張叢迪

(中石化西北油田分公司 雅克拉采氣廠,新疆 庫車 842017)

結蠟是指石蠟或蠟分子在地層、井筒、集輸管線以及處理裝置流動過程中析出和聚集,致使流體開采受阻。油井生產過程中結蠟是由于地層產出流體的原油中含有蠟。一般儲層為高溫高壓環(huán)境,原油中蠟質成分是可以完全溶解在原油中。當油藏開采后,儲層流體向地面流動的過程中,溫度和壓力逐漸降低,原油中溶解的蠟質組分會隨之逐漸析出,凝結在油管壁、套管壁、抽油泵和其他生產設備上,形成結蠟現象[1]。

沉積、凝結在不同位置,對生產的影響方式各異,但是最終結果都是影響了油井產量。在油管壁上結蠟,會使油管平面流通面積減小,導致原油舉升阻力增加,使生產井產量下降;在抽油桿上結蠟會使抽油機的懸點載荷有所增加,若在油管壁上同時也存在結蠟情況,這種交變載荷會增加抽油桿斷脫的風險,更為嚴重的情況就會導致抽油泵的蠟卡;若在抽油泵的進出閥位置出現結蠟情況,就會導致泵的運行阻力增加,泵效下降;若結蠟現象是在地層中出現的,則地層結蠟周圍孔隙度和滲透率就會降低,流體流動阻力上升,致使油井產量降低或者停產。油井在生產過程中結蠟是影響油井和區(qū)塊正常開發(fā)的一個突出問題,因而有必要對原油結蠟機理和影響因素進行分析,了解結蠟的主控因素,再結合各個油田實際生產情況,才能夠提出針對性的防治對策。

1 結蠟的機理

原油中一般都含有石蠟成分,石蠟成分一般可分為三類:粗晶蠟、微晶蠟和非晶蠟,主要是根據其組成來區(qū)分,C16～C30之間的直鏈烷烴組成的為粗晶蠟,熔點約為50 ℃左右,而由C30+組成的為微晶蠟,一般是由支鏈烷烴和環(huán)烷烴形成的,其分子量相對較高,熔點也更高,可達90 ℃左右。在地層的高溫、高壓環(huán)境中,石蠟一般是溶解狀態(tài),也就是說石蠟在地層高溫高壓條件下是以液體狀態(tài)存在的,當油氣開始開采,地層流體經歷從地層向井底、從井底向井口的流動過程,在此過程中,流體中輕質組分逐漸逸出并帶走一部分熱量,地層流體在流出過程中壓力、溫度、組分不斷變化,致使原油對石蠟可溶解量降低,原本溶解于石油中的石蠟開始析出,并沉積、凝結在油管壁、套管壁等設備上,形成結蠟或蠟堵[2-3]。實際生產過程中析出、凝結的蠟并不是純白色晶體,而是與其他井流物組成的混合物,包括膠質瀝青質、泥沙顆粒等[4]。

2 結蠟影響因素分析

結蠟的根本原因是原油對蠟的可溶解量下降,致使超過可溶解量部分的石蠟不斷析出,而溫度、原油組分的不斷變化是導致原油溶解能力降低的主要原因,諸多影響因素可分為內部、外部兩大方面,下面對各類因素進行分析。

2.1 內部因素

2.1.1 原油組分

在溫度一致的條件下,輕質組分較多的原油對蠟的可溶解量大于重質組分較多的原油。原油中所含有的輕質組分越多,蠟的析出溫度也就越低,也就是說石蠟析出就較為困難,石蠟的可溶解量也就越大。對比輕質油和重質油,在可溶解量相同時,重質組分較多的原油的析蠟溫度會高于輕質組分較多的原油,隨著溫度的降低,重質組分較多的原油會率先析出石蠟。

