（油气田开发工程专业论文）掺液抽稠泵的设计与举升参数优化.pdf

d e s i g no fh e a v yo i lp u m pm i x i n gl i q u i da n d o p t i m i z a t i o no fl i f t i n gp a r a m e t e r s w a n gl u ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq u z h a n q i n g a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fh i l 曲h e a v yo i l sv i s c o u s 埘a n do b s t i n a t er e s i s t a n c ew h i l et h e p r o c e s so fw e l lb o r ef l o w i n g ，t h ep a p e rs u l n su pt h em a i nf a c t o ro fv i s c o s i t y , a n dd e s i g n sa n e w t y p eo fh e a v yo i lp u m pm i x i n gl i q u i d t h ep a p e re s t a b l i s h e st h em e c h a n i c a lm o d e lo f p u m pb a r r e la n dc o n n e c t i n gr o do fc o n ev a l v e ，a n dc h e c kt h es t r e n g t ha n df a t i g u es t r e n g t h e s t a b l i s ht h ew e l lb o r et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm o d e la n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm o d e l t h e p a p e ra l s oe s t a b l i s h e st h em e c h a n i c a lm o d e lo fr o ds t r i n g ，a n do nt h a tb a s i s ，d e s i g n st h er o d s t r i n g t h ep a p e ra n a l y z e st h ep u m pe f f i c i e n c yc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o ra n dc o m p i l e s o f t w a r et oo p t i m i z et h el i f t i n gp a r a m e t e r s d u r i n gu p s t r o k ep e r i o d ，t h eg r o u n dl i q u i di s i n j e c t e di n t ou p p e rp u m p e dc a v i t y , m e a n w h i l et h ep r o d u c e df l u i di si n j e c t e di n t ol o w e r p u m p e dc a v i t y d u r i n gd o w n s t r o k ep e r i o d ，t h ep u m pm i x e st h eg r o u n dl i q u i da n dt h e p r o d u c e df l u i d ，a n dl i f tu pt h em i x e dn q u i du p t og r o u n d t h i sp u m pr e a l i z e si n j e c t i n gt h e g r o u n dl i q u i di nt u b e ，l i f t i n gt h em i x e dl i q u i dt h r o u g ht u b i n g - c a s i n ga n n u l u sa n dm i x i n gt h e g r o u n dl i q u i d a n dt h e p r o d u c e dl i q u i db e l o wt h ep l u n g e r t h i sp u m po v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g et h a tl i q u i db l e n d i n ga b o v ep u m pc a n n o tr e d u c et h ev i s c o s i t yo fc r u d eo i li