合水油田長6油藏水平井結蠟機理研究

潘瑞娟，鄭建剛，李繼彪，王 牧，張 桓

1.西安石油大學材料科學與工程學院 （陜西 西安 710065）

2.中國石油長慶油田分公司第十二采油廠 （甘肅 慶陽 745400）

原油在開采過程中，從油層流入井底，再從井底沿井筒舉升到井口時，壓力不斷降低，輕質組分不斷逸出，加上溫度降低，破壞了石蠟溶解在原油中的平衡條件，降低了石蠟在原油中的飽和溶解度，致使石蠟結晶析出，油溫下降到蠟晶開始析出的溫度（原油析蠟點）時，蠟晶微粒便開始在油流或管壁上析出[1]。由于抽油桿、抽油泵、油管的結蠟導致抽油機負荷增加，抽油泵效率降低，油井產量及采油效率下降；蠟在油管上析出嚴重時，會造成油管堵塞，甚至使得油井停產[2-4]。

油井結蠟是油田生產過程中經常遇到的問題，影響油層采油速度及采收率的提高，有時甚至直接關系到油井能否正常生產[5-7]。合水油田構造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡西緣，東西橫跨陜、甘、寧、蒙古及山西五省，油層埋深1 560～2 500 m。目前，合水油田油井以熱洗清蠟方法為主，存在部分油井及輸油管線清蠟周期短、熱洗清蠟成本相對較高等問題。由于缺乏對合水油田長6油藏水平井結蠟機理及影響因素的研究，無法為研制高效清防蠟藥劑提供理論支持，因此開展合水油區油井清防蠟技術研究顯得尤為重要。

通過石油天然氣行業標準SY/T 7550—2012中測定法、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）、氣相色譜儀對蠟樣的組分、形貌和碳數分布進行詳細研究。采用動態環流管道實驗裝置來室內模擬原油結蠟實驗，從而計算出結蠟速率與結蠟厚度，討論了運行時間、溫度、流速對結蠟速率的影響，并對合水油田長6油藏水平井結蠟機理進行了探討，最后通過灰色關聯分析，得出影響油井結蠟因素的權重。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

主要試劑：正庚烷、甲苯、石油醚、苯、丙酮均為分析純，蒸餾水。

根據現場油井結蠟嚴重的程度以及目前清防蠟存在的問題，取合水油田長6油藏3口水平井的試樣作為室內實驗研究對象，井號分別為：固平27-16、固平23-27、固平22-40。

主要儀器：掃描電子顯微鏡（JEOL JSM-S4600）和能譜儀、氣相色譜-質譜儀（Agilent5975B INTER XL EI/CI型GC-MS及ChemStation的計算機）。

1.2 實驗方法

參考石油天然氣行業標準SY/T 7550—2012《原油中瀝青質、膠質、蠟含量測定法》中所規定的方法，測定蠟樣中的蠟含量，膠質、瀝青質含量和機械雜質含量。

用掃描電子顯微鏡和能譜儀分析蠟樣的微觀結構和化學組成。同時用氣相色譜-質譜儀對蠟樣的碳數進行測定。

利用動態環流管道實驗裝置，室內模擬原油結蠟實驗。該裝置主要由測試管、參比管、超級恒溫水浴箱、流量計、螺桿泵，普通水浴箱組成。實驗結果使用稱重法，刮出測試管里結出的蠟稱重，再根據管子的內表面積以及所結蠟的密度（一般取0.9 g/cm3），計算出結蠟速率與結蠟厚度，并進一步分析外因，如溫度、運行時間等對油井結蠟影響的規律，裝置流程如圖1所示。實驗過程中根據油樣析蠟點的不同，確定固平27-16井、固平23-27井和固平22-40井樣品的實驗條件為：析蠟點30℃、油溫35℃、測試管溫度27℃、參比管溫度33℃，其中測試管與參比管長度均為1 m，內表面積為0.037 68 m2。

圖1 環流管道實驗流程圖

根據灰色關聯理論，分析內因和外因，如析蠟溫度、流速、含蠟量和膠質、瀝青質含量等相關因素對油井結蠟的影響權重。

2 結果與討論

2.1 蠟樣分析

2.1.1 組分分析

分別取合水油田長6油藏層位下不同井的蠟樣進行組分分析，其結果見表1。從表1中可以看出，長6蠟含量為62.50%，且同一口井不同深度下的蠟樣組成接近。

2.1.2 形貌分析

圖2為取自不同井中蠟樣EDS能譜分析結果，表2為蠟樣EDS能譜分析結果。由圖2可知，蠟樣微觀上相對致密，但有微小裂縫，可能是因為含油瀝青質等相對較大顆粒物質，與所含蠟及膠質共同形成了融合體系。由表2可知，長6油藏層位下蠟樣中的主要成分為C元素和O元素，C元素的含量占93.46%，O元素占6.01%，兩者占了99.47%，其中不含N元素，S、Cl、Ca、Fe等元素含量均很少，共占到0.53%。

