2017, Vol. 39
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2. 长江大学化学与环境工程学院, 湖北 荆州 434023;
3. 中国石油大学 (北京) 石油工程学院, 北京 昌平 102249
2. College of Chemistry and Environmental Engineering, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434023, China;
3. College of Petroleum Engineering, China University of Petmleum (Beijing), Changping, Beijing 102249, China
油气体系中沥青质沉积是目前石油工业界所面临的严峻问题，伴随着石油生产和加工的各个环节，在储层、井筒、集输管道以及加工设备中都会出现沥青质沉积现象[1-6]。中国石化海外某油田目前存在严重的沥青质井筒沉积现象，严重影响现场生产，研究和解决目前沥青质井筒沉积问题意义重大。
原油中胶质、沥青质—胶质为胶溶剂形成胶体溶于原油的芳烃中达到一种动态的平衡，由于温度、压力、原油组分的因素影响打破动态平衡，导致沥青质析出、缔合为絮状物而沉积下来，热力学是不可逆的[7-12]。沥青质分子缔合程度取决于原油的组成、温度以及压力系统。当温度、压力、组成改变时，沥青质会析出，溶解的沥青质可以通过与带杂原子的官能团反应而吸附在亲水表面，因此，沥青质在井筒中的沉积过程通常是沥青质首先析出，然后形成聚集，最后黏结在管柱表面[13-20]
本文主要针对中国石化海外某油田沥青质井筒沉积，结合油井生产影响因素，采用压差法，应用高温高压实验装置研究温度、油气比、流速等生产参数对沥青质析出的影响。其研究有利于深入了解各影响因素对沥青质析出的影响规律，调节生产参数控制沥青质析出，稳定油井正常生产。
1 实验 1.1 实验样品因地域原因，无法直接使用现场原油进行实验，根据原油四组分测试数据 (饱和烃49.01%，芳烃为20.79%，胶质3.46%，沥青质1.49%)，采取当地原油与油田现场某井油嘴处沥青质沉积物配制而成。
实验所用原油为加拿大阿尔伯塔省Pembina油田原油，22℃条件下黏度为10.30 mPa$\cdot$s，密度为0.847 g/cm$^3$，原油分子量为225.0 g/mol，沥青质含量为0.48%。
配制合成油中添加的沥青质为某油田油井油嘴处沥青质沉积物，沉积物4组分分析：饱和烃8.40%，芳烃为13.45%，胶质4.20%，沥青质50.00%。沥青沉积物和甲苯按照质量比1：3配制成沥青甲苯混合物，然后沥青甲苯混合物和Pembina原油按照质量比1：25配制成合成油，合成油中沥青质含量为0.94%。合成油与易析出沥青质原油性质接近。
油气比为1 298.5 scf/stb (1 scf/stb=0.178 m$^3$/m$^3$)，模拟气依照对应油井伴生气的测试化验资料配制，配制所用的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷由加拿大Praxair公司生产，油井伴生气测试化验结果见表 1。
| 表1 油井伴生气测试化验结果 Table 1 Composition contents of associated gas of well |
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实验原理基于Hagen–Poiseuille公式
| $ \Delta p = \dfrac{{\, 8\mu _{\rm{o}} L\, Q_{\rm{o}} }}{{\rm{\pi } \, R^4 }} $ | (1) |
式中：$\Delta p$——管线和过滤器体系入口和出口压差，kPa；
$Q_{\rm{o}}$——流量，mL/min；
$\mu _{\rm{o}}$——含溶解气活油的黏度，mPa$\cdot$s；
$L$——管线长度，mm；
$R$——过滤器的有效半径，mm；实验过程中，$L$与$Q_{\rm{o}}$为常数。
根据式 (1)，$\Delta p$主要受到$\mu _{\rm{o}}$和$R$的影响。实验中自动泵推动活油流过管线和过滤器，系统压力由回压控制器控制。实验过程中逐步降低系统压力，观察并记录管线两端压差。当压力降到析出启动压力时，沥青质出现沉积，过滤器的流动通道会被沥青质颗粒堵塞，导致压降显著增加，这种变化可被压差传感器检测到，由此确定沥青质析出启动压力。
图 1为实验装置的原理图。
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| 图1 压差法实验装置原理图 Fig. 1 Schematic diagram of differential pressure method |
(1) 配制合成油
① 原油通过过滤器过滤；②沥青沉积物和甲苯按照质量比1：3配制成沥青甲苯混合物；③沥青甲苯混合物和原油按照质量比1：25配制成合成油；④合成油通过过滤器过滤。
(2) 配制混合气
① 参照油井伴生气的测试化验资料，根据CMG Winprop模块的计算，将甲烷，乙烷，丙烷，丁烷按照一定量分别取好放在各自中间容器里面；②将各气体集中注入一个中间容器组成混合气。
(3) 配制活油
① 按照实验设计的油气比准备好一定量的混合气和合成油，放于各自中间容器中；②将混合气注入合成油的中间容器；③升温加压并搅拌，让混合气彻底溶解。
1.3.2 实验流程(1) 根据油气比 (GOR) 制备活油；
(2) 按图 1所示，连接实验装置，加热绕管和过滤器到测试温度，并在每次测试之前设置回压；