nt h e p u m p i ts o l v e st h ep r o b l e mi nw e l l b o r ev i s b r e a k i n ga n dh e a v yo i ll i f t i n g ，a v o i d st h e o c c u r r e n c eo fr u b b i n gp l u n g e rb ys a n d ，a n dr e d u c e sp l u n g e rr e s i s t a n c ec a u s e db yh e a v yo i l t h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h ep u m pm a n i f e s tt h a th e a v yo i lp u m pm i x i n gl i q u i dc a l le f f e c t i v e l y e x p l o i tt h es e c o n dt y p eh e a v yo i lb ym e a n so fw e l lb o r ev i s b r e a k i n g k e y w o r d s ：h e a v yo i l ，d o w n - h o l em i x i n gl i q u i dt e c h n o l o g y , h e a v yo i lp u m p ，s t r u c t u r e d e s i g n ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：王褫 日期：研年铀p 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：量丝 指导教师签名：7 么雩复垄址 日期：亿矿，刁年哆月i 口同 ， 日期：劢时弓年哆月，矿日 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究的目的和意义 稠油是一种非常规石油资源，统计资料表明，全世界稠油地质储量约为1 万多亿吨， 占总地质储量的5 3 。我国稠油资源比较丰富，目前已探明稠油地质储量2 0 6 亿吨， 已动用地质储量1 3 5 9 亿吨，剩余未动用地质储量7 0 1 亿吨，陆上稠油、沥青资源约占 石油资源总量的2 0 以上，预测资源量1 9 8 亿吨，其中最终可探明的地质资源量为7 9 5 亿吨，可采资源量为1 9 1 亿吨。已经在松辽盆地、二连盆地、渤海湾盆地、南阳盆地、 苏北盆地、江汉盆地、四川盆地、珠江口恩蒂、准格尔盆地、塔里木盆地、吐哈盆地等 1 2 个盆地中发现了7 0 多个稠油油田，这些稠油油田主要集中在辽河油区、胜利油区、 克拉玛依油区及河南油区。最近几年在吐哈盆地、塔里木盆地也发现了深层稠油资源。 上世纪8 0 年代以来，中国各石油公司加大了对稠油的开发。2 0 0 5 年中国稠油年产 量占石油总年产量的1 3 2 。但总体而言，中国对稠油资源的动用开采力度不够。截至 2 0 0 2 年底，全国仍有2 5 ，约5 亿吨稠油储量没有动用。之所以有如此多的稠油储量 没有动用，是由于中国开发稠油资源的工艺技术水平较低，存在一些关键技术瓶颈，不 能满足大规模开发的需要。因此，研究稠油的举升技术对我国石油战略有重大意义，研 究适合这类油井的低成本、高效率的采油设备，同时研发配套的应用软件尤为必要。 1 2 稠油开采国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 早在1 9 3 1 年，美国t e x a s 州的一个油藏就注过蒸汽【1 1 ，1 9 5 2 壳牌( s h e l l ) e 油公司在 美国加州y o r b al i n d a 油田开始蒸汽驱先导试验，获得了注蒸汽驱的大量生产数据和经 验【2 1 。 1 9 5 9 年委内瑞拉m e n e g r a n d e 油田首先提出了蒸汽吞吐技术0 1 ，此后蒸汽吞吐技术 得到了极大推广。1 9 6 4 年，加拿大在c o l dl a k e 沥青砂开展蒸汽吞吐，经过多年试验， 1 9 8 0 年日产油量达到7 0 0 桶。 加拿大i - i u s l ( y 石油公司在2 0 世纪6 0 7 0 年代对疏松砂岩稠油油藏采用“出砂冷采 的方式进行开采。8 0 年代中后期，加拿大的一些小石油公司开展了稠油出砂冷采的探索 性矿场试验并取得了较好的效果。8 0 年代末9 0 年代初，“出砂冷采 这一概念被正式提 出【4 】。 第1 章前言 北亚德里亚海油田在1 9 9 3 1 9 9 4 年进行了海上油田进行适度出砂生产的试验。北海 油田在1 9 9 6 年对该技术试验获得了成功，到1 9 9 9 年末，该油田大约有2 0 0 3 0 0 口油井 采用了适度出砂生产【5 1 。 b u t l e r 和s t e p h e n s 在1 9 8 1 年首先提出了s a g d 的概念，并应用半解析计算方法与 室内实验方法，证实了连续注入蒸汽和连续采油可以获得最大的采收率【6 j 。