油藏蠟沉積研究綜述

莫蘭秀，歐陽雯，章思鵬，姚睿，袁海峰

（西安石油大學， 陜西 西安 710065）

因此研究蠟在油藏中的沉積，對于制定高含蠟油藏的合理的開發方案具有指導作用。我國原油多為含蠟原油，在含蠟原油開采過程中，由于油藏壓力下降、油藏溫度下降和原油脫氣等因素，致使蠟在油藏中發生沉積[1-2]。沉積的蠟堵塞儲層孔隙吼道和黏附在孔喉壁面，減少油氣運移有效通道，使儲層滲透率降低，進而導致增大原油流動阻力，增加油氣開采難度[3]。而蠟沉積對油藏的損害的程度取決于地層滲透率、蠟沉淀量和油藏溫度。油藏中蠟的沉積的機理是非常復雜的，這是因為它涉及學科多，是一個涵蓋熱力學變量、流體動力學流動、傳熱傳質以及固體-固體和表面-固體相互作用的函數[4]。因此研究蠟在油藏中的沉積，對于制定高含蠟油藏的合理的開發方案具有指導作用。

1 油藏蠟沉積的影響因素

油藏蠟沉積的影響因素眾多，總體分為內因和外因，油藏蠟沉積現象是內外因素綜合作用的結果[5]。內因主要指原油組成。外因指的是除內因外的其他影響因素，比如原油中的水和機械雜質、溫度和壓力等。

1.1 內因

內因主要指原油組成。儲層中的原油多為碳氫化合物的混合物，它是由飽和烴、芳香烴、瀝青質和膠質組成[6-7]。

1.1.1 飽和烴

飽和烴是由正鏈烷烴、支鏈烷烴和環烷烴組成，且各組成其對于蠟的析出的作用有所不同。飽和烴是蠟的主要成分，支鏈烷烴可以延遲蠟核形成，環烷烴具有破壞蠟核形成和蠟的生長過程[8]。原油所含的正烷烴的濃度越高，其對應蠟含量越高。

1.1.2 瀝青質和膠質

原油中瀝青質的絮凝對蠟沉積具有促進作用，而瀝青質具有一定表活性，對蠟沉積具有抑制作用。對于其對蠟沉積發揮何種作用，主要取決于原油中其自身結構及存在狀態。膠質能夠降低沉積物的生成速率、增大沉積物的含蠟量、促進沉積物的老化進程、以及降低沉積物的膠凝溫度和屈服應力，且發現含膠質原油的蠟沉積物中蠟晶體積變小、數量變多、長寬比減小[9-13]。

1.1.3 芳香烴

由碳氫化合物組成且分子至少含有一個苯環結構的芳香烴，其蠟的良好溶劑。也就是說原油中含的芳香烴越多，該石油溶解蠟的能力更強，則蠟的溶解度相對增加[4]。

1.1.4 溶解氣

原油中含有溶解氣量越大，就相當于充當蠟的溶劑增加，且其析蠟溫度相對較低。原油中輕質組分越多，會使原油黏度降低，剪切應力減小，從而抑制蠟的沉積。同時，原油中溶解氣逸出會導致原油溫度下降，降低蠟的溶解度；輕質組分逸出會導致原油中液相含量減少，減少了蠟的溶劑，促進了蠟結晶析出[14]。

1.2 外因

影響油藏蠟沉積的外因多指油氣組成系統的溫度和壓力[15-16]。

1.2.1 溫度

油藏油氣系統溫度降低的兩個主要影響因素為低溫工作液的注入和原油脫氣膨脹。當大量的低溫工作液被注入地層，地層被冷卻，導致儲層發生不可逆的蠟沉積過程。絕大多數學者認為，由于油藏冷傷害的緣故，油藏蠟沉積在鉆井時就存在。原油脫氣膨脹，使得油氣體系溫度降低，致使蠟的溶解度降低。

