差示扫描量热法分析原油析蜡点及其影响因素
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在当前油田油气井开采中,油井结蜡是一种常见现象[1]。这是由于油井产出的原油中含有蜡[2],当油田作业时,原油组分、温度以及外部压力会发生变化[3],使得原油分离出蜡分子,这些蜡分子顺井筒向上飘逸。当温度低于析蜡点时,蜡分子析出[4],沉积在井筒、分离器、三甘醇脱水装置以及集输管线内,严重时可引起堵塞,给生产埋下严重隐患[5]。因此,明确温度[6]、压力[7]以及流速[8]对原油结蜡点的影响,预测油井中蜡沉积的位置[9],对油井结蜡的预防与治理有重要的指导意义[10]。
目前,测量析蜡点的常用方法有显微观察法[11]、流变仪法[12]以及差示扫描量热(DSC)法[13]。由于前2种方法对于初始析蜡速率较慢以及含蜡量低的原油不适用[14],本文采用DSC法测定不同压力以及不同流速对2个区块原油的析蜡点及蜡含量的影响,同时预测油井中蜡沉积的位置,以便为2个区块预防结蜡的现场实际应用提供指导。
1 实验部分
1.1 样品与仪器
样品来自吉林油田A区块及B区块采出原油。差示量热扫描仪(DSC-350L型),上海众路实业有限公司;分析天平(JA203H型),常州迈科诺仪器有限公司。
1.2 DSC法测定析蜡
DSC法主要是通过油样和参比物热流量的变化来判断是否有蜡晶的析出。以一定的降温速率对油样进行降温,蜡晶未析出时,热流量变化缓慢且平缓;当蜡晶析出时,析蜡潜热被释放,热流量会突然增大,此时的突变点即为析蜡点。
DSC法测油样析蜡过程,主要是测定油样和参比物之间能量与温度的变化关系。由于在DSC实验的温度变化中,空气对热容变化影响非常小,而且不会发生相态变化,因此空气通常被选为参比物。参比物和试样均置于温度均匀且相同样品池中。油样无热变化时,参比物和油样均按照预设温度变化,此时温度差ΔT=0。温度降至析蜡点以下时,油样开始析蜡,析蜡潜热逐渐被释放出来,此时油样温度比参比样温度更高,ΔT则开始变化。为保持ΔT=0,使参比物、油样的温度和程序控制的温度一样,差式扫描量热仪将对温度进行自动补给,并记录热流量的差值与温度变化关系,以热谱图显示[15]。DSC法测试方法简单,精确度较高,需要样品的量极少,仪器已经商品化,使用十分方便。
1.3 实验步骤
分别取A、B 2个区块的油样各5个,共10个分别编号为1～10。将油样置于密闭容器中,加热至高于析蜡点10℃以上,使油样具有充分流动性。搅拌均匀后取4～8mg样品(精确至0.01mg),压盖密封。
1.4 DSC检测方法
启动DSC仪,将DSC检测池加热到高于油样预计析蜡点10～25℃。将装有油样的坩埚置于DSC检测池中的试样支架上,同时将一空的坩埚(以空气为参比物)置于参比物支架上,将2个坩埚放在各自支架的中心位置,保证其充分的热接触,加盖冷却罩[16]。恒温5min,以3℃/min速率降温至-20℃,进行连续的扫描量热,得到油析蜡过程的DSC热谱图。
2 结果与讨论
2.1 2区块油样析蜡点及蜡含量
测定不同油样的析蜡点10组实验,不同温度下蜡含量10组实验。DSC曲线上刚开始偏离基线的温度为油样的析蜡点Tc,单位为℃;曲线最高点为析蜡高峰点温度Tp,单位为℃。DSC曲线上连接析蜡点与-20℃对应的曲线点作放热内插基线,内插基线与DSC曲线包围的峰面积ΔS除以油样质量m,得到油样的析蜡热焓ΔH,单位为J/g[17]。蜡含量=析蜡热焓/蜡平均结晶热,蜡的平均结晶热取200J/g。A、B 2个区块油样的析蜡点和蜡含量分别见图1和图2。
图1 A区块5种油样的析蜡点及蜡含量
图2 B区块5种油样的析蜡点及蜡含量
由图1和图2可知,常压条件下,A区块油样析蜡点平均为34.9℃,蜡含量平均为3.6%;B区块油样析蜡点平均为43.1℃,蜡含量平均为9.2%。B区块的析蜡点低,蜡含量高,更易形成蜡堵塞[18]。