g r i f f i n 和 t r o f i m e n k o f f 在19 8 6 年将b u t l e r 和s t e p h e n s 提出的s a g d 理论拓展到直井与水平并组 合开采上，试验得出的结论与理论结果非常接近【7 】。 2 0 世纪2 0 年代，美国b e c k m a n 指出细菌有利于开采石油1 8 。s i n g e r 等人从含稠油、 沥青的土壤中富集培养分离出产表面活性剂菌，以委内瑞拉m o n a g a s 稠油( 粘度 2 5 0 0 0 m p a s ) 为碳源进行培养，结果该细菌产生了生物表面活性剂，形成了稳定的乳状液， 对稠油的降粘率高达9 8 0 1 。p o t t e r 等人对c e r r o n e g r o 稠油沥青质进行微生物降解，在 3 7 c 添加微生物及碳、氮源好氧培养两个月，稠油沥青质降解率达4 0 t 1 0 】。 1 9 世纪6 0 年代在美国俄亥俄州和加利福尼亚州进行了最早的采矿法泄油试验【1 1 1 。 1 9 6 8 年，前苏联在y a r e g a 油田进行了浅层稠油热坑道内开采试验【1 2 1 。1 9 7 7 年6 月美国 怀俄明n o r t ht i s d a l e 油田采用了浅层坑道采油技术【1 3 1 。1 9 9 0 年4 月1 9 9 4 年3 月对 a t h a b a s c a 油砂层进行u ，i l f 坑道采油试验【1 4 1 ，论证了u r f 工艺在工业规模生产时技术 上和经济上的可行性。 1 2 2 国内研究现状 1 9 8 2 年，辽河油田与北京石油勘探开发研究院密切合作，在高升油田深度1 6 0 m 的 7 口油井首次进行蒸汽吞吐试验成功，当年热采产量1 2 x 1 0 4 t 。 1 9 9 7 年，辽河油田在杜8 4 块开展s a g d 先导试验f 1 5 】。2 0 0 2 年以来，辽河油田相 继对杜8 4 块兴隆台油层兴组直井与水平井组合s a g d 和杜8 4 块馆陶油层直井与水平 井组合s a g d 进行可行性研究，初步确定了s a g d 作为稠油吞吐后期提高采收率的接 替方式【16 1 。 我国从1 9 5 8 年起，开展火烧油层矿场试验【1 7 】。1 9 9 3 年胜利油田将火烧油层列为重 点先导试验项目，先后在金家油田和高青油田进行了高渗透稠油并、低渗透稠油井和蒸 汽吞吐过的稠油井组三种不同类型井的火烧现场试验，试验井通电一次成功，所有井都 点燃油层，并维持了油层燃烧，累计增油2 5 3 6 9 t t l 8 1 。 2 0 0 4 年，韩国庆、李相方等针对海上油田的实际情况，分析了适度出砂生产的优势 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和带来的系列问题，认为在渤海稠油油田进行适度出砂方式开采是可行的【1 9 】。 2 0 0 2 年，武海燕等2 0 1 在4 2 ( 2 下以克拉玛依九区9 8 7 2 5 井稠油为碳源培养不同细菌， 筛选出的高效稠油降解菌使稠油沥青质含量由3 5 。3 8 降至1 8 。5 7 、2 0 c 粘度由 1 1 6 9 9 7 。3 m p a s 降至5 1 4 1 0 3 m p a s 口张廷山等【2 1 】分离、选育出能降解沥青质、耐温高达 8 0 c 、耐矿化度3 x 1 0 5 m g l 的高效稠油降解菌种( 兼性菌) 及菌种组合，利用筛选的该 兼性菌对青海油田咸水泉稠油进行微生物降粘处理2 4 h ，稠油沥青质含量由2 4 5 降至 7 4 4 ，粘度降低率3 0 4 1 ，所筛选的菌种对高温、高盐油藏稠油微生物开采具有较强 的实用价值。 2 0 0 0 年，曲占庆，张琪等人在对稠油粘温关系和深井举升工艺进行研究的基础上， 结合实验室掺稀油降粘效果研究结果，对空心杆泵上和泵下掺稀油举升工艺的可行性进 行了研究删。 2 0 0 1 年，陈德春、张琪等针对稠油井井筒流体流动难的特点，利用节点系统分析方 法建立了空心抽油杆和油套环空掺化学剂的抽油机井举升工艺计算模型，并研究利用化 学方法改善井筒流体流动的条件f 2 3 】。 2 0 0 6 年，薛建泉、刘均荣等人进行了不同稠稀比混合物的粘温关系试验，建立了稠 油井采用空心杆掺稀油降粘的举升工艺设计模型【2 4 】。 2 0 0 2 年，董长银，张琪，李志芬等人根据传热学和能量平衡原理，同时考虑由流体 相变导致的焦耳汤姆森效应，建立了稠油泵井筒流体温度分布数学模型，并研究了温度 分布随时间的变化规律【2 5 l 。 1 3 稠油井筒降粘举升工艺现状 稠油在开采过程中主要表现出两大难题。一是原油在地层中流动性差，流入井筒困 难。在此类油藏中需要有高驱动能量，且气、水的粘滞指进严重，最终采收率低。目前 国内外解决这一问题的主要手段是采取热处理油层技术( 如注蒸汽和火烧油层等) 。二 是原油可以流入井筒，但在油藏自身的压力和温度下，难以被举升至地面。由于原油在 被举升的过程中，受到温度、压力降低及脱气等因素的影响，其在井筒中的流动条件进 一步恶化，这给抽油设备的工作造成很大困难，解决这一问题的主要手段是选择合适的 工艺技术来改善井筒流动条件，采用常规举升工艺进行生产。