2.1.2 溶解氣

地層流體在采出過程中,當原油壓力始終保持在飽和壓力之上時,這種未飽和原油隨著壓力的降低,氣體是不會從原油中逸出的,石蠟的起始析蠟溫度是隨著壓力的降低而降低的;當原油壓力始終保持在飽和壓力之下時,這種飽和原油隨著壓力降低,氣體會不斷從原油中逸出,原油對石蠟的可溶解量也會不斷降低,因而相對的起始析蠟溫度就會提高,壓力越低,氣體逸出的程度就越高,析出的蠟就越多,積聚、堵塞情況出現得越頻繁[5]。這主要是由于壓力降低前期分離出來的是輕質氣體,如甲烷、乙烷等,隨著壓力不斷降低,后期分離出來的氣體重質組分較多,隨著氣體被不斷分離出來,原油中的重質組分含量不斷升高,因此,在壓力持續(xù)降低后期,析蠟溫度相對較高,而且氣體從原油中逸出時,會吸收一部分熱量,使原油的溫度有一定降低,最終導致蠟的析出和凝結。

2.1.3 膠質、瀝青質

膠質和瀝青質成分在原油中所占比例對石蠟析出也有一定影響。原油中膠質含量增加時,由于膠質作為表面活性物質,能夠吸附于石蠟晶體表面,這就增加了石蠟結晶的難度,而瀝青質是膠質的進一步聚合物,不溶于油,以一種極小的微粒分散在原油當中,對石蠟晶體有一定的分散作用,對生產有正面作用;而如果析出、凝結的石蠟中含有膠質和瀝青質時,所結蠟的硬度較常規(guī)結蠟硬度會高一些,很難被地層流體沖刷攜帶出來,比常規(guī)清蠟難度會大一些。原油中的膠質和瀝青質成分對石蠟的析出有好壞兩方面作用,石蠟未析出時,可抑制石蠟的析出;而混合在已析出的石蠟中時,會使結蠟硬度提高,增加清蠟難度。

2.1.4 機械雜質

石蠟在一定條件下從原油中析出后,會以原油中的細小顆?；驒C械雜質為中心,進行聚集和結晶,對于石蠟析出后的聚集和擴大具有促進作用,相對來說加速了結蠟的過程。但蠟結晶的析出主要取決于原油自身的物理化學性質,機械雜質的多少對于析蠟點的影響較小,僅是可以起到連接蠟晶的作用,石蠟析出后,相比無機械雜質的原油來說,在有機械雜質的原油中所凝結的蠟晶更大一些,在采出流體中,蠟晶間的碰撞和摩擦會導致采出流體黏度增加。所以在實際生產過程中,要結合采出流體性質安排合理工作制度,防止地層出砂導致結蠟情況加劇和原油黏度增加[6]。

2.1.5 原油pH值

酸化和壓裂技術是目前油田較為常用的改善儲層物性和增產增注的技術手段,而在措施過程中,地面所配置的工作液物性與儲層流體物性是有一定差異的,會導致地層流體的pH值變化,儲層酸化后,所使用的酸化液一段時間內會使采出流體的pH值降低;儲層壓裂后,壓裂液在一段時間內會讓采出流體的pH值升高。因為酸液的加入對于原油的物理化學性質影響較小,所以對于原油析蠟點幾乎沒有影響;而在堿性環(huán)境中,原油中一些脂肪酸與堿反應生成脂肪酸鈉,脂肪酸鈉有著較強的極性,具有表面活性作用,在這種環(huán)境下是不利于蠟晶的聚集和凝結,所以原油的析蠟點和黏度都會有一定降低[7]。原油特別是含水原油的開采過程中,偏堿性工作液在一定程度上可以降低原油黏度和減緩結蠟現象。

2.1.6 礦化度

若采出流體的礦化度高一些,流體內的離子含量也相對多一些,而這些離子的電荷會影響到石蠟析出后的聚集,所以礦化度較高的流體中,析蠟情況會有所改善[8]。針對這一情況,在區(qū)塊開發(fā)后期,結合配伍性和結蠟情況綜合分析后,可嘗試通過控制礦化度來改善結蠟情況。

