伊朗Y油田轻质油沥青质沉积的预测分析

关键词： 岩石 储层 沥青

在油气开采过程中, 原油沥青质在储层岩石表面上的吸附会导致润湿性从亲水向亲油方向的改变, 从而造成储层岩石的油相相对渗透率下降[1]。在一定热力学条件下, 沥青质会在岩石孔隙表面发生沉积, 导致有机垢的生成, 从而堵塞一部分储层孔喉, 造成储层的绝对渗透率下降。油田生产过程中由于沥青质沉淀造成的危害, 近十余年在国外已受到广泛重视, 是研究的热点问题之一[2,3]。沥青质沉淀对石油生产的危害主要表现在:在石油开采与运输过程中, 沥青质等重组分的沉积, 既可能产生于油藏和井筒中, 又可能生成在分离器、油泵、管道、换热器、油罐等设备中。原油在管道中流动, 随着温度和压力的下降, 沥青质沉积在管道底部, 严重影响了管道的输油效率。即使轻微的沥青质沉积也会使生产操作变得困难, 降低生产运行效率, 沉积严重时会导致油井报废或管道堵塞。为了防止管道堵塞, 必须加入沥青质清除剂或进行清管操作, 使生产维修费用大幅提高[4], 并严重影响了管道的正常运行。

一、伊朗Y油田储层特性分析 (Iran Y oilfield reservoir property analysis)

根据Y油田早期钻探的取心井的岩心样品水平方向和垂直方向分析结果, 如下表1所示:

上表为S层308块岩心样品, F层66块岩心样品水平方向分析结果 (表1) , 根据碳酸盐岩储层分类标准 (表2) , S层和F层均属于中低孔、低渗储层。

从Y油田早期钻探的井中获得主力油层S层和F层一些地面原油基本数据, 见表3:

地面原油性质分析结果表明, 相同区块不同层组之间地面原油性质差异较大, 而相同层组不同区块之间地面原油性质相近。S油层为重质油, 具有高粘度、低凝固点、含硫高、含蜡、含沥青质的油藏特点;F油层为轻质油, 具有低粘度、低凝固点、含硫、高含蜡、含沥青质的油藏特点。结果显示在F油藏中沥青质沉淀的几率要大于S油藏。

二、沥青质沉积预测分析 (Analysis and prediction of asphaltene deposition)

要对原油中沥青质的沉积采取有效的预防措施, 首先需清楚三个问题, 即原油中沥青质发生沉积的原因, 条件以及是否足以造成伤害。

本文对Y油田原油进行了物性分析, 应用了SARA组成分析方法, 粘度法和热力学模型及对沥青质的沉积问题进行了预测。

1. 物性分析 (Physical property analysis)

目前公认的沥青质的定义[5]是原油中不溶于低级正构烷烃 (n C5~n C7) 而溶于芳香烃 (苯、甲苯、二甲苯等) 的一类有机化合物。沥青质是一种主要由碳、氢元素组成, 同时含有氮、氧、硫等非金属元素及少量镍、钒、铁等金属元素组成的结构复杂的有机化合物, 其分子结构和分子量等均不确定。胶质是室温下溶于正构烷烃、苯和甲苯而不溶于乙酸乙酯的原油组分, 其分子比沥青质小得多[6]。在正常的油藏条件下, 胶质—沥青质—原油处于一种动平衡状态。但当原油体系温度、压力或原油各组分含量及酸碱度发生变化时, 将会导致该动态平衡被破坏, 从而产生沥青质的沉淀, 所以储层温度、压力下降、混相驱或CO2驱或酸化作业等均可能导致沥青质絮凝和沉积[7]。

根据流体成分, 可得出原油和C7组分的原子重量, 所有成分的摩尔数等。由上表可见, F层的C1 (甲烷) 的含量远高于S层, F层的C7+含量较S层低。

2. 原油中沥青质、胶质、芳香烃和饱和烃含量测定 (SARA) (SARA test of crude oil)

沥青质是原油中易溶于芳香类化合物而不溶于低分子烷烃的有机混合物, 因此原油的组成和芳香度影响沥青质的沉积。

Newberry等人[8]提出了一种SARA方法来确定原油发生沥青质沉积的可能性, 其中S表示原油中饱和烃 (saturates) 的含量, 第一个A表示芳香烃 (aromatics) 含量, R表示胶质 (resins) 含量, 第二个A表示沥青质 (asphaltenes) 含量。先用下式计算胶体不稳定指数CI:

CI=[w (饱和烃) +w (沥青质) ]/[w (胶质) +w (芳香烃) ] (1)

式中w为各组分在原油中的质量分数。如果CI≥0.9, 则这种原油易发生沥青质沉积。其原理如下:

沥青质沉积主要取决于体系的热力学状态即温度、压力和原油组成。在组成上, 原油的胶溶性即保持沥青质处于稳定的悬浮状态的能力, 取决于原油中石蜡、芳香烃和胶质的相对含量。Mclean等人[9]的实验结果表明, 当原油的芳香度低于40%时, 沥青质就会以聚集体或颗粒形式析出并沉积。胶质与沥青质的质量比越小, 沥青质沉积的可能性越大。随压力下降, 在泡点压力附近沥青质沉积量出现最大值。油藏的欠饱和程度越大, 油藏原油中沥青质沉积的可能性越大。中轻质原油虽然沥青质含量很低, 但由于胶质含量也低, 发生沥青质沉积的可能性有时可能大于重质原油。