1.2.2 壓力

在含蠟原油的生產過程中，油藏壓力不斷下降，當原油體系的壓力低于飽和壓力時，會導致溶解氣從原油中逸出，使得原油體系的溫度降低，蠟的溶解度降低[17]。其次，原油體系中的輕質組分從液相逸出，這將減少了蠟的溶劑，這就會使得蠟在體系中呈現過飽和狀態，進而發生析蠟和后續出現的蠟沉積。壓力對結蠟速度影響不單一，在露點壓力之下， 壓力增加沉積速度減小，在露點壓力之上壓力增加 沉積速度增加[18]。

1.2.3 其他

原油中的機械雜質和微小氣泡會作為蠟析出的結晶核心，促進蠟的析出并加速蠟的沉積［11］。同時，原油滲流速度不同其產生的剪切應力不同，剪切應力會破壞蠟的結構，對蠟沉積起抑制作用。

2 油藏蠟沉積機理與機制

于調研可知，關于油藏蠟沉積機理，主要是指在油藏條件下的蠟沉積行為。即蠟從油藏的油氣系統析出并沉積，本文主要總結了三種機理。

2.1 正規溶液理論

不同油藏情況其油氣體系中蠟組分及其組成的碳氫化合物不同，蠟在油氣系統中的溶解度受多種因素的影響。油氣系統在穩定條件下，蠟組分完全溶解于原油中，所以在該情況下的含蠟原油可視為真溶液。因此油藏中油氣系統中蠟組分是否析出主要由該系統下蠟的溶解度控制。在油藏在投入生產過程中，由于各項增產增注措施，導致油氣系統中油氣組成、系統溫度和壓力發生變化，使得蠟在油氣系統中的溶解度降低，進而導致蠟的析出。正規溶液理論是后續蠟沉積熱力學模型理論基礎。

2.2 相平衡理論

一般地，儲層中的原始油氣系統是處于平衡狀態，蠟是完全溶解狀態，但由于油藏開發投產致使油氣系統的熱力學平衡被打破，油氣系統中的固-液-氣三相失衡，導致蠟析出。在過去的幾十年中，相態平衡被廣泛應用，且形成許多理論模型。氣液固三相平衡熱力學模型可用于模擬油藏油氣開采過程中由于油氣體系壓力、溫度和組成的改變而引起的蠟沉積問題[5]。

2.3 結晶理論

結晶是指從無序或部分到有序狀態形成晶體的過程。所有結晶過程都包括成核和晶體生長。核的形成是一個動態過程，此過程中伴隨著不同大小的核的生長和消失，且方向是趨向于最小吉布斯能。當溫度等于或低于蠟的外觀溫度時，油氣體系中的蠟成分開始形成晶體。在這個過程中，帶有長側鏈的非極性高分子物質會進入蠟晶體與蠟發生共晶，而帶有極性基團的高分子物質則會被吸附到蠟晶體的表面上，從而促進蠟晶體的聚集和沉積在表面上[19]。并且由于蠟中存在非正鏈烷烴組分，這將導致共晶混合物的形成。

2.4 油藏蠟沉積機制

3 油藏蠟沉積模型

蠟沉積模型應該包括兩部分，即描述蠟在油藏中溶解與析出的蠟沉積預測模型[20]，另一部分是描述蠟析出后沉積與運移的狀態方程和蠟沉積對儲層造成傷害的蠟沉積傷害模型。總的來說，油藏蠟沉積模型該具備能描述蠟在油藏中的溶解/析出、運移及儲層傷害的要素。

3.1 蠟沉積預測模型

首先對油氣系統相態進行判斷，即判斷油氣系統是處于氣-液-固三相區還是液-固兩相區。

S—摩爾固-液比；

e—摩爾氣化率。

步驟3：考察屬性aj中的每一個候選斷點Caj的存在性，即把原始決策表中與Caj相鄰的2個屬性值中的較小值改成較大值。如果此時的決策表不會產生沖突，那么把Caj從斷點集中去除；否則，還原已修改的屬性值。