2.2 外部因素

2.2.1 溫度

評價析蠟的一個指標就是析蠟溫度,因此溫度對原油中石蠟的析出和凝結都有較大影響。流體從儲層采出的過程中,溫度不斷降低,石蠟在原油中的可溶解量會不斷降低,多余的石蠟就會結晶析出,由于井筒舉升過程中溫度、壓力變化較大,因此這種情況主要發(fā)生在井筒中。

無論原油的黏度、組分、雜質含量等差異如何,隨著溫度的降低,對蠟的可溶解量都會呈降低趨勢,降低的程度則與原油的性質有關。在高溫環(huán)境溶解到原油中的石蠟,隨著溫度降低,可溶解量下降,多溶解的那部分石蠟就會析出。原油開采過程中,在地層中溫度較高,在向地面流動過程中,溫度開始不斷降低,在井筒舉升環(huán)節(jié)溫度變化較大,油管和地面設備中溫度更低,在此過程中,低于析蠟溫度后,蠟分子就會逐漸從原油中析出,積聚一定量后就會形成蠟堵[9]。此外,隨著油藏的持續(xù)開發(fā),溫度壓力變化后,采出原油的組分也有一定差異,而受溫度、壓力、組分影響,原油的析蠟溫度也會發(fā)生改變,當析蠟溫度降低時,石蠟不易析出,開發(fā)過程中需溫度降到析蠟溫度以下才會開始析出;當析蠟溫度升高,即原油重質組分占比增加,石蠟析出就相對容易,開發(fā)過程中特別是井筒舉升過程中就會析出、凝結,出現結蠟情況。

2.2.2 壓力

油藏原始壓力較高,開發(fā)初期地層至井口節(jié)點處壓力相對較高,在壓力高于飽和壓力的條件下,隨著流體采出,原油的析蠟溫度會有一定降低,溶解氣不會逸出,因此降幅有限;開發(fā)中后期,地層壓力保持程度下降,開采過程中,當壓力低于飽和壓力時,原油中氣體開始逸出,原油中輕質組分被分離帶走,原油的性質也會隨之發(fā)生改變,使得原油的溶解能力降低,蠟分子會更易析出。最終在管道和設備中造成堵塞。

2.2.3 流速

通過總結現場生產情況可知,產量較高的井結蠟情況比產量低的井會好一些。高產對應供給較強,壓力較高,生產過程中脫氣量會低一些,起始析蠟溫度相對較低,井筒流體流速快,舉升過程中紊流狀態(tài)占比較大,因此雷諾數較大,井筒中熱損失小,石蠟析出較為困難。油管中高速的油流對于油管壁還有沖刷作用,會將未完全凝結的蠟晶體沖刷、攜帶出井筒,但如果原油流速過高,管道壁上的剪應力增大,又會導致管道壁侵蝕和損壞;如果管道中原油流速較低,流動狀態(tài)更接近層流,雷諾數較小,管道壁上的剪應力減小,導致蠟析出后在管道壁上聚集沉積[10]。因此雷諾數越小,結蠟情況更為嚴重一些,在生產過程中,制定合理工作制度,將流速控制在合理區(qū)間,既要避免低流速結蠟影響,又要避免高流速下對管道的損壞。

2.2.4 含水量

地層采出液中含水量的大小對結蠟也有一定影響。若采出液中含水量增加,由于水的比熱容大于油的,可減緩流體溫度的降低趨勢,使降低至析蠟溫度的時間有所延長,增加無析蠟生產時間。采出流體含水量增加,可在油管壁上形成連續(xù)水膜,使石蠟析出后不易附著沉積在油管壁上。隨著產出流體含水量的增加,結蠟情況會有所緩解,特別是當采出流體含水量達到高含水水平后,采出過程中就形成水包油的狀態(tài),石蠟析出后不易凝結,也不易沉積在附有水膜的油管壁上,因此可以減緩井筒的結蠟情況。在低含水時,由于水中鹽類析出凝結在油管、套管壁上,增加了管壁的粗糙程度,這些部位就會成為石蠟沉積、凝結的有利部位。

