安塞油田化學清防蠟工藝效果分析

賴南君，李俊，呂億明，劉中嶸，李敏，喬東宇，4，鄧嘉雯

（1 西南石油大學化學化工學院，四川成都610500；2 長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018；3 長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745000；4 中國石油西部鉆探工程技術研究院，新疆烏魯木齊830011）

在含蠟原油開采過程中，復雜油氣水三相流下的井筒蠟沉積問題愈發突出，是產能下降的一個重要影響因素[1-3]。油井蠟沉積過程復雜，受多種因素共同作用，目前國內外學者對不同流態下的蠟沉積機理和預測取得了眾多成果[4-7]。為清除或緩解蠟堵問題，國內外學者提出了清防蠟工藝，具有物理、化學和生物等方法，而由于化學清防蠟工藝的獨特優點使其在油田應用廣泛[8-10]。沉沒度、產液量和含水率是影響清防蠟工藝效果的重要因素，目前各油田不同區塊和開發時期選取的評價指標不盡相同，主要是單一指標評價法。王靜等[11]以清防蠟周期和增油量為指標對篩選的清防蠟菌種進行了研究分析；都芳蘭等[12]以壓力為指標研究了清防蠟工藝與沉沒度和產液量的關系；孫艷[13]通過計算長慶油田下5個區塊的管流摩阻，發現加入清防蠟劑后能夠降低耗能；張廷[14]通過清防蠟工藝應用前后的抽油桿載荷和油井結蠟周期分析了H區塊清防蠟劑的現場應用效果。

安塞油田的開發層系有長2、長6、延9 和延10 等，油層中深為1400～1600m，原油蠟含量為10%～20%（質量分數，下同），屬高含蠟原油，油井普遍存在結蠟現象。目前，年實施油井清防蠟作業數千井次，其中化學清防蠟劑主要有CQ-1、CQ-2、CQ-3 和CQ-4，現場作業人員一般根據抽油機電流、壓力、增油量和清防蠟周期判斷清防蠟工藝效果，存在準確度低和資源浪費的問題。受評價方法及現場生產因素限制，化學清防蠟工藝在安塞油田應用效果不明確。針對清防蠟工藝應用效果問題，許多學者將目光轉向原油和蠟的物性，都芳蘭等[15]研究了原油與井壁蠟組分，結果表明組分差距大；劉韻秋等[16]開展了油井上部和下部蠟樣研究，表明粗晶蠟和微晶蠟含量差別較大。

本文以安塞油田長6 層位為研究對象，分析4種油井化學清防蠟劑的現場應用效果。清防蠟劑通過井口連續加藥方式加入油套環空，清防蠟劑的加入濃度為150mg/L，3 天后在油井井口進行取樣工作，清防蠟工藝如圖1 所示。清防蠟工藝的應用導致原油組成發生改變，在結合清防蠟工藝作用機理的基礎上，通過油田現場井口采集原油樣品，系統分析清蠟防工藝應用前后原油族組成、蠟組分、析蠟點、黏度和溶蠟速率。油井結蠟是一個動態和靜態相結合的過程，清防蠟工藝效果是一個多目標問題。多目標模糊評價方法是多因素復雜系統優選評價的最常用方法之一[17-18]，通過確定評價指標，結合多目標評價方法建立了一種評價油井清防蠟工藝現場應用效果的方法，為復雜油井條件下清防蠟工藝應用效果提供了簡單有效的評價指標和方法。

圖1 清防蠟工藝示意圖

1 實驗材料和方法

1.1 材料

正庚烷、苯、甲苯、丙酮、石油醚（60～90℃）、中性氧化鋁（100～200 目）、二硫化碳、乙醇，成都市科隆化學品有限公司，分析純；油基清蠟劑CQ-1、水基清防蠟劑CQ-2、水基清防蠟劑CQ-3、乳液型清防蠟劑CQ-4，安塞油田提供；實驗油樣，安塞油田各油井井口取樣，每口油井取清防蠟工藝應用前和應用后的油樣；實驗蠟樣，從采集的原油中分離得到。4 種清防蠟劑各項指標見表1；取樣井號、油井清防蠟劑應用情況、日產液和含水率等資料見表2。

