原油沥青质沉积和吸附引起储层损害的机理及损害程度评价

第28卷 第5期 钻 采 工 艺 Vol.28 No.5DRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGY?89?油田化学

原油沥青质沉积和吸附引起储层

损害的机理及损害程度评价

赵凤兰,鄢捷年

(中国石油大学(北京))

摘 要:原油沥青质沉积对储层孔喉的堵塞和沥青质吸附引起的油藏岩石润湿性改变是造成储层损害、导致油井产能下降的重要机理之一。首先,从热力学平衡和溶解度两个方面论述了原油沥青质发生絮凝和沉积的机理,并采用粘度法测定了沥青质絮凝初始点;然后利用岩心流动实验方法,定量评价了沥青质沉积对储层岩石渗透率的影响;并采用经改进的自吸速率法,研究了原油沥青质吸附所引起的润湿性改变及其对产能的影响。实验结果表明,储层岩心油相渗透率下降的程度与沥青质沉积量、储层岩心的原始渗透率、沉积颗粒粒径以及原油流速等因素有关。原油沥青质在油藏岩石上的吸附所引起的润湿性改变是导致储层油相渗透率降低,从而造成储层损害的一个重要原因。

关键词:原油沥青质;吸附;沉积;机理;润湿性;储层损害

中图分类号:TE353??3 文献标识码:A 文章编号:1006-768X(2005)05-0089-04

在一定热力学条件下,沥青质会在岩石孔隙表面发生沉积,导致有机垢的生成,从而堵塞一部分储层孔喉,造成储层的绝对渗透率下降;同时,沥青质在储层岩石表面上的吸附会引起润湿性从亲水向亲油方向的改变,从而造成储层岩石的油相相对渗透率下降。对于原油中富含沥青质的油藏,特别是稠油油藏,以上两方面被认为是造成储层损害的主要机理。前人的研究多局限于对造成的储层损害进行定性的评价。本文通过定量评价沥青质沉积引起储集层损害的程度和沥青质吸附导致的润湿指数变化,评价沥青质吸附、沉积对储层岩石渗透率和润湿性等重要物性参数的影响。

空间稳定结构,可以显著降低整个体系的表面自由能;另一方面,胶质通过吸附在沥青质胶核周围形成

溶剂化层,可以起到物理包裹沥青质分子的作用,以避免沥青质分子之间相互作用而聚结。

1.原油沥青质絮凝和沉积的条件及影响因素

沥青质在沉积之前,首先发生絮凝,带电的极性沥青质分子通过静电作用聚集在一起,形成絮凝体,随着絮凝体的体积不断增大,便形成大的空间胶体。由于絮凝的沥青质带有正电荷和极性,极易吸附在带负电的岩石矿物表面,因此逐渐在岩石表面沉积下来[2]。无论是热力学条件改变还是沥青质、胶质和溶剂溶解度发生变化,均会改变沥青质胶束的稳定状态,因此从热力学平衡和溶解度发生改变这两个角度来理解沥青质的絮凝和沉积机理。1.1 沥青质胶束的热力学平衡

沥青质胶束的总自由势能是双电层斥力能和范德华引力能的代数和。根据DLVO理论,胶体总引力能是基于胶体颗粒之间的势垒,而斥力能则取决于胶体颗粒的表面能和电解质的浓度。随胶粒之间的距离增加,静电斥力能呈指数关系下降。当表面能较高而电解质浓度较低时,势垒就较高,而胶体溶液的分散能力较强,胶体较稳定。而范德华引力会

一、原油沥青质的絮凝和沉积机理

原油是比较稳定的胶体分散体系,其分散相就是以沥青质为核心、以附着于它的胶质为溶剂化层而构成的胶束,而分散介质则主要是由油分子和部分胶质组成的。胶束中的沥青质分子与胶质分子间是以电子-键结合在一起,或是以氢键等作用力进行缔合的。胶质对沥青质在原油中的稳定起着重要的作用。一方面,它作为两亲分子,两端分别与油相和沥青质相连,从而形成原油!胶质!沥青质

收稿日期:2005-03-29;修回日期:2005-08-09

[1]

基金项目:本文是国家自然科学基金项目(50174039)的部分研究内容,项目名称为??石油开采中提高驱油效率新方法的研究??。

作者简介:赵凤兰(1973-),女,2003年获博士学位,现为石油大学(北京)提高采收率研究中心讲师,主要从事油田化学和提高采收率方面的研究工作。地址:(102249)北京市昌平区石油大学(北京)提高采收率研究中心268信箱,电话:(010)89733552(办),(010)86618453(小灵通)