由计算得知CI=1.92≥0.9, 原油的芳香度为29.1%低于40%, 沥青质就会以聚集体或颗粒形式析出并沉积, 因此Y油田油藏易发生沥青质沉积。

3. 沥青质的絮凝 (Asphaltene flocculation)

Leontaritis等人[10]指出, 沥青质在沉积之前首先发生絮凝, 当吸附在沥青质表面的胶质被溶解后, 带电的极性沥青质分子就会通过静电作用聚集在一起, 形成絮凝体, 随着絮凝体不断增加, 形成大的空间胶体, 由于絮凝的沥青质带有正电荷和极性, 极易吸附在带负电的岩石矿物表面, 因此会在岩石表面形成沉积。当原油中沥青质在储层中发生絮凝时, 某些大尺寸的沥青质微粒便首先在孔喉处沉积下来, 其它较小尺寸的微粒则随流体一起运移, 当运移至与其尺寸相匹配的孔喉处, 便会再次沉积下来, 从而堵塞储层孔隙喉道, 降低储层渗透率。

原油从油藏流向井底, 再上升至地面的过程中, 压力不断下降。在此过程中原油中轻烃组分体积增加较多, 胶质不断被溶解, 从而使沥青质溶解度降低, 沉积量增加。在压力低于泡点压力以后, 随压力进一步下降, 轻烃组分以气体的形式散出, 正烷烃的浓度降低, 沥青质溶解度增加, 沉积量减少。因此, 沥青质开始沉积总是发生在压力高出泡点时, 在泡点压力附近沉积量最大。油藏的欠饱和程度越大, 轻烃组分膨胀趋势越大, 沥青质发生沉积的可能性和沉积量也就越大[11~13]。

实验得出沥青质的絮凝初始压力为6139psi, 当压力达到3780psi左右, 沥青质沉积量达到最大。

4. 热力学模型 (Thermodynamic model)

假设沥青为单一拟组分, 我们把沥青质的沉淀的相态做为一个固相基本模型, 我们基于液-固相守恒定律来研究沥青质沉淀的行为。则沥青质的逸度[14,15,16]为:

fa, fa*---分别相应于压力P和P*的纯沥青相的逸度 (k Pa) ;

Va---沥青相的摩尔体积 (m3/kmol) .

R---通用气体常数 (8, 314 k Pa m3/kmol K) .

T---温度 (K) .

利用这个公式, 我们计算了各层的沥青质沉淀的初始温度和压力:

通过热力学模型计算出S层与F层沥青质沉积的初始压力分别为5000psi左右和6000psi左右。

三、结论 (Conclusions)

原油中沥青质的沉积是采油过程中储层损害的主要原因之一, 它对储层的损害形式包括孔喉堵塞、润湿反转和微粒运移等, 最终导致岩石绝对渗透率和油相有效渗透率下降, 原油流动阻力增大, 油井产能降低。本文对伊朗Y油田的沥青质的预测和分析为将来正式投产做一个保障, 并由此制定出正确可行的操作规范和消除方法来预防此类问题发生。

(1) 针对Y油田所进行的对于沥青质的预测分析, 通过SARA法测试计算结果表明, Y油田会面临很大的沥青质絮凝和沉积的危险。

(2) 实验得出沥青质的絮凝初始压力为6139psi, 当压力达到3780psi左右, 沥青质沉积量达到最大。通过热力学模型计算出S层与F层沥青质沉积的初始压力分别为5000psi左右和6000psi左右。

(3) 沥青质的絮凝和沉积主要是石油开采过程中温度、压力以及原油组分等热力学条件发生改变引起的。尽量将油藏的热力学状态控制在沥青质沉积的包络线以外, 是预防这类损害的有效途径。

(4) 沥青质沉积析出造成的储层损害是永久性的、不可逆的, 因此对原油中沥青质的絮凝和沉积采取有效的预防措施是至关重要的。生产过程中应注入适合的化学剂, 进行有效地预防或减缓沥青质的沉积。

摘要：生产过程中, 沥青质沉积对储层孔喉的堵塞和沥青质吸附引起的油藏岩石润湿性改变是造成储层伤害、导致油井产能下降的主要机理。两伊边界新投产的轻质油油田Y油田主力产层为中低孔低渗的碳酸盐岩储层, 本文基于Y油田的油藏地质和油藏流体数据, 采用粘度法测定了沥青质絮凝初始点, 利用热力学模型和SARA预测, 对自喷井生产过程中沥青质沉积进行了模拟分析, 得出了主力油层S层和F层生产过程中沥青质沉淀的条件。为Y油田的开发生产提供理论研究基础。

关键词：沥青质絮凝,沥青质沉淀,沥青质吸附,自喷井,储层损害

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