井筒降粘开采稠油工艺主 要有电加热降粘、掺化学降粘剂降粘、掺稀油降粘和热流体循环降粘技术等。 第1 章前言 1 3 1 电加热降粘技术 电加热采油工艺中，常用的加热方式有伴热电缆采油工艺和电热杆采油工艺等。电 加热降粘具有加热温度高，降粘效果好，使用方便，选井条件宽等优点【2 6 】。缺点是耗电 量大，采油成本高，电缆易断，对采用电热杆的油井抽油机悬点载荷大，下泵深度受到 限制。 1 3 1 1 伴热电缆采油工艺 伴热电缆采油工艺即在油管外绕上电缆，靠电缆发热确保油管内原油自由流动出井 口。伴热电缆分为恒功率伴热电缆与恒温( 自控温) 伴热电缆两种，后者节约电能， 但价格昂贵，前者则相反【2 羽。伴热电缆采油工艺的优点是地面和井下设备简单，生产管 理方便；缺点是起下油管作业中电缆容易损坏，甚至造成油井大修。 1 3 1 2 电热杆采油工艺 电热杆加热技术是将电缆连同空心杆一同下到井下油井结蜡点以下，使得空心抽油 杆内的电缆发热或利用电缆线与空心抽油杆杆体形成回路，根据集肤效应原理将空心抽 油杆杆体加热，通过传热提高井筒生产流体的温度，降低粘度，改善其流动性。 电热有杆泵加热工艺可分为泵上加热和过泵加热。 泵上加热技术适用于原油能够流入泵的油井，能降低原油在举升过程中受到的粘滞 阻力，使其被顺利举升至地面。目前，胜利油田草古1 地区应用较多的是泵上加热技术【2 9 】。 空心抽油杆过泵加热是将电缆穿过空心环流泵，进入泵下特种空心杆，到达下端电 路连接器与特种空心杆、柱塞中心杆及空心抽油杆接通形成回路。实现了从泵下、泵内 到泵上对油井产液的全过程加热。该技术在孤东油田k d 5 3 块共实施1 5 口井，成功率 1 0 0 ，于1 9 9 7 年建成3 x 1 0 4 t 产能【3 0 1 。 1 3 2 闭式热流体循环技术 1 3 2 1 闭式液体循环工艺 闭式液体循环工艺所用的循环流体与油层产出液不相混合，而且循环流体也不会对 油层产生干扰。常用适合有杆泵的井下闭式液体循环的管柱结构有以下两种： ( 1 ) 加热管同心安装，油管上安装有封隔器，热流体从两油管环形空间进入井筒，由 油套环形空间返回地面，油层采出流体由中心油管举升到地面。 ( 2 ) 加热管与生产油管平行安装，在油管下部装有封隔器，热流体由加热管注入井筒， 由油套环形空间返回地面油层采出流体经油管举升到地面，这种结构需有较大的套管空 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 间，且井下作业困难。 1 3 2 2 空心抽油杆闭式热流体循环工艺 空心抽油杆闭式热流体循环工艺为油层流体进入油管后，经特定的换向设备进入空 心抽油杆流向地面，而热流体由杆与油管的环形空间进入井筒，然后由油套环形空间返 回地面。 1 3 - 3 掺液降粘技术 掺液降粘技术是指通过向井筒流体中掺入化学药剂、稀油等，使流体粘度降低的开 采稠油及高凝油的技术。此外，混合后的混合流体密度一般小于原地层产出液密度，可 降低并筒静压损失，从而提高产量1 3 1 1 。 ( 1 ) 根据流体的通道不同可以分为正循环和反循环两种。 1 ) 正循环 正循环是指将掺入液以一定的流量由油管注入井筒中，在井筒中的某一深度上进入 油套环形空间与生产流体混合对其降粘，然后一起被采到地面。 2 1 反循环 反循环是指将掺入液以一定的流量通过油套环形空间注入井筒中，加热井筒生产流 体及油、套管和地层，然后在某一深度上进入油管并与生产流体混合后一起采到地面。 ( 2 ) 根据井下管( 杆) 柱结构的不同，主要分为开式液体循环和空心抽油杆开式液体 循环。 1 ) 开式液体循环工艺 开式液体循环工艺是将掺入液以一定的流量通过油管或油套环形空间注入井筒中， 加热并筒生产流体及油管、套管和地层，然后在泵下或泵上的某一深度上进入油套环形 空间或油管并与生产流体混合后一起采到地面。 2 ) 空，1 5 , 抽油杆开式热流体循环工艺 空心抽油杆开式热流体循环工艺是将空心抽油杆与地面掺入液管线连接，掺入液从 空心抽油杆注入，经杆底部阀流到油管内与油层采出流体混合后一同被举升到地面。 ( 3 ) 根据单流阀与抽油泵的相对位置，可分为泵上掺液和泵下掺液。 1 ) 泵上掺液降粘技术 泵上掺液工艺技术具有不污染地层，不影响泵效，投入低、产出高、占井周期短， 生产过程稳定的优点。但没有解决稠油进泵阻力大的问题，而且往往由于掺入液与产出 第1 章前言 液混合不均匀造成降粘效果不好。 2 ) 泵下掺液降粘技术 泵下掺液工艺技术的优点是掺入液与产出液混合均匀，工艺简单，占井周期短，作 业投入费用低。但泵下掺液会影响泵对油层产出液的有效排量，而且泵下掺液会影响井 底流压，不利于大生产压差的建立。 1 3 4 国内外常见的抽稠泵 ( 1 ) 液力反馈抽稠泵【3 2 1 的结构及工作原理 该泵和空心抽油杆配套应用，如图1 1 所示，液压反馈抽稠泵是由上、下两个泵有 机的串联起来，抽汲过程中上、下泵皆处于密封状态。上冲程时，出油阀关闭，井内液 体经下柱塞中心孔顶开进油阀进入下柱塞与上泵筒和上柱塞所形成的环形腔室；下冲程 时，环形腔室逐渐减小，油井液打开出油阀排至上柱塞中心空腔及泵上油管内，完成整 个抽汲过程。