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克服斥力势垒,使胶体溶液失去稳定性[3]。只要最大势能远大于颗粒的热能(引力能),分散体系就比较稳定。因此,当胶质的脂肪烃??尾部??形成的空间

斥力能不足以抵消沥青质颗粒之间的范德华引力能时,沥青质就会发生絮凝。当温度、压力或油相组分发生变化而引起胶质含量或势能下降时,就会导致沥青质胶粒之间相互聚集而发生絮凝和沉积。1.2 溶解度参数及其与絮凝、沉积的关系

溶解度参数(??)是溶液内部分子施加的内压或内聚能密度大小的量度,是摩尔蒸发内能或粘附能和摩尔体积的函数。原油的溶解度参数可以通过测定折射指数来确定,而沥青质的溶解度参数主要通过测定沥青质在有机溶剂或混合溶剂中的溶解度得到,范围为18.0~20.7(MPa)1/2。在平衡状态下,如沥青质与原油的溶解参数相近,二者互溶;当温度下降或原油组分改变,导致原油和沥青质溶解度参数改变,沥青质发生沉积,从而使沥青质在原油中的体积分数降低。

温度会影响原油和沥青质的蒸发内能和内聚能密度。当温度降低时,这些性质的变化会导致沥青质和原油溶解度参数增大。如果沥青质的溶解度参数增大的幅度大于原油的溶解度参数的变化,则不利于沥青质在原油中的稳定。在原油处于泡点压力附近时,气相所占比重最大,而此时具有的蒸发内能最小,因此原油溶解度参数最小,因此具有最大的沥青质絮凝趋势或沉积量。由于低分子量的烷烃或N2、CO2气体等具有较低的溶解度参数,因此会造成原油的溶解度参数降低,从而使溶解在原油中的沥青质量减少

[5]

常点可确定沥青质的絮凝初始点。

将原油和正庚烷按不同比例充分混合,静置24h,分别在常温和平均地层温度下用带有恒温水浴的

逆流式玻璃毛细管粘度计测得其一系列混合物的运动粘度。然后,将油样的一系列混合物的粘度随其体系中正庚烷浓度的变化情况绘制成图。为取得一条连续曲线,需进行20次以上的粘度测定实验,并且每个样品至少重复测量3次,然后取其平均值。

本文采用粘度法测定了渤海SZ36-1油田稠油沥青质的絮凝初始点。实验结果见图1和图2。

图1 常温下原油粘度随正庚烷质量分率的变化曲线

。

图2 地层温度(63#)原油粘度随正庚烷质量分率变化曲线

2.原油沥青质絮凝初始点的室内确定

室内测定沥青质沉积初始点的实验方法有界面张力法、粘度法、超声波法、光散射法、分光光度计法和电导率法等,但直到目前为止,还没有一种公认的适应性好、测量精度高的沥青质絮凝初始点确定的室内实验方法。本研究通过对透光率法、粘度法和显微镜法三种方法的实验结果进行比较和分析,初步认为粘度法实验结果比较合理,适用于沥青质絮凝初始点测定,且粘度法所用设备简单,重复性、准确性较好,同时能够评价温度对沥青质絮凝初始点的影响。

粘度法的基本原理是,随沉淀剂正构烷烃的加入,开始时体系粘度不断降低,但当正构烷烃达到一定浓度时,由于沥青质发生絮凝,体系的粘度与正构烷烃浓度的关系曲线会偏离原来的下降趋势而出现

,,不难看出,常温下正庚烷质量分率为0.38时,粘度曲线上出现一个转折点,即絮凝初始点,即原油中轻质组分(C7以下)的质量百分浓度高于38%,沥青质就会开始絮凝;在63#条件下,稠油的粘度大幅度下降,如正庚烷质量分率均为0.30时,稠油的粘度从22#时的30.2mm/s下降至63#时的10mm2/s,沥青质絮凝初始点处对应的正庚烷质量分率也从0.38降低为63#时的0.36,也就是说,温度升高,沥青质的沉淀点提前,原油更容易发生沥青质的沉积。因此,相对于地面室内预测的结果,原油在实际油藏条件下更容易发生沥青质沉积。