表1 蠟樣組分/%

2.1.3 長6不同井中蠟樣碳數分布規律

石油主要是各種組分的碳氫化合物組成的混合物溶液，各種組分的碳氫化合物的相態隨開采條件（壓力和溫度）的變化而變化，可以是單相液態，氣、液兩相或氣、液、固三相共存，其中的固態物質主要是含碳原子數為16～64的烷烴，這種物質叫石蠟[8]。一般將原油中碳數低于16的組分劃分為油質，碳數在26～30的組分劃分為粗晶蠟，碳數在30～53的組分劃分為微晶蠟，其余劃分為非晶蠟[9]。圖3是合水油區長6油井蠟樣的碳數分布數據。

從圖3可以看出，長6碳數主要集中在C10～C22之間，其中C20和C21兩者含量最高，兩者含量之和高達25%以上，低于C10的油質組分占10.01%，C11～C15的油質組分占33.49%，C16～C26非晶蠟占49.39%，C27～C30的粗晶蠟占 2.80%，C30以上的微晶蠟占4.31%。從固平22-40不同井深蠟樣碳數分布來看，碳數主要集中在C9～C21，不同深度段取出的蠟樣在井深400 m以下，其大于22碳數的含量明顯下降。而對于晶體蠟，其隨著原油溫度降低而不斷析出，因晶體表面積較小，易于結合形成三維網狀結構，從而將液態組分包圍其中形成凝膠，使得原油在低溫時流動性變差[10-11]。

圖2 蠟樣EDS圖譜

圖3 碳數分布圖

表2 蠟樣EDS分析結果 /%

2.2 結蠟規律研究

2.2.1 運行時間對結蠟速率的影響

圖4為流速為0.6 m/s條件下結蠟速率隨運行時間變化的關系圖。從圖4中可以看出，開始運行時的結蠟速率最大，當運行時間到達8 h時，固平27-16井、固平23-27井和固平22-40井3個蠟樣的結蠟速率從開始的 96.33、87.68、153.71g/(m2·h)降低至27.45、30.65、41.03 g/(m2·h)，結蠟速率分別減小了72%、57%、73%，且前8 h內結蠟速率較快。另外，3個蠟樣的變化規律相似，結蠟速率隨著運行時間的延長越來越小，15 h后結蠟速率基本趨于穩定[12]。這是因為在運行剛開始，管壁上沒有沉積出來蠟，油溫與外界溫差較大，直接傳熱，所以結蠟速率最大，但隨著時間的延長，管壁上沉積了一層蠟，而這層蠟阻礙了外界與原油之間的熱傳遞，使原油溫度與運行初期溫度相比，原油的溫度逐漸升高，管壁溫差逐漸縮小，導致蠟沉積速率越來越小，而當原油與管壁間達到穩定傳熱后，結蠟速率就達到穩定狀態，再加上蠟沉積層厚度增加，油流對其的沖刷作用也在增強，所以出現了結蠟速率穩定的狀態。

2.2.2 溫度對結蠟速率的影響

圖5為流速0.3 m/s、管壁溫差5℃條件下結蠟速率隨油溫變化的關系圖。從圖5中可以看出，3個井的蠟樣在油溫接近析蠟點時結蠟速率最大，而當油溫接近析蠟點的較高溫度、或接近凝點的較低溫度時，結蠟速率較低，而兩者之間是一個蠟沉積較為嚴重的溫度區域。原油溫度在20～25℃時為結蠟高峰區。由以上蠟樣組成分析可知，3個蠟樣的含蠟量都相對較高，分別為55.32%、63.35%、64.08%，瀝青質含量較少，膠質含量較高。一般情況下，膠質在井筒不發生沉積，但會隨油流被沖刷掉。隨著溫度的升高，蠟樣黏度下降。結蠟速率隨著原油溫度的不斷降低而增加，油溫降至結蠟高溫峰點之后，結蠟速率隨著原油溫度的降低而減小。