随着泵的不断抽汲，井液被抽到地面。柱塞下行过程中，进油阀始终处于 关闭状态，由于下柱塞上端压力与泵上压力相同，下柱塞下端是沉没压力，二者产生一 液柱压差。此压差推动泵柱塞下行，以克服因油稠所产生的下行粘滞阻力。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 1 液力反馈型抽油泵示意图 f i g l - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cf e e d b a c kp u m p 1 连接杆，2 上接头，3 上出油阀罩，4 - 反馈柱塞游动阀罩，5 - 工作柱塞游动阀，6 反馈柱塞， 7 工作柱塞，8 连接接头，9 密封副，1 0 - 泵筒，1 1 泵筒接箍 1 - c o n n e c t i n gr o d ，2 一t o pj o i n t ，3 - t o po i l o u t l e tb o n n e t , 4 - f e e d b a c kp l u n g e rm o t i l i t yb o n n e t ，5 - w o r kp l u n g e rt r a v e l l i n gv a l v e ，6 - f e e d b a c kp l u n g e r , 7 一w o r kp l u n g e r 8 - a t t a c hf i t t i n g 9 - s e a l i n gp a i r , 1 0 一p u m pb a r r e l , 1 1 - p u m pb a r r e lc o l l a r 利用泵上液柱压力产生的液压反馈力，增加泵下行力，克服泵上杆柱因油稠造成的 下行困难，使抽油泵在稠油井中正常生产。 ( 2 ) b n s 井下抽稠泵 3 3 】 b n s 抽稠泵通过消除抽油杆在稠油中的运动阻力，解决抽油杆在稠油中的下行困难 问题。其结构如图1 2 所示。 b n s 井下抽稠泵是将泵上油管与密封函所形成的容腔内加满液体( 水或轻质油) ， 使抽油杆在稀液中运动，井液由油套管环形空间产出，消除了抽油杆在稠油中的运动阻 力。该泵还可以进行油井的正、反热洗。其抽汲原理与常规泵相同。 7 0 l l 2 3 4 5 6 7 8 9 l l 第l 章前言 珊n 、 # 4 卫 jl r ， 、 嚣： - _ - l _ _ 一一 u 答 、 剑 q 。 l 1 1 图1 - 2b n s 抽稠泵示意图 f i 9 1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb n sh e a v yo i lp u m p 1 油管，2 反洗器，3 释放接头，4 油管短接，5 脱接器，6 - 碰泵接头，7 - 正洗器，8 - 拉杆， 9 密封函，1 0 出油孔，1 1 封隔器，1 2 泵筒，1 3 柱塞，1 4 游动阀，1 5 - 固定阀 l t u b e ，2 一b a c k w a s hd e v i c e ，3 一r e l e a s ej o i n t , 4 - t u b i n gs h o r tc o n n e c t i o n ， 5 - c o n n n e c t i n gt r i p p i n gd e v i c e , 6 - a d v o i d a n c ep u m pj o i n t ，7 - d i r e c tf l u s h i n gd e v i c e , 8 一c l a m p i n gl e v e r , 9 - s e a lb o x , 1 0 - e x i tp o r e ，1 1 - e x c l u d e r , 1 2 - p u m pb a r r e l , 1 3 - p l u n g e r , 1 4 - t r a v e l l i n gv a l v e , 1 5 - k x e dv a l v e 1 4 稠油举升面临的技术难题 原油在油藏条件下具有较好的流动性，但是在井筒内上升过程中，井筒压力降低， 导致原油脱气，而且井筒温度降低。在这种情况下原油粘度增大，流动性变差，使得油 井无法投产和维持生产。 1 5 主要研究内容 本文主要研究以下内容： 8 | | | | | | | | | | | | | 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 通过文献调研，了解稠油举升、井筒降粘和常用抽稠泵的国内外研究现状。 ( 2 ) 分析影响稠油粘度的主要因素，了解掺稀和掺化学降粘剂对稠油粘温特性的影 响。 ( 3 ) 基于稠油的性质设计出一种新型掺液抽稠泵，对泵的薄弱部分进行强度计算。 ( 4 ) 建立稠油油井产能预测模型、井筒温度场模型、抽油杆柱力学模型等，并对举升 参数进行优化。 ( 5 ) 编写掺液抽稠泵的配套应用软件，能够对所建立的各个模型求解。 