2.2.5 油管表面粗糙程度

油管壁、套管壁的粗糙程度對結蠟情況也有一定影響。若管壁粗糙,原油中析出的石蠟就易在粗糙部位沉積并逐漸積累,結蠟情況逐漸加重,若管壁光滑,則析出的蠟沉積就較為困難。因此技術研究人員在進行隨鉆分析過程中,結合鄰井資料,對儲層物性進行判斷,若認為投產后結蠟會明顯影響油井正常生產,就可將普通油管替換為石墨烯涂層防蠟油管,來降低生產中結蠟帶來的影響。

2.2.6 管壁親水/油性

管壁表面親水性越強,原油中水分子就會在管壁上聚集得越多,形成連續(xù)水膜,越不容易結蠟;若為中性或親油性,則會使析出的蠟分子較容易在管壁上附著、聚集、結蠟,影響正常生產。

2.2.7 管線設計

如果管線設計沒有針對含蠟原油進行優(yōu)化,就易發(fā)生蠟沉積。其中影響結蠟的設計因素包括管徑、管道坡度、加熱系統、保溫等。產量一定的情況下,如果管徑過小,原油的流速就會增加,導致管壁的侵蝕和損壞;如果管道的坡度未針對含蠟原油進行過優(yōu)化,在坡度較低的部位,原油的流速就會變緩,易在管壁發(fā)生結蠟情況;如果加熱系統作用不明顯,管道中原油溫度下降,蠟也會析出。

2.2.8 油壁溫差

生產方式的不同,地層采出流體溫度和油管壁溫度也有一定差異,而這種溫度差異也對結蠟有一定影響。若采出流體溫度高于油管壁溫度,隨著溫度差的增大,蠟的沉積速度和結蠟程度會持續(xù)增加,當溫度差足夠大時,原油甚至會在標定的析蠟溫度以上就開始析蠟并沉積。這種溫差的增大,會使油管內平面上的溫度梯度變大,因此提高了蠟分子的擴散能力,蠟的析出和沉積在這種環(huán)境下是會增強的;若采出流體溫度低于油管壁溫度,在濃度梯度的作用下,析出的蠟分子會向低溫處移動,即流體中心處,并被流體攜帶出井筒,在這種情況下,即使流體溫度低于析蠟溫度,油管壁面也幾乎不會出現結蠟情況[11]。但在實際生產過程中,采出流體溫度一般是高于油管壁溫度的。

2.2.9 生產時間

隨著生產時間的增加,即使采取各類清蠟防治措施,在油管壁上附著的蠟也是在緩慢增厚的[12]。但隨著生產時間的增加,蠟分子的沉積速率則會有一定減弱,其原因在于隨著壁面蠟沉積厚度的增加,相當于給地層流體增加了“保溫層”,地層流體采出過程中,在壁面增厚部位與外界的換熱阻力會變大,流體熱量損失會減小,而結蠟表面與流體之間的溫差就減小了,致使石蠟沉積速度有一定降低。

3 結語

原油結蠟的根本原因是原油對蠟的溶解能力降低,主要原因是溫度和流體組分的變化,次要原因是壓力、流速、溶解氣等因素的變化。機械雜質在原油中可被當作結蠟中心,但結蠟主要取決于原油自身的物理化學性質,所以機械雜質的影響較小。原油在管道中的流速是可控的,因此對于流速問題導致結蠟嚴重的油井,可通過優(yōu)化采速來減緩石蠟在油管壁上的沉積。

不同油田的地層物性、原油物性都有差異,所采取的開發(fā)方式也不盡相同,因此在出現結蠟現象后,應根據實際生產情況結合結蠟各影響因素進行綜合分析,通過對油井結蠟原理及其影響因素進行綜述,能夠為解決實際結蠟問題的分析提供參考,明確油井結蠟的主控因素,因地制宜采取相適應的防治措施,提高油田的經濟效益。