原油瀝青質沉積抑制及解堵技術研究進展

秦 冰，趙 琳，江建林

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

在原油開采、運輸和后處理過程中，瀝青質容易析出并發生沉淀，導致油井、管道部分堵塞，嚴重時可能導致油層孔喉堵塞、油井封死，造成采收率降低甚至無法繼續采出原油。世界范圍內原油瀝青質沉積問題多有發生，美國、加拿大、委內瑞拉、科威特、墨西哥、挪威等都曾出現較嚴重的瀝青質沉積問題[1-3]。國內原油瀝青質沉積問題主要出現在塔河、遼河、勝利、塔里木等油田。本課題針對瀝青質沉積抑制技術和瀝青質沉積解堵技術進行調研，分析各項技術的原理、優缺點及未來發展趨勢。

1 瀝青質沉積抑制技術

瀝青質沉積抑制技術主要包括調整生產參數和加入化學抑制劑。

1.1 調整生產參數

通過控制生產壓降、調節流體流速、進行隔熱及控制熱量損失等方法，在一定程度上可以抑制瀝青質沉積[4]。

1.1.1 控制生產壓降壓力下降是油井中瀝青質沉積的原因之一。控制生產壓降，盡量使原油流動體系處于較穩定狀態，在一定程度上可以抑制瀝青質析出。Vargas等[5]研究認為：在泡點壓力之上，當壓力降低時，瀝青質分子在油中的溶解度因密度降低而降低；在泡點壓力之下，當壓力降低時，輕質組分從油中釋放出來，液相中重組分的含量相對增加，導致膠質、瀝青質的溶解度增大，使瀝青質不易析出。2019年，Marzieh等[6]通過數值模擬研究了生產參數對瀝青質沉積的影響，認為在泡點壓力附近瀝青質膠體體系處于不穩定狀態。如果儲層壓力高于泡點壓力，早期的高產量生產可以使壓力迅速遠離泡點壓力；如果儲層壓力低于泡點壓力，則可以維持合理的低產量，使井筒壓力遠離泡點壓力。瀝青質沉積相包絡線圖是預測或診斷瀝青質沉積的工具之一，油井生產應該盡量維持在沉積包絡線之外的區域[3]。

1.1.2 調節流體流速Jonathan等[7]認為，液體流動的雷諾數較小時，隨流量增加，瀝青質沉積量減小，而在臨界雷諾數之后，液體處于紊流狀態，流量增加會導致沉積量增加。2018年，Li Xingxun等[8]通過可視化毛細管試驗，發現較高的剪切速率會導致毛細管流中瀝青質沉積物的快速增長，在較高流量下，隨著時間推移形成較大粒徑的瀝青質沉積物，顆粒數量減少。Mahdi等[9]研究了節流閥尺寸對垂直油井內流體熱力學參數的影響，發現在最佳節流閥尺寸下可以減少瀝青質沉積量，而且在改變管柱內的熱力學條件時，可以改變其生產過程中的沉積位置。

1.1.3 隔熱及控制熱量損失瀝青質的溶解度隨溫度的升高而增大。當溫度降低時，瀝青質溶解度降低，析出幾率變大[10]。2017年，Gharbi等[11]研究認為，使用絕緣環可以避免熱量損失過大，盡量保持流體溫度恒定，可以預防瀝青質因溫度突降而產生沉積，但該方法操作復雜，其應用受到限制。

1.2 化學抑制劑

原油膠體體系的穩定性取決于瀝青質分子聚集的難易程度，添加適宜的化學劑可以阻止瀝青質聚集體的進一步聚集，改善原油的膠體穩定性和流動能力，從而有效抑制瀝青質沉積。化學抑制劑主要包括天然脂肪酸類有機物、含苯環的表面活性物質、植物油類或油品加工產物、離子液體和金屬氧化物納米粒子等。

1.2.1 天然脂肪酸類有機物2019年，Hessah等[12]研究了天然脂肪酸作為瀝青質沉積抑制劑的作用效果。椰子油和安第羅巴油能夠延遲瀝青質的沉淀起始點，其主要作用機理是與瀝青質分子發生酸堿反應，以及通過脂肪族側鏈引起空間位阻效應。該類藥劑對環境無害，但使用濃度一般較高。Mohammad等[13]對水楊酸、鄰苯二甲酸、壬基酚、菲、苯甲酸等幾種藥劑抑制瀝青質沉積的效果進行了評價，結果發現水楊酸的抑制效果較好，可以減少34%的瀝青質沉積量，主要通過π—π鍵作用和酸堿作用抑制瀝青質沉積。