9 第2 章稠油粘度特性研究 第2 章稠油粘度特性研究 2 1 稠油的分类标准及基本特点 2 1 1 稠油的分类 稠油在中国是指原油脱气后粘度高于l o o m p a s 或者含气原油粘度高于5 0 m p a s 。根 据原油粘度，稠油可以分为几种类型：一般稠油指脱气后粘度小于1 0 0 0 0 m p a s ，特稠油 指脱气后粘度在1 0 0 0 0 m p a s 到5 0 0 0 0 m p a s ，超稠油指脱气后粘度高于5 0 0 0 0 m p a s ( 见 表2 1 ) 【3 4 1 。 表2 - 1 中国稠油分类标准 t a b l e 2 1 c l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r do fh e a v yo i li nc h i n a 2 1 2 我国稠油的一般性质 我国稠油油藏分布广泛，类型多，埋藏深度变化很大，一般在l o - - - 2 0 0 0 m 之间，主 要是砂岩储集层，其特性与世界各国的稠油性质大体相似，主要有： ( 1 ) 轻质馏分低，胶质沥青质含量高。一般随胶质沥青质含量增加，油的密度和粘度 增高。 ( 2 ) 随着密度增加粘度增高。 ( 3 ) 烃类组分低。陆相稀油，烃的组分一般大于6 0 ，最高达9 5 ，而稠油一般小 于6 0 ，最低者在2 0 以下。随着稠油烃类和沥青质含量的增加，其密度增大。 ( 4 ) 含蜡量低。大多数稠油油藏原油含蜡量在5 左右。 ( 5 ) 凝固点低。稠油油藏原油凝固点一般低于i o * c ，有的可达7 。 ( 6 ) 金属含量低。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 稠油粘度的主要影响因素 稠油是一种多组分的复杂体系。不同地质年代、不同沉积环境下形成的原油，其物 理化学性质也千差万别。对于含气较少的稠油，影响其粘度的主要因素是稠油组分和开 采条件。稠油中的固体组分主要是石蜡、沥青质和胶质，当这些固体物质在稠油中的浓 度比较大时，稠油粘度急剧增大，具有明显的非牛顿流体的特征。 在油田开发过程中，随着地层温度和压力的变化，地层原油的粘度也将发生一定程 度的变化。例如，注水开发的油田一般注入的是冷水，由于地层的温度逐渐下降，引起 原油中的石蜡析出，呈固体结晶态存在于原油中，这增大了原油的流动阻力，甚至可能 把孔隙通道堵死而造成死孔道或死油区；采取衰竭式开采方法开发油田时，油藏压力将 不断下降，原来溶解于原油的气体成份或轻质组分将分离出来；随着开采的进行，油田 含水率上升，采出液的粘度随着含水率而变化。这些变化都会引起稠油粘度的变化。 2 2 1 稠油组分对稠油粘度的影响 ( 1 ) 蜡对稠油粘度的影响 蜡是原油的基本组分之一，其组成、含量及分散程度对原油的物理性质影响极大。 即使原油中蜡含量相同，其流变特性也可能因蜡组成差异而不同，实质上这取决蜡在原 油中的状态一溶解、结晶和胶凝。 石蜡是一种含有多种烃类的混合物，根据碳链结构i 3 s l ，主要是c 1 8 喝。的正构烷烃 ( 含量约为9 0 9 2 ) ，少量支链位于碳链末端的异构烷烃( 含量约为7 8 ) 和更少量 的带长侧链的环状烃类( 含量约为1 也) 。石蜡常温下呈固态，分子量约为1 6 0 - - 5 0 0 ， 主要存在于5 0 0 c 以下的直馏馏分中，微晶蜡主要为c 3 旷c 6 0 多种饱和烃混合物，包括 支链在任何位置上的长链异构烷烃，少量大分子正构烷烃和长侧链环状烃类，其分子结 构比石蜡更复杂，分子量更大。不定形蜡是微晶蜡和油的混合物。其中，石蜡是大多数 原油沉积物的主要成份，典型原油蜡沉积物由约4 0 - - 6 0 的石蜡和少于1 0 的微晶蜡 组成。微晶蜡与石蜡的组成和性质等都有明显差异，它们对原油流变性的影响也不同。 ( 2 ) 胶质对稠油粘度的影响 胶质分子主要是由4 6 个亚甲基将芳香环连在一起，并含有氧( o ) 、氮( n ) 、硫 ( s ) 等杂原子，其平均分子量在6 0 0 - 3 0 0 0 之间。 前人研究表明 3 6 1 ，胶质含量与稠油粘度成正相关关系，胶质中s 及( s + n + p ) 元素 的含量与稠油的粘度正相关，胶质对稠油的增粘作用可能正是由于其所含较大量的杂环 第2 章稠油粘度特性研究 原子促进了族分子间络合物的形成，而与胶质分子本身的大小关系不大。 文献 3 6 g , - j 脱沥青原油分别用石油醚、四氯化碳、苯、苯乙醇溶剂抽提，将胶质分 成五种亚组分，通过其红外光谱的特征吸收峰，推断胶质主要含芳香羧酸、并含有一定 数量的醚类，胺类和酚类化合物。正是这些极性较强的胺、醇、醚类化合物，一方面使 胶质分子具有极性，另一方面通过分子间力使胶质分子间、胶质与沥青质分子间产生缔 合作用，引起胶质沥青分子的聚集，因而造成原油体系粘度的升高。此外，国外研究者 采用c p c 逐级分离技术 3 7 , 3 8 ，也证实胶质确实为杂环和各种稠环羧酸的复杂混合物。由 于大量羧酸的存在，在地层高矿化度条件下，胶质分子将呈现一定的表面活性。这种“混 合 表面活性物质一方面与原油中所含的水形成w o 乳状液，使原油的粘度增大；另一 方面又使胶质以稳定的胶体分散状态存在于原油中，容易形成聚集状态稳定的分子聚集 体，因而也使原油的粘度增大。 