高凝油流體特性研究

溫子輝，張 雁，呂紅磊，許 寧，常全夫

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶163000； 2. 大慶油田試油試采分公司，黑龍江 大慶163000）

高凝油流體特性研究

溫子輝1，張 雁2，呂紅磊2，許 寧1，常全夫1

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶163000； 2. 大慶油田試油試采分公司，黑龍江 大慶163000）

通過氣相色譜分析了大慶油田某區塊高凝油油樣的組成，按照相應方法測量了油樣的密度，凝固點，析蠟點和反常點，平均分子量等。使用HAKKE-RS150流變儀測量了剪切應力隨剪切速率的變化和粘度隨溫度的變化，根據以上結果對高凝油油樣的流變模式進行了分析研究。實驗結果表明，含碳量最高值出現在C22附近；溫度是影響高凝油的粘度的重要因素，其粘度與溫度的關系曲線出現兩個拐點；當溫度較低時，此時高凝油受到剪切其粘度會大幅降低；當溫度低于反常點時，3組油樣均呈現出非牛頓流體的特性，具體表現為剪切變稀性，可以在井筒中的合適深度安裝加熱裝置和剪切裝置，從而降低高凝油粘度使其保持良好流動性。

高凝油；組分分析；粘溫曲線；非牛頓流體

通常將凝點比較高的輕質高含蠟原油稱為高凝油[1]。大慶油田在虎林區塊發現了虎 1井等高凝油井，我國對高凝油藏的研究起步較晚，目前的試油求產方法和配套工藝技術對高凝油井試油求產還存在諸多不適應性，例如，對高凝油藏特性認識不清等。研究高凝油的物理性質及流變性能及溫度對高凝油粘度的影響，其結果對分析油層及井筒中原油流動性能及其對試油工作制度的影響及優化工藝配套技術具有重要的指導意義，對高凝油井試油求產方法的優選和制定高凝油藏的合理開采方式具有重要指導意義。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品與儀器

檢驗的油樣取自大慶油田某區塊的C井，S井和X井的脫水原油，分別記為A1，A2以及A3，每口井取2個油樣，記3組。

實驗儀器主要有HAKKE-RS150流變儀，氣相色譜儀，恒溫水浴鍋等。

1.2 高凝油物理性質檢驗

樣品組成測定方法：通過氣相色譜實驗[2]測定各油樣的碳數分布；

密度的測定方法：密度采用 GB/T 1884標準[3]進行測定；

凝固點的測定方法：凝固點采用 SY/T0541-94標準[4]進行測定；

原油析蠟點和反常點的測定方法：析蠟點和反常點采用SY/T0522-93標準[5]進行測定；

平均分子量的測定方法：平均分子量采用SH/T0169-92標準[6]進行測定；

1.3 高凝油的流變性能影響研究

用HAKKE-RS150流變儀測定3組油樣的流變性，包括剪切應力隨剪切速率的變化、粘度隨溫度的變化。

2 實驗結果分析

2.1 高凝油的物理特性

從表 1中看出高凝油油樣的碳數分布，A1與A2油樣的碳數最大值均為23，平均碳數為22左右；A3油樣的碳數最大值均為21，平均碳數為19左右；3組油樣的凝固點均高于30 ℃，最高達39 ℃；3組油樣的析蠟點分布，A1的析蠟點較高，在50 ℃以上；A2和A3油樣析蠟點在45 ℃附近；反常點的溫度介于凝固點和析蠟點之間，稍高于凝固點。高凝固點和高含蠟量是高凝油區別普通原油的特點，保證原油良好的流動性，即少析蠟、不凝固顯得尤為重要，因此應當采取措施提高原油溫度，使原油少析蠟易于流動，從而不堵塞井筒[7]。

表1 原油物性Table 1 Physical properties of crude oil

2.2 粘溫關系特征

圖1給出了A3在不同剪切速率下的粘溫曲線。由圖1可見，溫度是影響高凝油粘度的重要因素，其粘溫關系曲線呈現拋物線型。根據曲線斜率可以將粘溫曲線劃分為3段，分別是粘度突增區、粘度緩增區和粘度平衡區。

當溫度不同時，以三種剪切速率測量油樣的對應粘度，實驗結果分析和文獻調研可知[8]：當溫度處于析蠟點以上時對應粘度平衡區，溫度介于析蠟點和反常點之間是對應的是粘度緩增區，溫度低于反常點是對應粘度突增區。當原油溫度在析蠟點溫度以上時，原油中的蠟完全溶解，此時高凝油粘度變化比較穩定，粘度隨溫度變化不明顯，此時流體呈現出牛頓流體的特性；溫度介于析蠟點和反常點之間時，此時石蠟不能完全溶解在原油中，隨著溫度降低,石蠟逐漸析出,在原油中逐漸形成分散體系影響高凝油粘度，但原油仍然保持為連續相，高凝油仍然近似認為是牛頓流體；當原油溫度降到反常點以下時，隨著蠟晶不斷析出，這些高度分散的蠟晶不斷聚集，最終形成空間網狀結構[9]，原油中開始出現海綿狀凝膠體，液態烴表現為非連續相，只有當外加剪切力超過原油的極限切應力以后原油才會發生流動。當高凝油的溫度低于析蠟點時，蠟晶的析出會對原油粘度產生顯著影響，當高凝油的溫度低于反常點時，溫度不再是決定原油粘度的唯一因素，此時原油粘度由溫度和剪切速率兩個因素決定，開始表現出非牛頓流體的特性。

因此，為了防止高凝油開采過程中的石蠟析出，應采取措施使高凝油溫度一直處于析蠟點之上，井筒加熱方式可解決蠟晶析出堵塞井筒問題[10]。

圖1 A3在不同剪切速率下的粘溫關系曲線Fig.1 A3 viscosity-temperature curve under different shear rate