表1 清防蠟劑數據表

表2 油井數據表

CQ-1 型清防蠟劑是油基清蠟劑，其凝點低、低毒和安全，配方主要藥劑為芳香烴和飽和烴，以及少量滲透劑和高分子聚合物；CQ-2 型清防蠟劑是水基清防蠟劑，其凝點低、低毒和安全環保，配方主要藥劑為乙醇、非離子表面活性劑、增溶劑A和滲透劑B；CQ-3 型清防蠟劑是水基清防蠟劑，其凝點低、低毒和安全，配方主要藥劑為表面活性劑（吐溫、OP-10）和滲透劑X、增溶劑Y；CQ-4型清防蠟劑是乳液清防蠟劑（水包油型），其凝點低、低毒和安全環保，配方主要藥劑為苯及其他芳香烴、表面活性劑、石油醚和堿性物質。4種類型清防蠟劑結構穩定，不易分層或者產生沉淀物質，滿足密度、閃點和凝點的使用要求，且不含有機氯和二硫化碳等有毒物質。

18 口試驗油井的開發層位均為長6，開采深度、方式和原油性質相似。WY 作業區的6 口油井蠟堵嚴重，結合油井前期清防蠟劑的應用情況和油基清蠟劑在清除蠟堵上的優勢，因此應用CQ-1油基清蠟劑。WQ和HLM作業區的原油蠟含量較高和含水率適中，需要清蠟和防蠟相結合以保證油井產量，且前期一直應用水基清防蠟劑，因此分別應用CQ-2 和CQ-3 水基清防蠟劑。PQ 作業區的油井含水率較高且原油含蠟量較高，油基和水基清防蠟劑的應用受到限制，CQ-4 乳液型清防蠟劑的結構穩定，具有清蠟和防蠟效果，因此選用CQ-4乳液型清防蠟劑。

1.2 分析測試儀器

蠟含量測定儀，DYH-210B型，大連雨禾石油儀器有限公司；氣相色譜-質譜聯用儀，SQI 型，美國Thermo Fisher 公司；熱分析儀，DSC823 型，瑞士梅特勒-托利多公司；黏度計，DV-Ⅲ型，美國Brookfiled 公司；玻璃吸附柱，成都市科隆化學品有限公司。

1.3 實驗方法

由表2可知，原油樣品含水率均大于0.5%，在實驗前需將原油進行脫水和預處理，使其組成均一19]。采用的方法為水浴密閉加熱至80℃，恒溫2h，自然冷卻至室溫，陰暗處存放48h以上。

1.3.1 原油中蠟、膠質、瀝青質含量

按照SY/T 7550—2012《原油中蠟、膠質、瀝青質含量的測定》[20]規定的方法測定原油族組成。采用冷凍結晶法測定蠟含量，甲苯回流法測定瀝青質含量，差減法計算膠質含量。蠟含量變化率由清防蠟工藝前后原油的蠟含量計算得到。

1.3.2 蠟組分

采用GC-MS 分析蠟的碳數分布，溶劑為二硫化碳。色譜質譜接口最高溫度400℃，離子源最高溫度350℃，柱箱最高操作溫度450℃。柱溫60℃，恒溫5min，然后以5℃/min 的速率升溫，載氣為氦氣，進樣量為0.2μL。

1.3.3 析蠟點

按照SY/T 0545—2012《原油析蠟熱特性參數的測定-差示掃描量熱法》[21]規定的方法測試原油的析蠟點。稱取處理后的原油樣品4～8mg于試樣皿中，從40℃升溫到90℃，恒溫1min，然后降溫至-30℃，記錄DSC 曲線，由DSC 曲線得到原油析蠟點。析蠟點變化率由清防蠟工藝前后原油的析蠟點計算得到。

1.3.4 黏度

按照SY/T 0520—2008《原油黏度測定-旋轉黏度計平衡法》[22]規定的方法測定原油的黏度。將原油在黏度計的恒溫系統中保持20～30min，溫度為50℃，剪切速率為7.34s-1，接下來進行測試和讀數。降黏率由清防蠟工藝前后原油的黏度計算得到。

1.3.5 溶蠟速率

按照SY/T 6300—2009《采油用清、防蠟劑技術條件》[23]規定的方法測定清防蠟劑的溶蠟速率。測定規定質量的蠟球在清防蠟劑中的溶解時間，計算得到清防蠟劑的溶蠟速率。