2

二、沥青质沉积和吸附对产能的影响及评价

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1.1 实验方法的建立

选择具有代表性的储层岩样,以测定气体渗透率的方向为正方向,测定岩样油相渗透率。在一定的压差下,将沥青质在矿物油中的悬浮液正向注入岩样,测定沥青质进入岩样后的油相渗透率。具体实验程序为首先测定岩样气体渗透率Ka,岩样抽真空,并用矿物油进行真空饱和;然后将岩样放入岩心夹持器中,并使液体流动方向与测定气体渗透率时气体的流动方向一致;用中性煤油正向驱替岩样中的矿物油。驱替流速不得大于临界流速值,测定损害前油相渗透率Ko;在一定的压差下,正向注入沥青质在矿物油中的悬浮液(浓度为0.01%~0.1%);用中性煤油正向驱替,测量损害后岩样的渗透率Kd;最后计算渗透率恢复值R

Kd

?100%(1)Ko

根据渗透率恢复值的大小,可对沥青质沉积引R=

起储层损害的程度进行定量评价。由于对各项实验条件进行了优选,特别是将提伞分离的沥青质悬浮于矿物油中,可以较好地模拟絮凝沉积沥青质在原油中的状态。

1.2 各种因素对沥青质沉积所引起储层损害程度的影响

通过上述实验方法,评价了沥青质沉积浓度、岩心原始渗透率、粒径和原油流速等因素对岩心渗透率恢复值的影响。实验数据分别见表1~表3。从表1可见,对于第1组的低渗储层岩心,经沥青质悬浮液污染后,渗透率恢复值仅为6.53%和8.79%,表明均受到极为严重的损害。两者相比较,经较高浓度的沥青质悬浮液污染的第18号岩心受到的损害更严重一些。第2组实验使用孔隙度相似的4块中渗储层岩心,随沥青质质量百分比浓度增加,岩心的渗透率恢复值依次明显降低,特别是经0.1%较高浓度悬浮液污染的岩心渗透率恢复值竟降至0.87%。第3组实验使用孔隙度相似的2块高渗储层岩心,经较高浓度沥青质悬浮液污染的岩心渗透率恢复值明显低于经较低浓度悬浮液污染的岩心。

从表2可以看出,在实验流速范围内,随悬浮液注入速率增加,沥青质对岩心的损害越严重。特别是当流速大于岩心的临界流速(Vc%0.5mL/min)后,岩心的油相渗透率恢复值明显降低,这主要是因为,流速大于临界流速,会引起岩心中的粘土矿物等微粒发生运移,从而使粘土颗粒和沥青质颗粒一起,,透率大大降低。在实际生产过程中,粘土颗粒运移与沥青质沉积会相互促进,加剧对储层的损害。

表3结果表明,沥青质絮凝体尺寸越大,对储层的损害就越严重。因为沥青质颗粒越大,堵塞的孔喉尺寸就越大,因此对渗透率的影响就越大。沥青质颗粒的平均粒径使用Coulter颗粒分析仪测得。

表1 沥青质浓度、岩心原始渗透率对储层损害程度的影响Ko/Kd/实验岩心沥青质Ka/R

-32-32-32

组别号度/wt%/%??m??m??m/%

140.02537.5915.869.360.828.791

180.0535.294.562.610.176.5330.135.9477.1928.000.250.872

24-14-23031

0.050.030.010.10.05

32.5393.7844.4233.62138.5038.74

14.005124.0090

3

36.58121.6350.6344.753825.43328.46237.1773.047926.40406.22286.54159.9381

表2 油相流速对储层损害程度的影响

岩心号5-15-26-16-2

流速KoKd沥青质浓度R

-1-32

/wt%/mL?min/10??m/10-3??m2/%0.050.356.0437.0566.110.050.050.05

0.51.01.5

61.5075.6276.54

40.6730.6516.72

59.5140.5321.84

表3 沥青质沉积粒径对储层损害程度的影响KoKdR岩心号沥青质浓度-32

/wt%粒径/??m/10??m/10-3??m2/%

20.053744.4214.0031.5170.057440.077.4318.53

2.沥青质吸附引起岩石润湿性改变对渗透率的影响2.1 评价方法和实验程序的建立

实验选用直径岩性和各物性参数相接近的砂岩岩样,准确量取岩样长度,测量其氮气渗透率。将各岩样用盐水饱和,分别测定其孔隙体积、孔隙度和盐水有效渗透率。然后使用岩心流动试验仪,以一定的注入速率,用中性煤油驱替盐水,建立砂岩油藏岩样物理模型,并测定模型的含油体积、束缚水饱和度和油相有效渗透率Ko1。在一定压力下,选用SZ36-1原油沥青质的甲苯溶液进行驱替。通过控制沥青质在岩石上的吸附量,可制备具有不同润湿指数的实验岩样。用中性煤油驱替污染后的岩样,测定经沥青质的甲苯溶液污染后岩样的油相有效渗透率Ko2,用下式计算油相有效渗透率的损失百分率,然后使用经改进的自吸速率法[6]进行岩样润湿指数