2.2.3 流速對結蠟速率的影響

圖4 運行時間與結蠟速率的關系圖

圖5 油溫與結蠟速率關系圖

圖6 流速與結蠟速率關系圖

圖6為運行時間4 h下結蠟速率隨流速變化的關系圖。由圖6可以看出，當流速為0.15 m/s時，固平27-16井、固平23-27井和固平22-40三個蠟樣的結蠟速率分別為52.14、56.57、85.55 g/(m2·h)，隨著流速的增大，結蠟速率越來越小。流速超過0.75 m/s后，三個蠟樣的結蠟速率基本穩定，此時結蠟速率為29.47、35.23、54.13 g/(m2·h)，分別減小了44%、38%、37%。這是因為：隨著流速的增大，所產生的蠟對管壁沖刷作用增強，使油不易沉積在管壁上；流速大，管內熱損失小，油流在管道中能保持較高的溫度，油流和管壁的溫差使得蠟向管壁的擴散速率減慢，結蠟速率減小。因為流動狀態為層流，所以當流速增大到一定程度時，結蠟速率基本趨于穩定。

2.3 灰色關聯研究結蠟各影響因素的權重

以上研究，探討了影響油井結蠟的內因和外因，由于油井結蠟是一個極其復雜的過程，使人們對結蠟的認識一直以現場經驗為主，缺乏理論指導。而灰色理論認為，任何隨機過程都是在一定幅值范圍和一定時區內變化的灰色量，其隨機過程為灰色過程。盡管客觀系統復雜多變，數據離散零亂，但它總是有整體功能，必然有某種內在的聯系存在。灰色理論建立的數學模型屬于連續的微分模型，利用這一模型可對系統的發展變化進行全面的分析觀察，并做出長期預測[13-15]。

根據各影響因素幾何曲線變化趨勢的相似程度來判斷該因素與結蠟速率之間的關系是否密切，即影響程度的大小。曲線的形狀越接近，說明兩者的關系越密切，即該因素的影響程度越大，反之越小。相似程度用關聯系數和關聯度描述，關聯度描述了各因素對結果的影響程度，關聯度越大，影響程度越大[14]。

將析蠟溫度、流速、含蠟量和膠質、瀝青質含量等因素按照上述進行灰色關聯分析，得到結蠟速率與上述因素的關聯度，分析結果見表3。由表3可知，影響油井結蠟的因素權重依此是溫度、流速、含蠟量和膠質、瀝青質含量。

表3 灰關聯因素分析

3 結論

通過研究，可以得出以下結論：

1）長6蠟含量為62.50%，且同一口井不同深度下的蠟樣組成接近。

2）結蠟速率隨著運行時間的延長、流速的增大會越來越小，隨原油溫度的升高而減小；當油溫降至結蠟高溫峰點之后，結蠟速率隨著原油溫度的降低而減小。

3）通過灰色關聯分析，得出影響油井結蠟的因素權重依此是溫度、流速、含蠟量和膠質、瀝青質含量。

參考文獻：

[1]宋佳芳,王 偉,高樹昌.臨南油田油井結蠟機理的研究與防治[J].今日科苑,2009(18):72.

[2]陳濤平.石油工程[M].北京:石油工業出版社,2004:134-135.

[3]張 樂,屈撐囤,李金靈.油井結蠟與防治技術研究[J].廣州化工,2015,43(16):60-62.

[4]陽 興,田長亮.淺談油井結蠟機理及清防蠟技術[J].科技創新與應用,2004(1):76.

[5]彭向明,向明杰.油井結蠟機理及清防蠟技術在靖安油田的研究應用[J].石油化工應用,2007,26(4):40-43.

[6]段效威.油井出蠟機理和油井清蠟技術初探[J].科技創新與應用,2013(27):89.

[7]陳 巍.油井結蠟機理及確定油井合理清蠟點方法[J].科學技術,2011(17):266.

[8]王鴻勛,張 琪.采油工藝原理[M].北京:石油工業出版社,1989:318-319.

[9]伍鴻飛,敬加強,靳文博,等.原油族組成及碳數分布對其低溫流動特性的影響[J].油氣儲運,2014,33(1):42-45.

[10]Newbery M E,Addison G E,Barker K W.Paraffin control in the northern michigan niagaran reef tread[R].SPE Produc?tion Engineering12320-PA,1986:9-11.

[11]Woo G T,Garbis S J,Gray T C.Long-term control of paraffin deposition[A].Housten:Society ofPetroleum Engineers,1984:16-19.

[12]金 偉,楊 斌.熱油管道的結蠟與清蠟[J].廣西輕工業,2009(7):23-24.

[13]趙景茂,左 禹,張金坦.用灰色關聯分析法研究氣井腐蝕的影響因素[J].北京化工大學學報,2001,28(3):39-42.

[14]盧會霞,屈撐囤,卜紹峰.中原油田注入水腐蝕因素及控制研究[J].腐蝕與防護,2004,25(6):263-266.

[15]方 華,華大利,李雙林,等.三元復合驅采出液對20#鋼腐蝕的主要影響因素[J].油氣田地面工程,2009,28(12):31-32.