲、特高滲中滲低滲特低滲Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅳ類≥2012-204-12＜4高孔、特高孔中孔低孔特低孔≥10010-1001-10＜1

上表為S層308塊巖心樣品，F層66塊巖心樣品水平方向分析結果（表1），根據碳酸鹽巖儲層分類標準（表2），S層和F層均屬于中低孔、低滲儲層。

從Y油田早期鉆探的井中獲得主力油層S層和F層一些地面原油基本數據，見表3：

表3 原油流體性質

地面原油性質分析結果表明，相同區塊不同層組之間地面原油性質差異較大，而相同層組不同區塊之間地面原油性質相近。S油層為重質油，具有高粘度、低凝固點、含硫高、含蠟、含瀝青質的油藏特點；F油層為輕質油，具有低粘度、低凝固點、含硫、高含蠟、含瀝青質的油藏特點。結果顯示在F油藏中瀝青質沉淀的幾率要大于S油藏。

二、瀝青質沉積預測分析（Analysis and prediction of asphaltene deposition）

要對原油中瀝青質的沉積采取有效的預防措施,首先需清楚三個問題，即原油中瀝青質發生沉積的原因，條件以及是否足以造成傷害。

本文對Y油田原油進行了物性分析，應用了S A R A組成分析方法，粘度法和熱力學模型及對瀝青質的沉積問題進行了預測。

1.物性分析（Physical property analysis）

目前公認的瀝青質的定義[5]是原油中不溶于低級正構烷烴(n C5～n C7)而溶于芳香烴(苯、甲苯、二甲苯等)的一類有機化合物。瀝青質是一種主要由碳、氫元素組成,同時含有氮、氧、硫等非金屬元素及少量鎳、釩、鐵等金屬元素組成的結構復雜的有機化合物,其分子結構和分子量等均不確定。膠質是室溫下溶于正構烷烴、苯和甲苯而不溶于乙酸乙酯的原油組分,其分子比瀝青質小得多[6]。在正常的油藏條件下,膠質—瀝青質—原油處于一種動平衡狀態。但當原油體系溫度、壓力或原油各組分含量及酸堿度發生變化時，將會導致該動態平衡被破壞，從而產生瀝青質的沉淀，所以儲層溫度、壓力下降、混相驅或CO2驅或酸化作業等均可能導致瀝青質絮凝和沉積[7]。

表4 原油組成與性質

根據流體成分，可得出原油和C7組分的原子重量，所有成分的摩爾數等。由上表可見，F層的C1（甲烷）的含量遠高于S層，F層的C7+含量較S層低。

2.原油中瀝青質、膠質、芳香烴和飽和烴含量測定（SARA）（SARA test of crude oil）

瀝青質是原油中易溶于芳香類化合物而不溶于低分子烷烴的有機混合物,因此原油的組成和芳香度影響瀝青質的沉積。

Newberry等人[8]提出了一種S A R A方法來確定原油發生瀝青質沉積的可能性,其中S表示原油中飽和烴(saturates)的含量,第一個A表示芳香烴(aromatics)含量,R表示膠質(resins)含量,第二個A表示瀝青質(aspHaltenes)含量。先用下式計算膠體不穩定指數CI:

C I=[w(飽和烴)+w(瀝青質)]/[w(膠質)+w(芳香烴)](1)

式中w為各組分在原油中的質量分數。如果C I≥0.9,則這種原油易發生瀝青質沉積。其原理如下:

瀝青質沉積主要取決于體系的熱力學狀態即溫度、壓力和原油組成。在組成上,原油的膠溶性即保持瀝青質處于穩定的懸浮狀態的能力,取決于原油中石蠟、芳香烴和膠質的相對含量。Mclean等人[9]的實驗結果表明,當原油的芳香度低于40%時,瀝青質就會以聚集體或顆粒形式析出并沉積。膠質與瀝青質的質量比越小,瀝青質沉積的可能性越大。隨壓力下降,在泡點壓力附近瀝青質沉積量出現最大值。油藏的欠飽和程度越大,油藏原油中瀝青質沉積的可能性越大。中輕質原油雖然瀝青質含量很低,但由于膠質含量也低,發生瀝青質沉積的可能性有時可能大于重質原油。

