第三章有机固相在储层中的形成机理.docx
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第三章有机固相在储层中的形成机理
有机固相在储层中的形成机理
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有机沉淀主要指原油中石蜡、沥青质及胶质等重质组分在地层中的沉积。
关于有机沉积对原油生产影响的问题早在20世纪70年代就有国外许多大石油公司开始展开研究,但关于有机沉淀对地层的伤害机理研究还很不全面,没有系统的研究结果[1]。
近来有报道认为[2]有机沉积可通过以下3个方面降低原油的有效流度:
(1)堵塞孔喉;
(2)吸附在岩石表面,将油藏润湿性由亲水转变为亲油;(3)通过形成油包水型乳状液增加油的粘度。
在生产过程中形成有机沉积物,轻的使生产操作困难,重的可使油井报废,甚至使油藏受到永久性破坏。
在我国随着稠油油藏开采的发展以及EOR技术的采用,更加有必要对有机沉积造成的危害以及形成机理开展系统、深入的研究工作。
本文在室内实验研究温度、原油组份以及入井流体性质对有机沉积物形成影响的基础上,提出了生产中防止有机沉积形成的一些措施。
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沥青质是油藏体系中的一个重要组分,同时也是在油藏开发中带来困难的一个主要因素[1,2].在油藏演化和运移过程中,由于压力、温度和油藏流体组成上的变化等因素,沥青质可能从原油体系中沉淀析出[3~5].在油藏演化过程中,沥青质的沉淀析出被认为是形成焦油的主要因素[6~9],焦油是油藏中与油层相联系的、强烈富集沥青质(沥青质20%~60%)的部分[6,7],通常焦油同油层之间有明显的分隔界限,分布在靠近地层中的非连续性断层部位.焦油层的形成对油藏开发十分有害,焦油层改变了油-岩之间的润湿性[10],降低了油层的渗透性,这在原油开采中直接影响了采出率.同时,焦油层的形成在油藏开发中还可能造成脱沥青的问题[8,9],对原油的开采带来极大的困难.由于所处环境条件的改变,沥青质在原油开采、运输和后处理过程中容易发生沉淀现象[1,2,11].程度轻的会使油井、管道部分堵塞,造成采油工作量加大、成本增高;严重的则导致油层孔喉堵塞、油井封死,造成采收率降低甚至无法采出油藏中的原油[2].
针对油藏开发的迫切需要,有关沥青质在油藏开发中的研究已成为油田开发和石油工业的一个热点课题.目前的研究成果已为石油工业带来了积极的贡献,随着地球上石油资源的不断耗尽,研究二次、三次提高石油采收率的任务十分迫切,在油藏开发中加大沥青质的研究力度尤显重要.本文对沥青质在油藏开发中的研究进展加以综述,并展望进一步研究的重点和方向.
1 沥青质的沉淀研究
沥青质是不溶于低级正构烷烃(nC5-nC8)而溶于苯、甲苯等溶剂的一类物质,是原油中分子量最大、极性最强的一个组分.石油中沥青质-胶质-石油烃是一个连续性的动态稳定体系[1,12],类似于胶体体系,其中石油烃为溶剂,沥青质为胶束,胶质是稳定化剂[1,12,13].当原油中温度、压力或组成等因素发生改变时,沥青质动态稳定体系受到干扰甚至破坏,沥青质发生聚集、沉淀现象[1,12,14].
1.1 沥青质沉淀的理论模型
较早应用的是溶解度模型,包括基于简单聚合物溶液理论和基于非均度聚合物溶液理论两种[15,16].前一理论将原油处理成几个虚拟的纯组分,从油相中沉淀出来的沥青质被视为一种纯组分,利用化学中的相平衡原理来讨论沥青质的沉淀现象.该理论应用起来较简单,但将沥青质所处的复杂体系简化成几个虚拟的纯组分同原油的物理实际相差甚远,其处理结果存在很大的疑问.非均度聚合物溶液理论克服了这一缺陷,其要点在于认为沥青质组分的分子量是连续分布的,沥青质是分子量在某一范围内连续分布的非纯组分[2,14,17],应用非均度聚合物溶液理论来描述沥青质的沉淀过程,但这一理论涉及到连续热力学的模型与算法,处理过程较复杂.