1.2.2 含苯環的表面活性物質2017年，Amir等[14]將不同類型的含苯環表面活性物質抑制劑按不同加入量與伊朗原油均勻混合，緩慢加入正庚烷促使瀝青質析出，并測定混合油樣的黏度，得到黏度突然升高時(定義為瀝青質析出點)對應的正庚烷體積分數，用于表征其抑制瀝青質沉積性能。他們分別研究了線性十二烷基苯磺酸鈉(L-DBSA)、椰酰胺二乙醇胺(CDEA)、支鏈十二烷基苯磺酸鈉(B-DBSA)和甲苯4種抑制劑(前三者的分子結構式見圖1)對抑制伊朗原油瀝青質沉積的影響，試驗結果見圖2。由圖2可知，在抑制劑質量分數為2%時，4種含苯環表面活性物質的抑制瀝青質沉積性能由高到低的順序為：L-DBSA>CDEA>B-DBSA>甲苯。

圖1 3種含苯環表面活性物質的分子結構式

圖2 不同含苯環表面活性物質對抑制伊朗原油瀝青質沉積的影響■—甲苯； ■—L-DBSA； ■—B-DBSA； ■—CDEA

2018年，Mehdi等[15]研究發現十二烷基硫酸鈉(SDS)具有一定的抑制瀝青質沉積的作用。Ibrahim等[16]認為含苯環的表面活性物質具有兩親性，通過阻止瀝青質聚集體進一步自聚而減少瀝青質的沉積量。抑制劑苯環結構中羥基(—OH)和羧基(—COOH)的存在增強了對瀝青質沉積的抑制能力。Hashmi[17]和Firoozabadi[18]等認為雖然一些非離子表面活性劑不能溶解瀝青質，但是可以在較低的使用濃度下有效地穩定瀝青質懸浮液，抑制瀝青質顆粒的進一步聚集。Da等[19]認為非離子表面活性劑如乙氧基化醇/酚類化合物具有一定抑制瀝青質沉積的性能。

1.2.3 植物油類或油品加工產物Junior等[20]研究發現甜杏仁、椰子油、檀香等植物油溶于原油中，具有抑制瀝青質沉積的效果，而且成本較低。Moreira等[21]發現腰果殼油通過脫羧作用生成腰果酚，其結構為具有不飽和或飽和長碳鏈(—C15H25～31) 的單苯酚衍生物，包含飽和烴、單烯、雙烯和三烯等組分，在抑制瀝青質沉積方面具有一定的效果。Alkafeef等[22]研究認為，從Marrat原油中除去瀝青質和C5～C15餾分后的加工產物可以作為瀝青質沉積抑制劑，將其加入到原油中可預防瀝青質沉積。

1.2.4 離子液體近幾年，離子液體成為抑制瀝青質沉積的新研究方向。2019年，Bisweswar等[23]研究了高壓油藏混相注入二氧化碳過程中離子液體1-丁基-3-甲基咪唑溴化物對瀝青質的穩定作用，認為瀝青質中的芳香環與離子液體陽離子之間發生酸堿作用，而且Br-陰離子具有更高的空間位阻，可抑制瀝青質聚集體的進一步聚并，具有明顯的抑制瀝青質沉積的效果。

1.2.5 金屬氧化物納米粒子Mohammadi等[24]研究發現，金紅石納米顆粒(TiO2)能有效地改善酸性介質(pH<4)中瀝青質的穩定性，然而在堿性介質中，這些納米顆粒無法阻止瀝青質的沉積。2016年，Lu Teng等[25]發現氧化鋁納米顆粒可以抑制二氧化碳注入過程中瀝青質的沉積。2016年，Meneses等[26]發現氧化鋁納米顆粒含有較多的酸活性中心，可與瀝青質分子發生酸堿作用，在較低使用濃度下就能達到抑制瀝青質沉積的效果。2019年，Mohammad等[27]研究發現，二氧化硅納米粒子具有抑制瀝青質沉積的性能，相對滲透率試驗結果見圖3，其中Kro、Krw分別為油相相對滲透率和水相相對滲透率。由圖3可知：與初始狀態相比，瀝青質沉積后巖心的油相相對滲透率明顯下降，殘余油飽和度上升；使用二氧化硅納米流體處理后，油相相對滲透率曲線右移，有效滲透率提高，殘余油飽和度減小，對巖心的傷害程度減弱。