2.2 不同压力下油样的析蜡点和蜡含量
针对A区块油样3和B区块油样3,压力自40MPa降至0.1MPa,共取6个试验压力点进行析蜡点及蜡含量测试,所得结果分别见图3和图4。
图3 A区块油样3在不同压力下的析蜡点及蜡含量
图4 B区块油样3在不同压力下的析蜡点及蜡含量
由图3和图4可知,压力的变化对2个区块的析蜡点和蜡含量均有一定的影响。随着压力的降低,析蜡点降低,蜡含量增加。随着压力的增加,析蜡点有增大的趋势,在20MPa左右,蜡含量最低。增大或降低压力,都会使蜡含量有一定的增加[19]。
2.3 不同流速下油样的结蜡量
在开采过程中,随着井筒内流体的流动速率加快,流体向上流动时能够保持较高的温度,使得处于溶解状态的蜡含量增高,而析出的蜡相对减少,所以有使井筒结蜡减小的趋势;同时,当流速增加到某一数值时,结蜡量会达到一个临界值,如果此时流速继续增加,则靠近管壁处油的流速相应增大,剪切作用相对加强[20]。当剪切作用增加到足以使沉积在管壁外层的疏松蜡崩塌时,蜡的沉积量开始随流速的增加而下降,结蜡量迅速减少。利用原油动态结蜡仪,测定不同流速下的结蜡量,所得结果见图5。
图5 不同流速下的结蜡量
由图5可知,流速对结蜡量存在一个临界值,对所取的油样,该临界值为8L/min。低于该值时,随着流速的增加,结蜡量增加;高于该值,随着流速增加,结蜡量快速减少。这个值可能存在于层流区域,也可能存在于紊流区域,这依赖于油的性质和管壁的具体情况。
2.4 流速对油样析蜡点的影响
取2个区块的油样,在不同的流速下,分别剪切1h,利用DSC法测定不同流速剪切后油样的析蜡点,所得结果见图6。
图6 不同流速下的析蜡点
由图6可知,流速对析蜡点基本没有影响。析蜡点与油样的组成及组分有关,与外界温度的变化及流动状态无关。
2.5 蜡沉积位置预测
根据生产测试获得的井筒流压,结合上面测定的不同压力下油样的析蜡点,可以计算出不同压力下的析蜡温度;根据生产测试获得的井筒流温,结合计算出的析蜡温度,作2条直线,根据直线的相交点对应的井深,可以预测蜡在井筒中开始析出的位置,评价气井的工作状况。如果没有实测井筒流压和井筒流温数据,可以采用理论方法进行预测[21]。
(1)井筒压力预测模型。
对于垂直井筒流体流动,可用Goiver流型图或Barnea统一流动模型对其流型进行判别。
(2)井筒温度预测模型。
正确计算井筒温度分布对计算蜡沉积有着十分重要的影响,可以采用Shiu-Beggs井筒温度计算方法。
根据井筒压力分布数据,得到井筒析蜡温度分布曲线(见图7)。由图7可确定,在距井口465m处开始析蜡。
图7 某井井筒开始析蜡位置预测
2.6 结蜡应对策略
油气中构成蜡的组成和成分各不相同,这导致了蜡沉积问题的多样性。同一种蜡控制方法对不同的蜡沉积问题的效果相差悬殊,只有对某一具体的蜡沉积问题和各种蜡沉积控制方法有比较深刻的了解,才能制定出相应的控制方案。针对原油中不同的蜡含量、含水和倾点,有必要采取不同的清除和防蜡手段来获得最佳的经济效益。
针对上述问题,可采用以下结蜡应对策略:(1)通过合理控制伴热温度,使管线内天然气温度保持在析蜡温度以上,减少蜡质成分的析出;(2)通过周期对站内集输设备进行清检,除去管线及设备中存留的油蜡物质,保证生产正常运行;(3)在站内增加除油分离器,增加系统对油蜡产出物的分离能力。
3 结论
(1)常压条件下,B区块的析蜡点低,蜡含量高,更易形成蜡堵塞。
(2)压力的变化对2个区块的析蜡点和蜡含量有一定的影响,随着压力的降低,析蜡点降低,蜡含量增加。
(3)流速低于临界值8L/min时,随着流速的增加,结蜡量增加;流速高于临界值8L/min时,随着流速增加,结蜡量减少。流速对析蜡点基本没有影响。
(4)在油田实际生产中,应该合理控制管壁天然气温度,定期进行清检,同时增加除油分离器,从而减少油田中析蜡对生产的影响。