由以上式子可知，（3-1）和（3-2）是判斷氣—液平衡，（3-3）和（3-4）可判斷液—固平衡，當以上四個式子均大于1 時，混合物才屬于氣—液—固三相平衡。

當油藏發生蠟沉積時，可根據熱力學平衡條件列方程計算蠟沉積量。當油藏發生蠟沉積時，可根據熱力學平衡條件列方程計算蠟沉積量。

式中：A—常數，取0.882 4；

B—常數，取0.000 3；

C—常數，取0.114 4；

3.2 蠟沉積模型

在原油開采中，由于蠟的熱力學平衡被打破，蠟開始從原油中析出。油氣系統中蠟的固體顆粒在隨原油流經儲層時會堵在孔喉中，導致蠟沉積。根據蠟的連續性方程結合蠟的質量守恒方程，最后可得到油藏蠟的沉積模型（3-9）式：

式中：C—每單位液體體積（該體積為液體加上液體中懸浮蠟固體的）的懸浮蠟固體體積，無因次；

3.3 石蠟沉積傷害模型

儲層多孔介質三維重構是研究油藏蠟沉積基礎[21]。在研究油藏蠟沉積的損害模型時，關于儲層多孔介質三維模型重建的方法有毛細管束模型、隨機法、切片法組合法、多點統計法、過程法、X 射線立體成像法和孔隙網絡模型等。由于毛管束模型法建立儲層多孔介質模型較為簡單，因此可通采用毛管束模型將儲層多孔介質簡化，為了更貼近實際，可采用彎的毛管束模型進行研究。毛管束模型法建立儲層多孔介質模型的思維圖如圖1 所示。

圖1 儲層多孔介質模型

袁媛[22]提出了一種考慮迂曲度的毛管束模型，該模型結合了壓汞資料和MATLAB 的計算，細化了毛細管相關參數。其中，平均迂曲度可以使用如下的計算式：

φ—巖心的孔隙度，小數；

原油在儲層流動時，蠟可能會發生沉積并以薄膜的形式附著在巖石孔隙表面，如果假設蠟在毛細管壁上均勻地附著，可以通過預測沉積量來推測毛細管徑的變化。圖2 展示了該過程的等效示意圖。假蠟沉積的體積為，蠟沉積后后地層的滲透率、地層的孔隙度和毛細管半徑分別變為

圖2 孔喉蠟沉積

同時假設比面的變化可以忽略不計，則 ：

石蠟沉積后的毛細管半徑計算公式如下（3-11）式：

石蠟沉積后的地層孔隙度計算公式如下（3-12）式：

把(3-10)式帶入上式得：

常用的滲透率模型有Kozeny-Carman 水力毛細管模型、Kozeny-Carman 毛細管修正模型、多參數冪律模型、網絡節點模型、流動效率模型和Fair-Hatch模型等。其中，多參數冪律模型是應用最廣的模型之一。（3-15）式為Civan 在考慮多孔介質結構特性、有效孔隙度以及各類垢等影響因素上，所提出的改進的冪律模型。

式中：下標min 和max 的物理量—分別表示這項物理量的最小值和最大值；

C—分形系數；

A—毛細管橫截面積，cm2；

V—孔隙間流體流動速率，m/s。

4 結 論

油藏蠟沉積是油氣系統內因和外因素綜合作用的結果，其中內因為油氣系統組成，外因為油藏開發過程中的各項措施所引起的油藏油氣系統的溫度和壓力變化。對于高含蠟油藏在投入生產時，清防蠟工作應該貫穿整個生產過程。同時可以使用蠟沉積預測模型去預測油藏不同生產條件下蠟沉積相關溫度和沉積量，使用蠟沉積傷害模型去預測清防蠟時機。蠟沉積傷害模型的精確度依賴于蠟沉積量的精確度和多孔介質建模。對蠟的濁點、傾點和析蠟點的實驗預測結果可以對蠟沉積的熱力學模型進行校正，同時原油的碳數分布的精確預測可提高蠟沉積量的預測結果。對于蠟固液平衡預測可以使用SP-Wax 軟件進行模擬，蠟沉積行為可用分子動力學模擬[23-24]。在建立儲層多孔介質模型建模，可以參考最先進的油藏多孔介質三維建模并結合實驗進一步改進模型的精確度，使得模型更貼合實際的初始儲層。