圖3 不同條件下巖心的相對滲透率曲線▲—Kro(處理后)； (處理后)； ●—Kro(沉積后)； (沉積后)； ■—Kro(初始)； ◆—Krw(初始)

2 瀝青質沉積解堵技術

清理部分或全部被瀝青質沉積物堵塞的瀝青質沉積井時，解堵技術主要包括機械法、化學法、熱力法、生物法、外力場以及復合解堵法等。

2.1 機械法解堵

機械法是目前較常見的清除瀝青質沉積的方法之一[28]，包括抽油桿刮削、鋼絲刮削、連續油管作業和強負壓解堵等方法。

2.1.1 抽油桿刮削抽油桿刮削是機械處理中使用較多的方法，將銑刀或刮蠟器安裝在井下容易沉積部位的油桿上，在抽油桿帶動下上、下運動，將井筒中的瀝青質沉積物刮離下來，并隨著油流帶出井筒。銑刀等切削工具可能會損壞管柱，工具尺寸受油井最小尺寸限制，一般只用于直管或無嚴重阻塞的油井，不適用于形狀不規則的井筒。Al-Yaari等[29]認為，清管效率和性能主要取決于清管頻率，清管頻率過快或過慢，都可能導致瀝青質沉積加速。Guo Boyan等[30]研制的智能清管器是新一代的清管器，用于遠程可視化控制和局部加熱。

2.1.2 鋼絲刮削鋼絲刮削是利用鋼絲帶動刮削器在井筒內上、下移動，刮削油管內的沉積物，剝離下的有機質隨著油流帶出井筒，一般用于沉積量較少的機抽井解堵中。鋼絲下放前可涂抹機油，以減少瀝青質在鋼絲上的吸附。鋼絲刮削可以用于清除井筒和管道內部的瀝青質沉積，然而該方法對長而硬的沉積物處理速度慢且效果不太理想[31]。

2.1.3 連續油管作業連續油管作業主要是使用水力爆破工具通過施加壓力注入液體沖刷瀝青質沉積物，使堵塞物松動、溶解或疲勞破碎并脫落[32]。該方法不需要起出油管，經過油套環空便可以建立液流循環，反排的液流通過地面的放空管線流入收集裝置中，其局限性在于解堵位置受限，當連續油管部署點和沉積點之間存在距離時，該方法不適用。

2.1.4 強負壓解堵使用強負壓解堵裝置對井筒及油層產生較大的瞬時排液能力，通過多次雙向抽吸水力震蕩，將井筒附近及近井地帶的堵塞物抽離出來，恢復油井的正常生產。該方法對機械雜質堵塞物的解堵效果更佳，一般用于稠油井注汽后存在機械雜質堵塞和瀝青質、石蠟堵塞的井。

2.2 化學法解堵

化學法解堵也是較常見的瀝青質解堵方式之一，一般通過加入有機溶劑、分散劑、離子液體等降低瀝青質沉積量，解除堵塞。

2.2.1 有機溶劑大多數瀝青質溶劑選用芳香族溶劑如苯、甲苯、二甲苯等，其中二甲苯是最常見的瀝青質解堵劑[33]，對瀝青質溶解效果較好。二甲苯對不同瀝青質沉積物的溶解能力，一般為10 mL二甲苯能溶解 1 g左右的瀝青質。二甲苯對瀝青質的溶解量小于硝基苯，二甲苯揮發性強于硝基苯，然而硝基苯的溶解速率明顯低于二甲苯。碳氫化合物溶劑因其閃點低而容易產生爆炸和火災等風險，因此其使用受到一定的限制[34]。

2.2.2 分散劑一些學者建議將抑制劑當作分散劑用于瀝青質沉積物的解堵作業。2019年，Jun Kuang等[35]認為常規瀝青質分散劑的分散性能與其防止瀝青質沉積的能力沒有直接關系。換言之，一種有效的瀝青質沉積抑制劑可能不是一種強的瀝青質分散劑。2019年，Ebtisam等[36]通過優選試驗研究，認為烴基石腦油溶液中加入酸性成分(4-DBSA和水楊酸)后可以有效分散瀝青質沉積物，使瀝青質聚集體的平均粒徑下降58%。認為這是由于π—π作用和弱范德華力，使得分散劑可以在原油中分散瀝青質。Hashmi[37]，Al-Sahhaf[38]，Rogel[39]等認為含苯環的一些表面活性物質具有一定的分散瀝青質沉積物的能力。