2 實驗結果與討論

2.1 原油族組成

長6層位18口油井的原油族組成實驗結果如表3所示。化學清防蠟劑的成分為溶蠟性能較好的化學溶劑和其他助劑，具有溶解蠟晶的作用，將沉積在管壁上的蠟溶解或者剝離下來，抑制蠟晶的聚集和沉積，然后隨流體流出，達到緩解蠟沉積的目的[24-25]。實驗結果表明清防蠟工藝后原油中蠟含量高于工藝前原油中蠟含量；瀝青質含量低；膠質和瀝青質含量呈無規律變化。清防蠟工藝后原油中蠟含量的增加反映了井筒中蠟沉積量的降低，表明清防蠟劑清除或減緩了油井蠟堵問題。

2.2 蠟組分

原油組成測試結果表明清防蠟工藝應用后原油中蠟含量升高，這必然導致蠟的碳數發生改變[26]。將4種清防蠟劑作用后的蠟進行碳數分布測試，實驗蠟樣從原油中分離而得，包含化學清防蠟工藝前和工藝后的蠟樣。蠟的碳數分布測試結果見圖2。清防蠟工藝前后蠟的碳數變化幅度如表4所示。

從圖2 和表4 得蠟的碳數變化情況：清防蠟工藝應用后，C16～C30的質量分數下降，C30以上的質量分數增加；蠟的碳數主要分布在C20～C35。蠟組分碳數變化幅度不同是由于清防蠟劑的適應性及油井條件導致。油井生產過程中的蠟是多種物質的混合物，其熔點為復雜混合物熔點的宏觀體現。高碳數的蠟分子因其飽和度較低，會先于低碳數蠟分子結晶析出，因此原油中烷烴的熔點隨蠟的碳數增高而上升。隨著油井中原油向井口運移，井筒內溫度和壓力不斷降低，熔點較高的高碳數蠟會首先結晶析出，形成結晶中心，隨后其他碳數的蠟也會不斷結晶析出。4種清防蠟工藝通過溶解井筒內壁的蠟或者抑制蠟的析出和結晶，致使清防蠟工藝應用后C30以上的含量升高，C16～C30的含量降低。客觀上，C30以上含量的升高導致蠟質變軟而易于清理。

表3 原油組分測試結果表

表4 清防蠟工藝前后蠟組分碳數變化表

2.3 蠟含量

基于原油組分（蠟、膠質和瀝青質）的測試結果，即清防蠟工藝后原油中蠟含量高于工藝前原油中蠟含量，因此進行了蠟含量變化率的計算。

圖2 清防蠟工藝應用前后蠟樣的碳數分布

蠟含量變化率實驗結果如表5示。清防蠟工藝前原油的蠟含量分布在5%～12%，清防蠟工藝后原油的蠟含量分布在9%～17%；原油平均蠟含量變化率為22.99%，CQ-1的蠟含量變化率最大。油基清蠟劑CQ-1 對井筒內壁的蠟有著良好的溶解能力，溶解的蠟隨井筒內流體運移到井口，所以清防蠟工藝應用后原油的蠟含量高于工藝應用前原油中的蠟含量。清防蠟劑CQ-2、CQ-3 和CQ-4，一是對井筒內壁已經沉積的蠟有溶解作用，二是抑制蠟晶的析出、聚集與沉積和在井筒內壁創造不利于蠟沉積的環境，溶解井筒內壁的蠟和結晶的蠟隨井筒內流體運移到井口，因此清防蠟工藝應用后蠟含量增加。清防蠟工藝后原油中蠟含量的增加反映了井筒中蠟沉積量的降低，受清防蠟工藝、原油性質及現場生產條件等的影響，由原油中蠟含量計算得到的蠟含量變化率存在大小差異，表現為化學清防蠟工藝的現場應用效果差異，因此蠟含量變化率可作為評價指標。