以上两个理论模型从溶解度理论出发,对沥青质沉淀现象进行粗略描述,但二者均未考虑到沥青质分子之间、沥青质分子与胶质分子之间以及沥青质分子与原油中其他物种之间的相互作用,而研究表明这种作用是相当重要的[1,2,12].考虑到这种相互作用,早期的溶解度模型得到了进一步发展.Mansoori[2]在非均度聚合物溶液理论的基础上,考虑到沥青质等重质组分与石油轻烃组分之间的相互作用,认为在原油复杂体系中,沥青质、胶质和石油烃之间是相互依存的,共同构成一个动态稳定体系[1,13],该体系的稳定性与原油中极性组分和非极性组分的比率以及重组分和轻组分的比率密切相关.并在此基础上,建立体系中每个重质组分的相平衡方程式,讨论沥青质的沉淀现象.这一理论模型在溶解度理论基础上有较大的突破,摒弃了溶解度理论中将各个组分简化成简单质点的假设,合理地考虑到原油中各个组分之间的相互作用.从这一角度来看,该模型已较接近于热力学胶体模型[18~24]的观点,直到现在仍获得较好的应用.目前在沥青质沉淀研究的理论模型方面,应用较多和较成功的是热力学胶体模型[13,25],这一模型是在对原油动态稳定性质认识不断深入的基础上提出来的.该模型是由Leontaritis和Mansoori[2,14]发展起来的,其要点在于认为原油中的沥青质以胶粒的形式悬浮于油相中,该悬浮体系的稳定因素主要取决于体系中胶质的性质和浓度[1,21,26],以及沥青质颗粒表面与油相之间的平衡条件[15],依据表面化学的基本原理、应用热力学处理方法来讨论沥青质的沉淀现象.这一理论较符合原油体系的物理实际,得到了广泛的认同和应用.
关于沥青质沉淀研究的理论模型中,还有固体模型[15]和电化学模型[27~29].前者将沥青质沉淀视作固态相,用液-固平衡理论来处理沥青质的沉淀问题;后者认为原油为一强极性体系,由于沥青质分子中含有强极性的基团和杂原子[27,30],沥青质分子中一部分以自由离子或偶极离子对的形式存在,并认为沥青质的沉淀是以其中离子化部分为先导进行的.以上关于沥青质沉淀理论模型的讨论,总的有3种基本观点:
(1)认为沥青质组分以近似真溶液[31]的形式存在于原油中,沉淀近似于热力学可逆过程,这包括溶解度模型和固体模型;
(2)认为沥青质以胶体的形式存在于原油中,由于温度、压力或组成等因素的改变破坏了胶体平衡条件而引发沥青质沉淀,其过程是热力学不可逆的;(3)认为沥青质组分部分地以离子化的形式存在于原油中,沥青质的沉淀是以其中离子间的相互作用诱发的.从不同的角度出发,针对具体的油藏体系,这3种观点都各自具有一定的适用性.溶解度模型形式上最为简单,固体模型形式上复杂些,二者均是直接以原油中沥青质为研究对象;热力学胶体模型则以胶质组分为考虑的对象,利用胶体理论来研究沥青质的沉淀过程,但它们均可以归结为非电解质溶液理论.电化学模型可以归结为电解质溶液理论,该模型在低粘度原油体系中可获得较好的应用,但在稠油体系中则无能为力.将热力学胶体模型同电化学模型结合起来,预期可以更好地描述沥青质的沉淀过程.
1.2 沥青质沉淀的实验研究
沥青质沉淀的实验研究主要集中在初始沉淀点的判断和沉淀量的确定方面,而进一步研究如何减轻或防止沥青质在油藏条件下的沉淀现象则相对滞后.沉淀研究工作总的又可分为在一般实验条件下探讨沥青质的沉淀模式和在油藏条件下模拟沥青质的沉淀过程两个基本的方面.
