高凝油流体特性研究

温子辉 张雁 吕红磊 等

摘 要：通过气相色谱分析了大庆油田某区块高凝油油样的组成，按照相应方法测量了油样的密度，凝固点，析蜡点和反常点，平均分子量等。使用HAKKE-RS150流变仪测量了剪切应力随剪切速率的变化和粘度随温度的变化，根据以上结果对高凝油油样的流变模式进行了分析研究。实验结果表明，含碳量最高值出现在C22附近；温度是影响高凝油的粘度的重要因素，其粘度与温度的关系曲线出现两个拐点；当温度较低时，此时高凝油受到剪切其粘度会大幅降低；当温度低于反常点时，3组油样均呈现出非牛顿流体的特性，具体表现为剪切变稀性，可以在井筒中的合适深度安装加热装置和剪切装置，从而降低高凝油粘度使其保持良好流动性。

关 键 词：高凝油；组分分析；粘温曲线；非牛顿流体

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0535-03

Abstract： 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 C22 or 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.

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

通常将凝点比较高的轻质高含蜡原油称为高凝油[1]。大庆油田在虎林区块发现了虎1井等高凝油井，我国对高凝油藏的研究起步较晚，目前的试油求产方法和配套工艺技术对高凝油井试油求产还存在诸多不适应性，例如，对高凝油藏特性认识不清等。研究高凝油的物理性质及流变性能及温度对高凝油粘度的影响，其结果对分析油层及井筒中原油流动性能及其对试油工作制度的影响及优化工艺配套技术具有重要的指导意义，对高凝油井试油求产方法的优选和制定高凝油藏的合理开采方式具有重要指导意义。

1 实验部分

1.1 实验样品与仪器

检验的油样取自大庆油田某区块的C井，S井和X井的脱水原油，分别记为A1，A2以及A3，每口井取2个油样，记3组。

实验仪器主要有HAKKE-RS150流变仪，气相色谱仪，恒温水浴锅等。

1.2 高凝油物理性质检验

样品组成测定方法：通过气相色谱实验[2]测定各油样的碳数分布；

密度的测定方法：密度采用GB/T 1884标准[3]进行测定；

凝固点的测定方法：凝固点采用SY/T0541-94标准[4]进行测定；

原油析蜡点和反常点的测定方法：析蜡点和反常点采用SY/T0522-93标准[5]进行测定；

平均分子量的测定方法：平均分子量采用SH/T0169-92标准[6]进行测定；

1.3 高凝油的流变性能影响研究

用HAKKE-RS150流变仪测定3组油样的流变性，包括剪切应力随剪切速率的变化、粘度随温度的变化。

2 实验结果分析

2.1 高凝油的物理特性

从表1中看出高凝油油样的碳数分布，A1与A2油样的碳数最大值均为23，平均碳数为22左右；A3油样的碳数最大值均为21，平均碳数为19左右；3组油样的凝固点均高于30 ℃，最高达39 ℃；3组油样的析蜡点分布，A1的析蜡点较高，在50 ℃以上；A2和A3油样析蜡点在45 ℃附近；反常点的温度介于凝固点和析蜡点之间，稍高于凝固点。高凝固点和高含蜡量是高凝油区别普通原油的特点，保证原油良好的流动性，即少析蜡、不凝固显得尤为重要，因此应当采取措施提高原油温度，使原油少析蜡易于流动，从而不堵塞井筒 [7]。

2.2 粘温关系特征

图1给出了A3在不同剪切速率下的粘温曲线。由图1可见，温度是影响高凝油粘度的重要因素，其粘温关系曲线呈现抛物线型。根据曲线斜率可以将粘温曲线划分为3段，分别是粘度突增区、粘度缓增区和粘度平衡区。

当温度不同时，以三种剪切速率测量油样的对应粘度，实验结果分析和文献调研可知[8]：当温度处于析蜡点以上时对应粘度平衡区，温度介于析蜡点和反常点之间是对应的是粘度缓增区，温度低于反常点是对应粘度突增区。当原油温度在析蜡点温度以上时，原油中的蜡完全溶解，此时高凝油粘度变化比较稳定，粘度随温度变化不明显，此时流体呈现出牛顿流体的特性；温度介于析蜡点和反常点之间时，此时石蜡不能完全溶解在原油中，随着温度降低，石蜡逐渐析出，在原油中逐渐形成分散体系影响高凝油粘度，但原油仍然保持为连续相，高凝油仍然近似认为是牛顿流体；当原油温度降到反常点以下时，随着蜡晶不断析出，这些高度分散的蜡晶不断聚集，最终形成空间网状结构[9]，原油中开始出现海绵状凝胶体，液态烃表现为非连续相，只有当外加剪切力超过原油的极限切应力以后原油才会发生流动。当高凝油的温度低于析蜡点时，蜡晶的析出会对原油粘度产生显著影响，当高凝油的温度低于反常点时，温度不再是决定原油粘度的唯一因素，此时原油粘度由温度和剪切速率两个因素决定，开始表现出非牛顿流体的特性。