2.2.3 離子液體Zheng Ce等[40]合成了BTMPP、BEHP兩種離子液體(分子結構式見圖4)，將兩者在90 ℃下分別與瀝青質沉積物混合攪拌后的光學顯微鏡照片見圖5。由圖5可知，加入離子液體后瀝青質顆粒明顯變小，且比較均勻。通過有效溶解/懸浮瀝青質，可以對瀝青質沉積堵塞物進行解堵，從而替代有毒的芳烴。

圖4 兩種離子液體的分子結構式

圖5 經兩種離子液體處理前后瀝青質沉積物的光學顯微鏡照片

化學法解堵的缺點是某些溶劑或分散劑受到溫度和壓力的影響，作用效果減弱，此外，當瀝青質沉積物量較大時，需要較大量的瀝青質分散劑，而井筒中的接觸面積有限，這將影響分散劑的使用效果。

2.3 熱力法解堵

熱力法解堵措施主要包括流體(蒸汽和熱水/氣/油)注入、設置井下加熱器、加入放熱劑等，其目的是使固體沉積物溶解度增大，分散于油相中。熱力法的缺點是隨著溫度降低，固體顆粒可能再次沉淀，解堵效果受設備能力的限制，有時還會造成地層傷害[41]。

2.3.1 注熱油Bernadiner等[42]認為，往油井中注入熱油可以通過提高沉積物的溫度和溶解性來減少瀝青質沉積物，但如果沉積量較大時，作用效果并不理想，而且可能會產生地層傷害。該方法也可以用于解除蠟質堵塞，并在塔河油田進行了現場應用。

2.3.2 井下加熱器井下加熱器是一種連續熱源，可加熱井筒及近井地層，熔化井筒中的沉積物，也可用于高凝油的開發。20世紀中期，加拿大和美國的很多富含瀝青質的油井通過井下加熱器提高開采效果。Andrade Bruining等[43]在巴西北部的Camorim油田使用井下加熱器提供連續熱源，熔化井筒或油管中的瀝青質沉積物，然后將其與產出的原油一起泵送至地面。井下加熱器的維護成本較高，電力使用較復雜，其應用范圍受到一定的限制。

2.3.3 注入放熱劑將幾種化學物質注入井底，通過引發劑和控制劑使其在一定時間內發生化學反應，產生大量熱能，熔化已經析出的瀝青質、石蠟等有機堵塞物，提高流體的流動能力。化學反應中產生的氣體(如CO2或N2)，可以沖散堵塞物形成的“架橋”，提高解堵效果。放熱劑包括多羥基醛與三氧化鉻體系、過氧化氫與重金屬體系、亞硝酸鹽與銨鹽體系等。Zekri等[44]在油井中使用了放熱劑，用泵輸送氯化銨、硝酸鈉和緩沖液等混合物，緩沖液用于延遲放熱反應，直到流體攜帶大量的氮氣到達井底。該技術的成本較高，對操作安全性具有較高的要求。

2.4 生物法解堵

生物法解堵是利用厭氧/好氧細菌或微生物(如真菌)等通過生物降解的方法處理瀝青質沉積物，使瀝青質轉化為輕烴，從而達到解堵的目的[45]。相關文獻報道的不同生物法所使用的微生物類型、試驗條件及對瀝青質降解的效果對比如表1所示。采用細菌處理瀝青質沉積物可使其轉化為碳和其他組分(如H2O，CO2，N2O，SO2等)并釋放出能量。Almehaideb等[46]利用特殊的微生物對瀝青質沉積堵塞的巖心進行處理，結果顯示堵塞的巖心滲透率提高了54%。

表1 不同生物法所使用的微生物類型、試驗條件及對瀝青質降解的效果對比

生物法具有無毒性、不易燃等優點。但是也存在一些缺點，如微生物一般在高溫、重金屬含量較高的條件下穩定性較差；微生物作用過程緩慢且不易控制，易產生腐蝕現象。此外，還需提前評估使用生物法的風險。