表5 蠟含量測試結果表

2.4 析蠟點

析蠟點在DSC 曲線上是開始偏離基線形成放熱峰時對應的起始溫度，基于原油組分的分析結果可知清防蠟工藝應用后原油中的蠟、膠質和瀝青質含量發生了變化，這必然造成析蠟點的變化[27]。析蠟點測試結果如表6所示，清防蠟工藝前原油析蠟點分布在32～38℃，清防蠟工藝后原油析蠟點分布在31～35℃；原油平均析蠟點變化率為2.86%，CQ-1 工藝的析蠟點變化率最大。化學清防蠟工藝應用前原油的析蠟點大于化學清防蠟工藝應用后原油的析蠟點，主要原因是：一般情況下原油中蠟含量越高其析蠟點越大，雖然化學清防蠟工藝應用后原油中蠟含量增加，但是化學藥劑既對沉積的蠟晶有溶解作用，也能夠抑制蠟晶的析出和沉積，所以化學藥劑降低了原油的析蠟點。因此，析蠟點變化率可作為評價指標。

表6 析蠟點測試結果表

2.5 黏度

黏度是評價油井內原油流動性的重要參數，黏度與原油烴類組成密切相關[28-29]。表7 是降黏率測試結果，清防蠟工藝應用后原油黏度均下降，由于各油井沉沒度、清防蠟工藝、產油量和含水率等不同，因此降黏率不同，降黏率可作為評價指標。清防蠟工藝前原油黏度分布在5～31mPa·s，清防蠟工藝前原油黏度分布在3～15mPa·s，主要原因是清防蠟劑能夠抑制蠟和瀝青質等形成網絡結構。

2.6 溶蠟速率

CQ-1、CQ-2、CQ-3 和CQ-4 為化學藥劑，溶蠟速率是其性能的一個重要指標。在45℃條件下測試了清防蠟劑針對不同蠟樣的溶蠟速率，實驗結果如表8 所示。除CQ-3 外，其他清防蠟劑的溶蠟速率均大于或等于標準中規定的0.0160g/min，清防蠟劑CQ-2的平均溶蠟速率最大，針對13#油井蠟樣的溶蠟速率最高為0.0516g/min，CQ-3針對16#油井蠟樣的溶蠟速率最低為0.0054g/min，這是因為清防蠟劑的適應性和油井蠟的碳數各不相同，因此溶蠟速率可作為評價指標。

表7 黏度測試結果表

表8 溶蠟速率測試表

2.7 工藝效果綜合分析

油井清防蠟是一個動態和靜態相結合的過程，清防蠟工藝現場應用效果是一個多目標問題，因此需要綜合分析[30-31]。由于4 種化學清防蠟工藝在不同指標各有優勢，以溶蠟速率、蠟含量變化率、析蠟點變化率和降黏率為評價指標，結合多指標評價方法建立了評價體系，通過設定各項指標的權值等對化學清防蠟工藝現場應用效果進行綜合分析。

對于單項指標Xj（1≤j≤4）和工藝Ai（1≤i≤4），令該指標的平均水平為Xji，則工藝集Aji在單項指標Xj中的平均水平為-Xj。為消除不同單項指標之間的數值差，則工藝Ai在單項指標中Xj的實際表現如式(1)所示。

式中，Xji為指標的平均水平，量綱為1；-Xj為工藝集Aji在單項指標Xj中的平均水平，量綱為1；Kji為比平均值，即工藝Ai在單項指標中Xj的實際表現值，量綱為1。

由于不同評價指標評價的取向不同，分為越大越優型和越小越優型兩種。本實驗中的蠟含量變化率、降黏率、析蠟點變化率和溶蠟速率均為越大越優型指標。為消除不同指標之間的極限差別，進行綜合分析，工藝Ai的得分如式(2)所示。