随着实验技术和实验设备的不断改进,沥青质初始沉淀点的判断方法得到了极大的发展.较简单的是目视法[32]判断沥青质沉淀的发生;光学法依据沥青质沉淀发生时其光学性质会有突变这一性质来作为判断工具,包括光散射法[15]、折光率法[33]和荧光光度法等[32];其他的测定手段还有电导率法[27,28,32]、粘度法[34]、表面张力法[15]、压力差法[15]、热传导法等等[35,36].所有这些判断方法针对不同性质的原油体系各有其一定的适用性,各个方法应用在油藏条件下判断沥青质的沉淀时都应当强调其有足够的灵敏度和可操作性.沥青质沉淀量的确定方法总的可分为直接收集沥青质沉淀测定法和通过测定其他物理参数的间接测定法两种,沉淀量的确定比初始沉淀点的判断具有更大的不确定性,不同的方法之间其实验数据的可比性也很差.减轻或防止沥青质沉淀的研究主要局限在一般实验条件下进行,Clarke和Pruden[36]认为菲类化合物是沥青质沉淀的有效抑制剂,Chang和Fogler[26]认为多官能团的极性树脂化合物对沥青质有较好的稳定化作用,作者同时认为这种多官能团的化合物也有导致沥青质和胶质共沉淀的危险性.模拟油藏条件下研究减轻或防止沥青质沉淀的工作目前尚未见报道,由于油藏环境的复杂性,在该方面的模拟研究具有较大的难度.但因其在油藏开发中的重要性和迫切性,随着实验方法和仪器设备的不断改进,深入开展这一领域的研究无疑将成为研究者们的一个努力方向.随着地球上可直接利用的石油资源的不断耗尽,对如此巨大储量的剩余油的开发将是强化采油技术的迫切任务.在油藏开发中加大沥青质的研究力度尤显重要,更加深入地认识沥青质的基本物理化学性质,研究沥青质在油藏开发过程中造成困难的机制细节,在此基础上研究在油藏开发过程中的相应对策,最终达到提高油藏采收率的目的.针对沥青质在油藏开发中的深入研究,以下将是今后努力的方向:
(1)对沥青质沉淀的模拟实验研究能更加准确反映沥青质沉淀的物理实际,能接近于地层的实际条件,实验结果有足够的灵敏度和准确性;
(2)将沥青质降解行为方面的研究同油藏开发紧密结合起来,在沥青质降解动力学研究的基础上,探讨化学试剂对油藏中以沥青质为主体的重质组分的选择性化学降解作用,并进一步研究沥青质化学降解作用在油田开采方面的应用.
油气储层中普遍存在粘土、碳酸盐及含铁矿物,在油气勘探和开发过程的每一个施工环节—钻井、固井、射孔、增产措施、修井、注水(汽)中,外来流体及所携带的固体微粒都会与储层接触。
如果这些流体与储层流体、储层矿物不匹配,不仅可能产生沉淀,也可能造成粘土矿物的膨胀或微粒运移,或是携入的微粒造成孔隙通道的堵塞,这些都会造成储层渗透率下降,从而不同程度上损害储层的生产能力和吸水(汽)能力。
在注入大量高温流体的热采过程中,由于油藏内介质条件变化,容易引起沥青质在地层中沉积,堵塞孔喉或引起岩石润湿性反转,致使储层孔渗性能严重变差,尤其是在井眼附近,往往导致油井产量大幅度衰减。
另一方面,因为储层温度变化对毛管压力、岩石润湿性、油/水相对渗透率曲线以及驱油效率有重要影响。
稠油油藏进行注蒸汽开采之后,储层温度场会发生较大变化,势必造成毛管压力、岩石润湿性、油/水相对渗透率曲线特征的变化,从而影响开发效果。
石蜡、沥青质、胶质、沥青是石油开采中油井、管线以及储层内典型的有机沉淀源。
蜡指的是某些无机成分,例如粘土、沙和其他碎屑、掺杂石蜡、沥青质、胶质的沉淀。
有机固相沉淀可发生在储层的孔隙中,从而减小流体的流动通道,降低储层的孔隙度和渗透率,使储层损害。
有机结垢分为天然结垢和诱发结垢。
石蜡沉淀的形式主要是由于温度的下降而产生,
Mansoori(1997)沥青质和胶质的沉淀则是由于包括多分散性、立体胶体形成、聚集和电动沉淀等许多复杂现象的原因产生。
引起沥青质絮凝的原因可能是
1、储层压力下降到低于沥青质絮凝并开始析出的压力下限;
2、在三次采油过程中,CH4和CO2与储层中原油的混合;
引起油层中有机损害的首要原因是沥青质沉淀,并且沥青质沉淀区实际上可从井身延伸很长距离,特别是在混相采油过程中。
沥青质诱发的储层损害有三种机理:
第一种机理,如果油井
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