(3) 使用微量注射泵在一定流速下驱替活油，同时通过压力传感器 (美国Ashcroft公司) 监测入口和出口的压力，记录其两端相应的表压。开始实验后，每次降低回压1 000 kPa，同时观测两端的压力变化情况，压降会出现一个先增加后降低的过程。在整个测试过程中，一定要等待稳定后记录压降的稳定值。
2 实验结果及讨论通过实验测定压力与压降的关系曲线，可以确定沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$和沥青质再溶解的临界压力$p_{\rm{red}}$，其中压降显著增加所对应的压力为沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$，而压降显著减小所对应的压力为沥青质再溶解的临界压力$p_{\rm{red}}$。
2.1 温度对沥青质析出的影响固定油气比为1 176.5 scf/stb、流速为0.1 cm$^3$/min，分别对温度为80，85，90，90，100，105，110，115，120℃时沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$进行测定，实验结果见表 2。
| 表2 不同温度沥青质析出压力ponset和沥青质再溶解的临界压力pred Table 2 The ponset and pred under the conditions of different temperatures |
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不同温度条件下，油气比为1176.6scf/stb时，当压力从62MPa下降到10MPa过程中，出口端压力与压差的关系如图 2$\sim$图 7所示。由图 2$\sim$图 4可知，温度低于100℃，流速为0.1cm$^3$/min时，压降产生明显变化，会出现一个显著增加到减小的过程，说明在此过程中原油中沥青质析出。
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| 图2 在T=80 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 2 Variation of pressure drop and pressure at 80 ℃ |
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| 图3 在T=90 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 3 Variation of pressure drop and pressure at 90 ℃ |
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| 图4 在T=100 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 4 Variation of pressure drop and pressure at 100 ℃ |
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| 图5 在T=105 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 5 Variation of pressure drop and pressure at 105 ℃ |
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| 图6 在T=110 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 6 Variation of pressure drop and pressure at 110 ℃ |
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| 图7 在T=120 ℃时压差与出口端压力的关系 Fig. 7 Variation of pressure drop and pressure at 120 ℃ |
由图 5$\sim$图 7可知，温度高于105℃后，流速、油气比均不变时，当压力从62 MPa下降到10 MPa过程中，压降没有明显变化，说明原油中沥青质不析出。由上述不同温度条件下的压降与压力的关系可得如下沥青质析出压力和再溶解的临界压力与温度的关系图 (图 8)。
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| 图8 沥青质析出压力和再溶解的临界压力与温度的关系 Fig. 8 The relationship between ponset, pred and temperatures |
由图 8可知，当油气比一定，沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$与温度成反比，温度越高，原油中沥青质的析出压力$p_{\rm{onset}}$越低，在实际生产的过程中，原油经过井筒达到地面，温度降低，因此升高温度有利于减小沥青质在井筒析出的风险；而沥青质再溶解的临界压力$p_{\rm{red}}$与温度成正比，这可能是由于泡点压力随温度变化的结果。