因此，为了防止高凝油开采过程中的石蜡析出，应采取措施使高凝油温度一直处于析蜡点之上，井筒加热方式可解决蜡晶析出堵塞井筒问题[10]。

2.3 粘度与剪切速率关系研究

比较图1中3种剪切速率下的粘温关系曲线可知，只有当温度较低时，剪切速率对高凝油的粘度变化影响较大。根据图1中A3粘温关系曲线可知，①当油样温度为32 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1时，其粘度由260.9 mPa·s降至106 mPa·s，下降幅度度达59.37%；当油样温度为40 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1时，其粘度由45.30 mPa·s降至31.50 mPa·s，下降幅度达30.46%，这表明，当温度处于反常点以下时，高凝油呈现非牛顿流体特性即剪切稀释效应，且温度越低，粘度降低程度越大；②当油样温度为32 ℃，剪切速率由100 s-1增加至200 s-1时，其粘度将由260.9 mPa·s降至189.5 mPa·s，下降幅度仅为27.37%，说明剪切速率不是决定原油粘度的唯一因素，当剪切速率低于某一临界值时，剪切速率的增大降粘效果明显[11]，当剪切速率超过了某一临界值时，增大剪切速率的降粘效果并不明显，因此为了达到使高凝油的粘度降低到易于流动状态时，从节约能源的角度出发：剪切速率达到某一临界值时综合效益最好；③当油样温度为60 ℃，剪切速率由20 s-1增至100 s-1时，其粘度由17.45 mPa·s降为14.5 mPa·s，下降幅度仅17.19%，这表明：当随着温度升高增加剪切速率的降粘效果逐渐下降，此时高凝油的粘度主要受两个因素影响，即剪切速率和温度。当温度和剪切速率在某一个临界值以内时，温度越低，剪切速率越大，高凝油的粘度降低值越大，当温度和剪切速率超过某个临界值时，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐渐下降。

以此为理论基础，在井筒的合适深度安装井筒加热装置在抽油泵的抽油杆上适当安装剪切装置，利用加热装置使原油温度保持在一定范围和剪切器的适当剪切达到保持高凝油良好流动性的目的，进而实现高凝油油藏的合理、高效开采。

3 流变状态分析

比较图2中3个温度下油样剪切速率与剪切应力关系曲线，可知油样在对应温度下的流变特性。由实验数据分析认识到：①当油样温度高于析蜡点温度时，油样的流变曲线表现为一条过原点的直线，油样属于牛顿流体[12]；②当油样温度低于析蜡点温度而高于反常点温度时，油样的流变曲线为一条过原点的直线，油样仍然属于牛顿流体；③当油样温度低于反常点温度时，3种油样的流变曲线呈现出不同的曲线形态。根据图2得到的A2油样流变曲线形态可知，当温度低于其反常点温度时，A2油样的剪切速率与剪切应力虽然仍然成正比关系，但是直线不过原点，油样符合拟塑性流体[13]的流变模式。通过数学方程回归剪切速率与剪切应力的关系曲线，可以得到油样的本构方程，油样在不用温度下的流变状态方程如表2所示。

4 结 论

（1）当高凝油处于剪切状态下时，其粘度会大幅度降低。高凝油的粘度主要受两个因素影响，即剪切速率和温度。当温度和剪切速率在某一个临界值以内时，温度越低，剪切速率越大，高凝油粘度降低值越大，当温度和剪切速率超过某个临界值时，增大剪切速率，高凝油的降粘效果逐渐下降。

（2）温度对高凝油的粘度变化影响十分显著，高凝油的粘温曲线呈现出抛物线型。当温度较低时其粘度较大，伴随温度的升高，粘度迅速下降，当温度升高到析蜡点以上后，粘度即使温度继续上升粘度降低不明显。

（3）在温度较低的条件下，高凝油剪切降粘效果显著，在温度较高时，剪切降粘效果不显著；当温度低于反常点温度时，高凝油为非牛顿流体，但是不同油样流变曲线形状不同，即本构方程不同，都能通过剪切达到降低高凝油粘度的目的。

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