表5 原油中SARA含量測定表

圖1 原油中SARA含量圖

由計算得知C I=1.92≥0.9，原油的芳香度為29.1%低于40%，瀝青質就會以聚集體或顆粒形式析出并沉積，因此Y油田油藏易發生瀝青質沉積。

3.瀝青質的絮凝（Asphaltene flocculation）

Leontaritis等人[10]指出,瀝青質在沉積之前首先發生絮凝,當吸附在瀝青質表面的膠質被溶解后,帶電的極性瀝青質分子就會通過靜電作用聚集在一起,形成絮凝體,隨著絮凝體不斷增加,形成大的空間膠體,由于絮凝的瀝青質帶有正電荷和極性,極易吸附在帶負電的巖石礦物表面,因此會在巖石表面形成沉積。當原油中瀝青質在儲層中發生絮凝時,某些大尺寸的瀝青質微粒便首先在孔喉處沉積下來,其它較小尺寸的微粒則隨流體一起運移，當運移至與其尺寸相匹配的孔喉處,便會再次沉積下來,從而堵塞儲層孔隙喉道，降低儲層滲透率。

圖2 出現瀝青質絮凝的壓力（134.9℃）

圖3 原油中瀝青質沉淀量與壓力曲線圖

原油從油藏流向井底,再上升至地面的過程中,壓力不斷下降。在此過程中原油中輕烴組分體積增加較多,膠質不斷被溶解,從而使瀝青質溶解度降低,沉積量增加。在壓力低于泡點壓力以后,隨壓力進一步下降,輕烴組分以氣體的形式散出,正烷烴的濃度降低,瀝青質溶解度增加,沉積量減少。因此,瀝青質開始沉積總是發生在壓力高出泡點時,在泡點壓力附近沉積量最大。油藏的欠飽和程度越大,輕烴組分膨脹趨勢越大,瀝青質發生沉積的可能性和沉積量也就越大[11～13]。

實驗得出瀝青質的絮凝初始壓力為6139psi,當壓力達到3780psi左右，瀝青質沉積量達到最大。

4.熱力學模型（Thermodynamicmodel）

假設瀝青為單一擬組分，我們把瀝青質的沉淀的相態做為一個固相基本模型，我們基于液-固相守恒定律來研究瀝青質沉淀的行為。則瀝青質的逸度[14-16]為：

fa,fa*---分別相應于壓力P和P*的純瀝青相的逸度(KPa);

Va---瀝青相的摩爾體積(m3/kmol).

R---通用氣體常數(8,314KPam3/kmol K).

T---溫度(K).

利用這個公式，我們計算了各層的瀝青質沉淀的初始溫度和壓力:

表6 瀝青質沉淀的初始溫度和壓力

通過熱力學模型計算出S層與F層瀝青質沉積的初始壓力分別為5000psi左右和6000psi左右。

三、結論（Conclusions）

原油中瀝青質的沉積是采油過程中儲層損害的主要原因之一，它對儲層的損害形式包括孔喉堵塞、潤濕反轉和微粒運移等,最終導致巖石絕對滲透率和油相有效滲透率下降,原油流動阻力增大,油井產能降低。本文對伊朗Y油田的瀝青質的預測和分析為將來正式投產做一個保障，并由此制定出正確可行的操作規范和消除方法來預防此類問題發生。

(1)針對Y油田所進行的對于瀝青質的預測分析，通過S A R A法測試計算結果表明，Y油田會面臨很大的瀝青質絮凝和沉積的危險。

(2)實驗得出瀝青質的絮凝初始壓力為6139psi,當壓力達到3780psi左右，瀝青質沉積量達到最大。通過熱力學模型計算出S層與F層瀝青質沉積的初始壓力分別為5000psi左右和6000psi左右。

(3)瀝青質的絮凝和沉積主要是石油開采過程中溫度、壓力以及原油組分等熱力學條件發生改變引起的。盡量將油藏的熱力學狀態控制在瀝青質沉積的包絡線以外,是預防這類損害的有效途徑。

(4)瀝青質沉積析出造成的儲層損害是永久性的、不可逆的,因此對原油中瀝青質的絮凝和沉積采取有效的預防措施是至關重要的。生產過程中應注入適合的化學劑，進行有效地預防或減緩瀝青質的沉積。

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