2.5 外力場解堵

采用外力場(包括超聲波、磁力、微波和激光)處理瀝青質沉積物的方法見效快，但一般作用范圍有限，且解堵效果與設備參數的選擇有較大的關系。

2.5.1 超聲波作用超聲波產生的空化作用可以使稠油中的長鏈烷烴分子締合物以及瀝青質聚集體解締，破壞瀝青質堵塞物的空間網狀結構，使得稠油的流動性增強。超聲波解堵可用于油井和油藏瀝青質堵塞物的清洗[52]，穿透能力強，見效快。Kaushik等[53]利用超聲波作用對石油渣油進行處理，結果發現渣油中瀝青質質量分數由13.5%下降到7%，其黏度顯著降低。Shedid等[54]研究發現，超聲處理可以使原油中瀝青質聚集體的尺寸減小，使其分解成細小的顆粒，增加瀝青質在原油中的溶解度。針對因瀝青質沉積導致滲透率明顯下降的巖心，超聲波作用的時間間隔或頻率的增加可以明顯減小巖心滲透率的下降幅度。2016年，Salehzadeh等[55]通過試驗發現超聲波作用清除瀝青質的效果受時間、功率、頻率和輻射類型等因素影響。2018年，Abdolhossein等[56]認為，超聲波作用可以減少瀝青質聚集體的平均粒徑，但是根據瀝青質分子結構不同，超聲波作用時間存在一個最佳值，并非作用時間越長，平均粒徑越小。

2.5.2 磁力作用將強磁裝置安裝在井下，井筒內的油流向上舉升時受到磁場發生的洛侖磁力作用，可破壞瀝青質膠體聚集體，減少瀝青質在油管、抽油桿上面的沉積，流動阻力減小。2014年，Chen Jiang等[57]采用磁學技術和THz-TDS技術來改變石油渣油的特性，證實了磁場作用下瀝青質膠體顆粒的分解過程。安裝在井下的強磁裝置需要下到易沉積的井段，當斜井存在抽油桿和油管偏磨時，形成的鐵屑極易吸附在強磁裝置上。當鐵屑堆積量較大時，容易堵塞井筒，造成油井產量下降。

2.5.3 微波作用2018年，Jaber等[58]研究發現，微波輻射可以改變瀝青質沉積物的形態和結構(見圖6)，瀝青質團塊發生分裂、破碎，隨著微波輻射時間的增加，破碎后的粒子尺寸減小。微波輻射后瀝青質的電荷向陽極移動，極性減弱，瀝青質顆粒上的負電荷減少，使得瀝青質在巖石孔隙或井筒壁面的黏附力減小。用微波輻射對不同滲透率儲層巖性進行滲透率恢復試驗，巖心滲透率有一定的提高，瀝青質沉積量減小。此外，當微波和超聲波同時使用時，對瀝青質沉積物的分散效果更佳。

圖6 微波輻射前后瀝青質沉積物的形態

2.5.4 激光作用Abdulrazag 等[59]在不同的時間間隔內，使用不同的激光強度來處理瀝青質沉積引起滲透性損害的巖石，隨著激光強度的增加，滲透率恢復值增大。在激光強度為19 mW、處理時間為1 h時，可獲得最佳的滲透率恢復值。當處理時間大于2 h后，滲透率恢復值未出現明顯改變。

2.6 復合解堵技術

復合解堵技術是將不同解堵技術復合使用，兼顧各技術的優點，增強其解堵效果。例如使用熱力方法和化學方法相結合的熱化學方法，可以先用有機化學溶劑預沖洗以及浸泡沉積物，再通過加熱促使沉積物溶解、分散，從而提高解堵效果[60]。

3 結束語

(1)對于可能出現瀝青質沉積的油井或管道應先進行評估、預測，沉積風險較大的應提前做好沉積抑制工作，減小對儲層或井筒的傷害，保持常態化安全生產。

(2)瀝青質分子結構的復雜性以及聚集體形態的多變性，導致其抑制和解堵技術的多樣化，今后還需從膠體化學角度深入研究瀝青質結構、聚集/自締合作用、沉積機理等，對探索高效抑制和解堵技術、實現規模化工業應用具有非常重要的意義。

(3)在全球油價持續低迷的態勢下，降低生產成本成為目前較嚴峻的問題。在制定施工方案以及研發瀝青質沉積抑制劑時，應深入思考如何降低成本，使油田在保障安全生產的前提下實現經濟效益最大化。

(4)加強復合解堵技術的研究與應用，比如熱化學法、電化學生物法、超聲輔助化學法、水力振動輔助化學法等，充分提升解堵效果，增大作用區域，避免二次沉積。