因此胶质中存在大量的杂环原子，它使胶质分子之间或胶质分子与沥青质分子间形 成络合物。这种络合物在稠环羧酸形成的稳定胶体分散状态下聚结成大分子聚集体，这 是胶质组分增稠的主要原因。 ( 3 ) 沥青质对稠油粘度的影响 沥青质是由芳香族、环烷族不同有机物的环构成的凝聚环状体系，能很好地溶解于 石蜡烃的液体中。沥青质的化学组分接近于胶质，是胶质聚集的产物，分子量更高，溶 解于芳香烃而不溶解于石蜡烃。沥青质聚集体具有粒状结构，胶质和芳香族烃比石蜡族 烃的极性强，吸附在沥青质微粒的分子团上形成一个溶剂化层，一般来说，部分溶解的 沥青质聚合体可由微弱的分子力联系起来形成空间结构。 前人对沥青质的结构己做过大量研究【3 9 1 ，沥青质是由数目众多、结构各异的非烃化 合物组成的复杂混合物，它们的成份并不固定，性质也有所差异，是多种物质的缔合体。 但沥青质具有一定的共性：即含多芳香核；n 、o 、s 等杂原子含量高；同时还络合有n i 、 v 、f e 等金属元素：含烷基侧链基团。由于其复杂的结构，沥青质胶束聚集体使得稠油 粘度大幅度增加。 ( 4 ) 沥青质与胶质相互作用对稠油粘度的影响 稠油的某些物理性质如流变特性不只是与其化学组成和化学结构有关，更与稠油的 胶体结构密切相关。许多学者通过大量和长期的研究工作说明，只有少数含沥青质和胶 质的原油是真溶液，大部分原油并不是完全的真溶液，而是种比较稳定的胶体分散体 系，其中分散相由沥青( 胶束中心) 和其表面或内部吸附的部分可溶质构成，分散介质 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 则由余下的可溶质构成，分散介质亦称胶束间相。实际体系中并不存在截然变化相界面， 而是沿胶束核心向外其芳香度和分子极性连续递减至最小( 分散本体) ，呈现“梯度” 变化特征。 石油胶体的稳定性取决于以下几种因素，各组分在各相之间处于动态平衡状态；各 组分在数量、性质和组成上必须兼容匹配，也就是说沥青质的含量需适当，可溶质的芳 香度不能太低，且必须有相当数量的组成结构与沥青质相似的胶质作为胶溶组分。当石 油胶体体系中的沥青质含量较低且有充足的胶质时，一般为溶胶状态；当沥青质含量较 高而胶质含量不足时，则往往处于凝胶状态；此外，还有介乎两者之间的溶胶凝胶状 态。任何引起胶束与胶束相之间的平衡发生移动的因素( 如加热和溶剂稀释) 都有可能 破坏石油胶体体系的稳定性甚至导致沥青质的聚沉，引起石油粘度的变化。 原油( 尤其是稠油) 中沥青质及胶质的分子间或分子内相互作用有三种类型，即氢 键相互作用，电荷转移作用和偶极相互作用。这些作用对稠油的宏观性质有很大的影响。 1 ) 氢键作用 氢键作用发生在与电负性原子如o 、n 相连的氢和另外的一个电负性原子或富电子 中心之间。在稠油体系中，由于含n 、0 原子的分子大都集中在胶质和沥青质组分中， 因此氢键可能是引起胶质和沥青质聚集的重要方式。本质上形成氢键需要两个官能团 质子供体( 氢键酸) 和质子受体( 氢键碱) 之间的专属相互作用，这种相互作用形成氢 键络合物： 氢键酸+ 氢键碱付【氢键络合物】+ h 生成 该相互作用为快速可逆平衡。外部条件如温度和浓度的改变会使平衡发生移动。氢 键也可以在分子内部形成，这种氢键不受溶剂稀释的影响。 在石油和沥青中，氢键作用可能比电荷作用更占优势，而且当沥青质和胶质共存时， 沥青质和胶质之间的氢键作用可能比沥青质自身之间的氢键作用占有优势。由此看来， 氢键作用可能是沥青质被胶质分散的主要作用形式。由此推断，沥青质可能不以缔合形 式存在，而是以被胶质充分胶溶并有效分散的单个实体形式存在。 2 ) 偶极相互作用 石油体系的许多物理和化学性质都和它的极性有关，h p m a r u s k a 等人首次对沥青质 中的永久偶极子作了定量研究，评价了它们在沥青质缔合过程中的作用。偶极相互作 用导致沥青质分子缔合形成高分子齐聚物。这种缔合作用源于偶极子靠静电吸引而头尾 第2 章稠油粘度特性研究 相连形成的二聚体、三聚体甚至多聚体。在重质油中，包含杂原子的极性官能团对产 生缔合起着关键作用。体系的介电常数( 偶极子数目与偶极距之乘积) 能够反映沥青 质分子之间的缔合状态。如随沥青质浓度的增加，体系的介电常数值下降，表明沥青质 分子的缔合数目增加；温度升高时体系的介电常数值增加，预示着沥青质缔合体开始解 缔。 3 ) 电荷转移作用 类似于氢键，电荷转移作用是一种供体受体间的相互作用。在石油体系中参与电 荷转移作用的主要物种是稠环芳香性分子。此外，带有孤电子对的杂原子、处于共扼体 系中的自由基及其它缺电子或富电子的缺陷等也都能参与形成电荷转移络合物。电荷转 移作用因发生位置的不同，可能形成两种结构的电荷转移络合物：一种是层状立体构造， 其单元片一般具有平面状共轭大兀键体系；另种是依靠边边相互作用形成的二维构 造。胶质与沥青质分子之间通过电荷转移作用也会形成电荷转移络合物，稠油胶体体系 中胶质分散沥青质的能力部分取决于两组分参与电荷转移作用的程度。 ( 5 ) 沥青质的聚集及其动力学 原油和其它石油混合物中沥青质分子的聚集已进行了许多研究，已证明溶液中沥青 性分子的聚集过程是分步且可逆进行的： 单体；兰粒子；兰胶束暑聚集体 此处粒子指y e n 模型中由3 5 个芳香盘堆积而成的物种，胶束由这些粒子通过氢键 缔合而成。石油溶液中胶束的形成是由于沥青质的存在而引起的，因此沥青质及胶质的 化学特性、温度、压力及溶剂与非溶剂之比等因素都影响沥青性分子的存在状态。早先 一般认为仅由沥青质分子形成胶柬，但已有研究证明胶质分子也能参与胶束化过程。为 形成稳定的胶体体系，有胶质参与形成的沥青质胶质混合胶束必须比纯粹的沥青质胶 束小。这种性质揭示了胶质作为溶剂和非溶剂的双重角色。由此可见，石油溶液中胶束 的形成及其结构和一般的表面活性剂体系是不同的。 沥青质和胶质分子具有表面活性剂( 和n 、o 等杂原子有关) 已被人所共识，该性 质被用于研究沥青性分子的胶束化动力学。和般的表面活性剂分子一样，含沥青性分 子的石油溶液存在临界胶束浓度( c m c ) 。高于此浓度，沥青性分子即发生缔合，形成 胶束。用不同方法测定的沥青质溶液的差别很大，约o 1 9 l 1 5 9 l 。s h e u 等人通过测定 冷却过程中的沥青质和胶束溶液的表面张力来研究胶束化动力学机制，发现当沥青质的 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 浓度大于c m c 时，热平衡动力学由两个过程脱附过程和胶束化过程构成。脱附动力 学比聚集动力学要快得多，这种比较缓慢的胶束化过程是由于沥青质分子的组成和结构 的多分散性造成的。各种温度下沥青质苯溶液的s a n s 结果也表明沥青质的自缔合动力 学过程非常缓慢。但是当向原油加入絮凝剂( 正构烷烃) 时，沥青质聚集体的形成却在 瞬间( 5 秒) 就能达到平衡。这些结果表明：不同聚集过程的动力学有差别，初级 的聚集过程，如沥青质分子堆积形成或胶束涉及到的能量较高，所以在温度较低的情况 下可能其动力学变化很缓慢；而高级聚集过程如胶束生成絮凝体，其活化能几乎为零， 在较低温度下就很易进行。体系组成的改变对沥青质分子的聚集行为影响很大。因为 组成的改变可能完全改变了体系中各种分子间的相互作用，从而在根本上改变了沥青质 分子的聚集动力学。在石油采收和加工过程中，体系组成的改变对沥青质聚集的影响可 能要比外部条件如温度、压力的影响大得多。 综上所述，前人对稠油中沥青质和胶质的结构特点，以及原油的胶体体系的特点进 行了广泛而深入的研究，有些具有普遍意义。但由于稠油产自不同地区，产生的地质条 件千差万别，造成了稠油性质有很大不同。 2 2 2 温度对稠油粘度的影响 稠油的粘度对温度的依赖性很强，随油温从高到低的变化，稠油会从牛顿流体转变 为非牛顿流体，其粘度与温度丁的关系方程可用半对数方程表示： l g , u = a + b t( 2 1 ) 式中脚度，m p a s ； 彳一常数； 瑚温指数； 瑚度，k 。 式( 2 1 ) 表明，随温度升高，稠油的粘度明显呈下降趋势，加热可降低稠油的粘度。 大量实验数据结果表明，稠油的粘度比一般原油的粘度对温度更敏感，稠油在凝固 过程中，随着温度的降低，最后失去流动性，是一个渐变过程。因而稠油的加热降粘效 果比一般原油更显著，因而稠油采用加热降粘处理是经济的。 加热降粘法也存在一些问题，如能耗高，油品变差。 2 2 3 掺稀油对稠油粘度的影响 掺稀油法就是把稀油加入到高粘度的稠油中以降低稠油的粘度，轻油掺入稠油后可 1 5 第2 章稠油粘度特性研究 起到降凝降粘的作用。 轻质油稀释稠油不仅有好的降粘效果，且能增加产油量。在油井含水升高后，总液 量增加，掺输管可改作出油管，能适应油田的变化，因此，在有稀油源的油田，轻油稀 释降粘，具有更好的经济性和适应性。 掺稀法也存在不足，如受到稀油资源的限制，稀原油掺入前需脱水处理，降低了稀 油的物性等。 2 2 4 微生物对稠油粘度的影响 利用微生物降解技术对原油中的沥青质等重质组分进行降解，可以降低原油粘度， 提高油藏采收率，该技术的理论依据是使用添加氮、磷盐、铵盐的充气水使地层微生物 活化。其机理包括：( 1 ) 就地生成c 0 2 以增加压力来增强原油中的溶解能力；( 2 ) 生成有 机酸而改善原油的性质；( 3 ) 利用降解作用将大分子的烃类转化为低分子的烃：( 4 ) 产生 表面活性剂以改善原油的溶解能力；( 5 ) 产生生物聚合物将固结的原油分散成滴状；( 6 ) 对原油重质组分进行生化活性的酶改进从而改善原油粘度。 微生物降解技术的局限性在于微生物在温度较高、盐度较大、重金属离子含量较高 的油藏条件下易于遭到破坏，微生物产生的表面活性剂和生物聚合物本身有造成沉淀的 危险性，并且培养微生物的条件不易把握。因此，该法的发展方向是培养耐温、耐盐、 耐重金属离子的易培养菌种。 2 2 5 化学降粘剂对稠油粘度的影响 化学降粘是指在稠油中加入某种药剂，通过药剂的作用达到降低原油粘度的方法。 目前在任何条件下都能降粘的化学药剂尚未发现，所以只能针对不同的原油物性和不同 的油井生产情况，采取相应的化学降粘措施。常用降粘方法有加入油溶性降粘剂的降粘 技术和加乳化剂的降粘技术。 ( 1 ) 油溶性降粘剂降粘技术 油溶性降粘剂技术(