2.2 高温高压条件下油气比对沥青质析出的影响采用压差法对在温度为90℃下、流速为0.1 cm$^3$/min，油气比分别为840.7，986.7，1 176.5，1 259.8，1 389.9 scf/stb的沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$进行测定，实验结果见表 3。测得压降与压力大小的关系曲线，见图 9$\sim$图 11。
| 表3 不同油气比沥青质析出压力ponset和沥青质再溶解的临界压力pred Table 3 The ponset and pred under the conditions of different GOR |
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| 图9 油气比840.7 scf/stb时压差与出口端压力关系 Fig. 9 Variation of pressure drop and pressure at 840.7 scf/stb |
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| 图10 油气比1 176.5 scf/stb时压差与出口端压力关系 Fig. 10 Variation of pressure drop and pressure at 1 176.5 scf/stb |
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| 图11 油气比1 389.9 scf/stb时压差与出口端压力关系 Fig. 11 Variation of pressure drop and pressure at 1 389.9 scf/stb |
由图 9$\sim$图 11可知，温度90℃，流速为0.1 cm$^3$/min时，不同油气比条件下，当压力从62 MPa下降到10 MPa过程中，压降产生明显变化，会出现一个显著增加到减小的过程，说明在此过程中原油中沥青质析出。
不同油气比条件下对应的沥青质析出压力关系见图 12。由图 12可知，随着油气比增大，沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$升高，溶解气作为小分子烃类溶解到原油中后会打破原油沥青质的胶体溶液平衡，即原油中溶解气体量增加，沥青质沉积的趋势增大。
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| 图12 沥青质析出压力与油气比的关系 Fig. 12 The relationship between ponset and GOR |
温度为90℃、油气比为1 176.5 scf/stb，测定不同流速下的沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$，结果见表 4。测得压降与压力大小的关系曲线见图 13$\sim$图 15。
| 表4 不同流速下沥青质析出压力ponset和沥青质再溶解的临界压力pred Table 4 The ponset and pred under the conditions of different flow velocity |
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| 图13 流速0.05 cm3/min时压差与出口端压力关系 Fig. 13 Variation of pressure drop and pressure at 0.05 cm3/min |
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| 图14 流速0.10 cm3/min时压差与出口端压力关系 Fig. 14 Variation of pressure drop and pressure at 0.10 cm3/min |
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| 图15 流速0.15 cm3/min时压差与出口端压力关系 Fig. 15 Variation of pressure drop and pressure at 0.15 cm3/min |
由图 13$\sim$图 15可知，温度90℃，油气比为1 176.5 scf/stb时，不同流速条件下，当压力从62 MPa下降到10 MPa过程中，压降产生明显变化，说明在此过程中原油中沥青质析出。
不同注入流速下沥青质析出压力和沥青质再溶解的临界压力关系见图 16。由图 16可知，油气比和温度一定时，流速变化对沥青质的析出压力和再溶解压力几乎没有影响，实验中，无论注入流速多大，同一长度管道中的沥青质含量是一定的。但在实际生产的过程中，原油经过井筒达到地面，油气比和温度会发生变化，其均会对原油中沥青质的析出产生影响。
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| 图16 沥青质析出压力和再溶解的临界压力与注入流速的关系 Fig. 16 The relationship between ponset, pred and inject flow velocity |
（1）沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$与温度成反比，而沥青质再溶解临界压力$p_{\rm{red}}$与温度成正比。
（2）温度一定时，沥青质析出压力$p_{\rm{onset}}$随着油气比 (GOR) 增大而增大，即原油中溶解气体量大，沥青质沉积的趋势增大。
（3）油气比和温度一定时，流速变化对沥青质的析出压力和再溶解压力几乎没有影响。
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