2.3 粘度與剪切速率關系研究

比較圖1中3種剪切速率下的粘溫關系曲線可知，只有當溫度較低時，剪切速率對高凝油的粘度變化影響較大。根據圖1中A3粘溫關系曲線可知，①當油樣溫度為32 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時，其粘度由260.9 mPa·s降至106 mPa·s，下降幅度度達59.37%；當油樣溫度為40 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時，其粘度由45.30 mPa·s降至31.50 mPa·s，下降幅度達30.46%，這表明，當溫度處于反常點以下時，高凝油呈現非牛頓流體特性即剪切稀釋效應，且溫度越低，粘度降低程度越大；②當油樣溫度為32 ℃，剪切速率由100 s-1增加至200 s-1時，其粘度將由260.9 mPa·s降至189.5 mPa·s，下降幅度僅為27.37%，說明剪切速率不是決定原油粘度的唯一因素，當剪切速率低于某一臨界值時，剪切速率的增大降粘效果明顯[11]，當剪切速率超過了某一臨界值時，增大剪切速率的降粘效果并不明顯，因此為了達到使高凝油的粘度降低到易于流動狀態時，從節約能源的角度出發：剪切速率達到某一臨界值時綜合效益最好；③當油樣溫度為60 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1時，其粘度由17.45 mPa·s降為14.5 mPa·s，下降幅度僅17.19%，這表明：當隨著溫度升高增加剪切速率的降粘效果逐漸下降，此時高凝油的粘度主要受兩個因素影響，即剪切速率和溫度。當溫度和剪切速率在某一個臨界值以內時，溫度越低，剪切速率越大，高凝油的粘度降低值越大，當溫度和剪切速率超過某個臨界值時，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐漸下降。

以此為理論基礎，在井筒的合適深度安裝井筒加熱裝置在抽油泵的抽油桿上適當安裝剪切裝置，利用加熱裝置使原油溫度保持在一定范圍和剪切器的適當剪切達到保持高凝油良好流動性的目的，進而實現高凝油油藏的合理、高效開采。

3 流變狀態分析

比較圖2中3個溫度下油樣剪切速率與剪切應力關系曲線，可知油樣在對應溫度下的流變特性。由實驗數據分析認識到：①當油樣溫度高于析蠟點溫度時，油樣的流變曲線表現為一條過原點的直線，油樣屬于牛頓流體[12]；②當油樣溫度低于析蠟點溫度而高于反常點溫度時，油樣的流變曲線為一條過原點的直線，油樣仍然屬于牛頓流體；③當油樣溫度低于反常點溫度時，3種油樣的流變曲線呈現出不同的曲線形態。根據圖2得到的A2油樣流變曲線形態可知，當溫度低于其反常點溫度時，A2油樣的剪切速率與剪切應力雖然仍然成正比關系，但是直線不過原點，油樣符合擬塑性流體[13]的流變模式。通過數學方程回歸剪切速率與剪切應力的關系曲線，可以得到油樣的本構方程，油樣在不用溫度下的流變狀態方程如表2所示。

圖2 A2油樣流變曲線Fig.2 A2 Sample rheological curve

表2 油樣本構方程Table 2 Constitutive equation of oil sample

4 結 論

（1）當高凝油處于剪切狀態下時，其粘度會大幅度降低。高凝油的粘度主要受兩個因素影響，即剪切速率和溫度。當溫度和剪切速率在某一個臨界值以內時，溫度越低，剪切速率越大，高凝油粘度降低值越大，當溫度和剪切速率超過某個臨界值時，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐漸下降。

（2）溫度對高凝油的粘度變化影響十分顯著，高凝油的粘溫曲線呈現出拋物線型。當溫度較低時其粘度較大，伴隨溫度的升高，粘度迅速下降，當溫度升高到析蠟點以上后，粘度即使溫度繼續上升粘度降低不明顯。

（3）在溫度較低的條件下，高凝油剪切降粘效果顯著，在溫度較高時，剪切降粘效果不顯著；當溫度低于反常點溫度時，高凝油為非牛頓流體，但是不同油樣流變曲線形狀不同，即本構方程不同，都能通過剪切達到降低高凝油粘度的目的。

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Study On High Pour-point Oil Flow Characteristics

WEN Zi-hui1, ZHANG Yan2, LV Hong-lei2, XV Ning1, CHANG Quan-fun1
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China; 2. Daqing Oilfield Company Oil Test and Production Test Branch, Heilongjiang Daqing 163000，China）

High pour-point oil sample from Daqing oil field was analyzed by gas chromatography. And density, freezing point, related point and abnormal point and average molecular weight of the sample were determined according to the relevant inspection standards. The viscosity-temperature curve and rheological curve of high pour-point oil sample were measured, the rheological model of three groups of samples were analyzed and studied using HAKKE - RS150 rheometer. The results show that the average carbon number of the sample is C22or so; the viscosity of high pour-point oil is very sensitive to temperature, and the viscosity-temperature relationship shows three line type; when high pour-point oil is sheared at low temperature, its viscosity decreases greatly; when temperature of high pour-point oil is below abnormal point, three groups of samples are non-Newton fluid that has the feature of shear thinned; heating and high-speed shear pump measures can effectively improve production effect.

High pour-point oil; Component analysis; Viscosity-temperature curve; Non-Newtonian fluid

TE 624

A

1671-0460（2016）03-0535-03

2015-12-23

溫子輝（1990-），男，河北省唐山市人，碩士生，研究方向: 提高采收率。E-mail：305145332@qq.com。