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R损失=[(Ko1??Ko2)/Ko2]?100%实验结果如图3和图4

所示。

(2)

2.2 润湿性改变对储层岩样油相渗透率的影响

三、结论

(1)储层温度、压力和原油组分是引起沥青质在

原油中的热力学平衡状态被打破和溶解度发生变化的实质原因,从而导致沥青质发生絮凝和沉积。

(2)粘度法实验结果合理,所用设备简单,重复性、准确性较好,青质絮凝初始点测定,且粘度法,同时能够评价温度对沥青质絮凝初始点的影响,因此适用于沥青质絮凝初始点的测定。

(3)储层岩心油相渗透率下降的程度与沥青质沉积量、储层岩心的原始渗透率、沉积颗粒粒径以及原油流速等因素有关。随沥青质沉积量增加,渗透率恢复值逐渐降低。在相同沉积条件下,低渗储层

图3 不同浓度沥青质/甲苯溶液引起的润湿性改变

对油相有效渗透率的影响

受到的损害往往更为严重。储层渗透率随原油渗流速度的增加而下降,特别是当超过临界流速之后,由于受到沥青质沉积和微粒运移的双重作用,储层油相渗透率下降幅度增大。随沉积沥青质的粒径增加,储层岩样的油相渗透率恢复值也趋于降低。

(4)原油沥青质在油藏岩石上的吸附所引起的润湿性改变是导致储层油相渗透率降低,从而造成储层损害的一个重要原因。因此,对于原油中富含沥青质的油藏,特别是稠油油藏,有效地抑制沥青质的吸附和沉积是保护储层的一项重要措施。

参考文献

图4 不同老化时间引起的润湿性改变

对油相有效渗透率的影响

[1] 杨照.石油沥青质沉淀的实验与模型化研究[D].北

京:石油大学,1997??

[2] LeontaritisKJetal.ASystematicApproachforthePre??

ventionandTreatmentofFormationDamageCausedbyAsphalteneDepositionSPEProduction&1994:157-164??

[3] AlkafeefSF.AnInvestigationoftheStabilityofColloidal

AsphalteneinPetroleumReservoirs??SPE65018

[4] BuckleyJS.PredictingtheOnsetofAsphaltenePrecipita??

tionfromRefractiveIndexMeasurements??presentedonAdvancesintheChemistryofAsphalteneandRelatedSubstances5thNorthAmericanChemicalCongress,Can??cun,Mexico,November,1997:11-15??

[5] WangJX.PredictingAsphalteneFlocculationinCrude

Oils,DissertationfortheDegreeofDoctorofPhilosophy,NewMexicoInstituteofMining&TechnologySocorro,NewMexico:2000??

[6] YanJNetal.WettabilityChangesInducedbyAdsorp??

tionofAsphaltenes??SPEProduction&Facilities,Nov,1997:259-266??

(编辑:包丽屏)

可以看出,随着沥青质/甲苯溶液浓度增加,经污染后的第1~3号岩样的润湿指数逐渐下降,从原来的强水湿状态的WR=1.0依次降为0.62、0.57和0.49,相应的岩样渗透率的损害率却逐渐增加,依次为41.1%、47.4%和61.1%。其原因在于沥青质在岩石上的吸附量随其浓度的增加而有所增大,从而使岩石亲水性逐渐减弱所致。随沥青质在甲苯溶液中的老化时间增加,岩样的润湿指数逐渐下降,从原来的强水湿状态的WR=1.0依次降为0.72、0.63和0.57,相应地岩样渗透率的损害率为20.0%、32.5%和58.8%。

以上两组实验均表明,因原油沥青质在油藏岩石上的吸附所引起的润湿性改变是导致储层油相渗透率降低,从而造成储层损害的一个重要原因。一般来讲,在其他条件相同的情况下,沥青质吸附的越多,损害就越严重。

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