式中，K'ji為評價指標分值，量綱為1。

K'ji落在（-1,1）之間。接著對K'ji進一步歸一化處理，使之處于（0,1）之間，最后結合多目標模糊評價方法分析工藝效果。

2.7.1 評價指標

以蠟含量變化率為例，取不同清防蠟工藝的蠟含量變化率為單位指標值，具體數據如表9。同一清防蠟工藝的單位指標值的平均值X1i計算方式如式(3)所示。

式中，S1i，S2i，???，Sni分別為各工藝的蠟含量變化率，量綱為1；X1i為同一清防蠟工藝的單位指標值的平均值，量綱為1；n 為數據個數，量綱為1。

接著計算所有清防蠟工藝的單位指標平均值之和，再求平均值作為該指標的定量評價標準，如式(4)。

表9 各清防蠟工藝的蠟含量變化率數據表

蠟含量變化率指標平均值X1i與評價標準間的比值，即該工藝在蠟含量變化率上的定量評價指標比平均值，如式(5)。

將所得的比平均值轉化成帶有正負號，可在不同參數間比較的加減評分數，如式(6)。

將所得的蠟含量變化率評分數進行歸一化處理，如式(7)，由此可得蠟含量變化率評價指標值，如表10所示。

式中，Xnorm為單位指標值經歸一化處理后的值，量綱為1；Xmax為各工藝蠟含量變化率的最大值，量綱為1；Xmin為各工藝蠟含量變化率的最小值，量綱為1。

表10 各清防蠟工藝的蠟含量變化率評價指標評價表

應用同樣的方法得到降黏率、溶蠟速率和析蠟點變化率的參數表。

表11、表12 分別為各清防蠟工藝的降黏率數據表與降黏率評價指標評價表，表13、表14 分別為各清防蠟工藝的溶蠟速率數據表與溶蠟速率評價指標評價表，表15、表16 分別為各清防蠟工藝的析蠟點變化率數據表與析蠟點變化率評價指標評價表。

表11 各清防蠟工藝的降黏率數據表

表12 各清防蠟工藝的降黏率評價指標評價表

表13 各清防蠟工藝的溶蠟速率數據表

表14 各清防蠟工藝的溶蠟速率評價指標評價表

表15 各清防蠟工藝的析蠟點變化率數據表

2.7.2 綜合評價

設多目標評價問題的工藝集為A＝(A1,A2,A3,A4)，目標集為X=(X1,X2,X3,X4），則4種工藝對4個評價指標的決策特征值矩陣如式(8)所示。

將式(8)中各指標按越大越優進行歸一化處理，轉化為各指標相對于優的相對隸屬度，按照越大越優型指標計算，如式(9)。

式中，K″ji為工藝i 第j 個評價指標的相對隸屬度，量綱為1；為工藝i 第j 個評價指標的最小值，量綱為1；為工藝i 第j 個評價指標的最大值，量綱為1。

對式(8)進行歸一化轉化為相應的隸屬度矩陣，結合熵的性質，定義工藝i的第j個評價指標的熵，如式(10)所示。

假定當fji=0時，fjilnfji=0，k=-1/ln4。第j個評價指標的權重如式(12)所示。

式中，Hj為工藝i的第j個評價指標的熵，量綱為1；fji為工藝i 的第j 個評價指標常數，量綱為1；k 為常數，量綱為1；wj為評價指標的權重，量綱為1。

根據權重的性質，評價對象的熵與其權重成反比，熵越大，權重越小，且滿足1≤wj≤1，各權重之和為1；各評價工藝在評價指標Xj上的值完全相同時，熵值為最大值1，權重為0。通過4個指標權重的確定并進行綜合比較，其中每個清防蠟工藝Ai的得分為Xi與對應權重wj的乘積之和，結果如表17所示。

表17 清防蠟工藝綜合評價結果

總得分是清防蠟工藝在4 個指標上的綜合體現，分值越大表示效果越好。4種清防蠟工藝的綜合應用效果排序為：CQ-1＞CQ-2＞CQ-3＞CQ-4。在油井清防蠟問題上，基本思路為：以防為主、以清為輔、清防結合。對于高含蠟原油的油井，其結蠟嚴重且沉積物質硬，最直接有效的方法是加入油基清蠟劑，此方法能夠快速解決一定時期內的蠟堵問題；但在油井穩產方面，防蠟是一項長期工作。因為CQ-1型清防蠟劑是油基清蠟劑，芳香烴和飽和烴是其主要成分，溶蠟能力強，能夠較好地解決蠟堵問題；CQ-2 型清防蠟劑是水基清防蠟劑，主要藥劑為乙醇、非離子表面活性劑、增溶劑A和滲透劑B，在抑制蠟分子結晶和改善潤濕性兩方面效果較好。計算結果與目前安塞油田應用工藝的方向基本一致，說明此綜合分析的方法是合理的，可對化學清防蠟工藝的綜合表現做出判斷。

2.8 評價方法分析

油田現場常用油井結蠟周期或清防蠟周期、產量和電流判斷清防蠟工藝的效果，但常規指標易受油井出砂或結垢等因素影響，導致清防蠟工藝效果不明確。

清防蠟工藝應用后油井生產數據見表18，通過與表2對比可得經過4種油井化學清防蠟劑的處理，各油井的日產液和日產油數據變化無規律。一般情況下，油井產液量是評價清防蠟工藝效果的一個重要指標，因為清防蠟工藝清除或減緩了油井蠟堵，增大了流通面積，因此產液量增加。生產實踐中，由于油井出砂等其他非正常生產因素而導致產液量變化無規律。清防蠟工藝應用前后油井結蠟情況如表19 所示，清防蠟工藝能夠降低油井的結蠟速度并延長結蠟周期，但是效果較差。清防蠟工藝應用前后的負載電流如表20 所示，清防蠟工藝作用后多數油井的負載電流呈下降趨勢，降低了能耗，減少了開采成本；但6#、15#和17#油井的負載電流增加，因此負載電流無法定性或定量分析清防蠟工藝效果。

表18 清防蠟工藝應用后油井生產數據

通過原油和蠟的物性分析結果可知，原油中的瀝青質含量、膠質含量以及蠟組分難以定量分析清防蠟工藝的現場應用效果。針對蠟含量這一指標，清防蠟工藝應用后原油中蠟含量呈上升趨勢，應用CQ-1 清蠟劑的油井其平均蠟含量變化率最大，CQ-4 最小；主要是因為CQ-1 清蠟劑對蠟晶有著良好的溶解能力，蠟堵嚴重的油井應用CQ-1清蠟劑會取得較好的效果，能夠增加原油流通面積。對于析蠟點而言，清防蠟工藝應用后原油析蠟點呈下降趨勢，平均析蠟點變化率最大的油井應用的是CQ-1清蠟劑，CQ-4清防蠟劑的平均析蠟點變化率最小；CQ-1 成分中烴類物質能夠增大蠟晶的溶解度，高分子聚合物具有與蠟結構相似的鏈節，在冷卻過程中與蠟形成共晶，從而抑制蠟晶的聚集和沉積。針對黏度這一指標，應用CQ-2清防蠟劑的油井其平均降黏率最大，CQ-4 最小；主要原因是CQ-2 清防蠟劑中的表面活性劑等物質能夠抑制蠟和瀝青等雜質形成三維網絡結構，原油流動性較差的油井應用CQ-2 清防蠟劑能夠改善原油流動性，降低設備的能耗。針對溶蠟速率這一指標，CQ-2清防蠟劑的平均溶蠟速率最大，可以較快地溶解已經沉積的蠟；CQ-3清防蠟劑的平均溶蠟速率最小，其不適用于產液量較大且結蠟嚴重的油井。

表19 清防蠟工藝應用前后的結蠟情況

表20 清防蠟工藝應用前后的負載電流

綜上，清防蠟工藝在不同評價指標上表現各異，單一指標能夠解決一項特定的結蠟問題；但油井清防蠟效果是一個多目標問題，需要結合多個指標進行全面評價分析。

3 結論

（1）清防蠟工藝應用后井口產出液蠟含量上升，表明清防蠟工藝有效抑制了油井內蠟的沉積，原油平均蠟含量變化率為22.99%，其中CQ-1工藝的蠟含量變化率最大；清防蠟工藝應用后井口產出液析蠟點降低，原油平均析蠟點變化率為2.86%，其中CQ-1工藝的析蠟點變化率最大。

（2）4種清防蠟工藝應用后蠟組成中C30以上的百分含量升高，C16～C30的百分含量降低，這使得油井內壁蠟質變軟而易于清理。

（3）清防蠟劑能夠抑制原油內物質形成三維網狀結構，清防蠟工藝后原油黏度降低；清防蠟劑的蠟速率均大于或等于標準中規定的0.0160g/min。

（4）各清防蠟工藝在不同評價指標上各有優勢，4 個評價指標能夠反映清防蠟工藝的應用效果，4種油井化學清防蠟工藝中CQ-1工藝和CQ-2工藝的綜合應用效果表現較好，較為適用于目前油井清防蠟作業；計算結果與目前安塞油田應用油井化學清防蠟工藝的方向相吻合，準確性較高，根據結果可以優化清防蠟工藝；此方法具有較強的可參考性，適用于其他油田油井化學清防蠟工藝效果評價。