稠油降粘技术及降粘机理研究进展
发布时间：2022-04-27
摘 要 综述了传统和新开发的稠油降粘技术及其降粘机理，并分析了各种降粘技术的优势和不足，指出发展复合降粘技术是未来稠油降粘的研究方向。
关键词 稠油 降粘技术降牯机理
世界稠油资源极为丰富，其地质储量远超过常规原油…。据统计，世界稠油、超稠油和天然沥青的储量约为l×1012 t。我国已在12个盆地发现了70多个重质油田【2.3】。其资源量约占总石油资源的25%一30%。为满足工农业生产对能源日益增长的需求，稠油的开发日益引起各国的重视。据美国能源部预测，到本世纪中叶，稠油和超稠油将占世界能源供应量的50%以上。密度大、凝点高、粘度大、流动困难是我国稠油资源的突出特点【4】。因此，降低稠油粘度，改善其流动性是解决稠油开采、集输和炼制问题的关键。
1稠油降粘技术及降粘机理
1.1加热降粘技术
稠油的粘度受温度的影响比常规原油更敏感【5.6】。加热降粘技术主要是根据稠油粘度对温度的依赖性很强，随着油温从高到低变化，稠油会从牛顿型流体转变为非牛顿型流体，随着温度升高，稠油粘度呈下降趋势。这是因为稠油中胶质与沥青质分子的结构特点及相互作用，使稠油体系形成了一定程度的'r键和氢键，当体系获得足够的能量时，丌键和氢键被破坏，造成稠油粘度大幅度降低，特别是超稠油和特稠油，这是热力开采稠油的主要机理。
用加热降粘技术输送稠油是传统的输送方法，在许多国家和地区都得到了广泛应用，委内瑞拉从1955年开始采用这种技术。但最大缺点是当管线温度降至环境温度时，常发生凝管事故【J¨，且其能耗高，占输量l%以上的原油被烧掉和损耗，经济损失大。因此，应逐渐减少或取代加热降粘输送。近些年来，电伴热法应用越来越广泛。
1.2掺稀油降粘技术
掺稀油降粘技术是将稀油加入高粘度的稠油中进行稀释，降低稠油粘度。其作用机理【8】是通过稀释剂降低沥青胶质的浓度，从而减弱稠油中沥青质胶束间相互作用。稀油掺人稠油后，对于含蜡量和凝固点较低而胶质和沥青质含量较高的高粘原油，其降凝降粘作用较显著。而对于含蜡量和凝固点较高的原油，其降凝降粘作用较差。所掺稀油的相对密度和粘度越小，降凝降粘效果越好，掺人量越大，降凝降粘作用越显著。一般地，稠油与稀油混合温度越低，降粘效果越好。但混合温度应高于混合油的凝固点3～5℃，等于或低于混合油凝固点时，降粘效果反而变差。在低温下，掺人稀油后可改变稠油流型，使其从屈服假塑性流体或假塑性流体转变为牛顿型流体【9】。
在我国辽河高升油田稠油中，掺入1/3的稀油量，可使50℃的粘度由2 000—4 000 mPa·s降为150—200 mPa·s。
在油井含水量升高后，总液量增加，掺输管可改作出油管。因此，在具有稀油资源的油田，稀油稀释降粘具有更好的经济性和适应性。但掺稀油降粘也存在不足，首先，受到稀油资源的限制，由于稀油储量有限，且产量呈下降的趋势;其次，稀油掺入前，必须经过脱水处理，而掺人后，又变成混合含水油，需再次脱水，增加了能源消耗;再次，稀油用作稀释剂掺入稠油后，降低了稀油的物性。稠油与稀油混合共管外输时，不但增加了输量，并对炼油厂工艺流程及技术设施产生不利的影响【6】。所以掺稀油降粘有一定的局限性。目前新疆、胜利、河南等油田对距离较远的接转站，均采用掺稀油降粘流程。
1.3水热催化裂解降粘技术
水热催化裂解降粘技术是利用稠油与水蒸汽间发生的水热裂解反应，在催化剂的作用下，使高碳数的稠油发生部分裂解而成为轻质油，不可逆地降低了稠油粘度。水热催化裂解降粘技术具有很高的潜在价值，是未来经济、高效开采稠油的新途径。该技术通过水热裂解改善了稠油的油品品质，使原油的蒸汽压增加，油层压力和能量增加【10】，并具有较高的利润。
稠油水热裂解中最重要的反应步骤是稠油中有机硫化物硫键的裂解，这可能是由于油层矿物中某些金属离子、稠油重质组分中键合金属及添加的金属催化作用所致，金属离子与水分子络合而成络离子，对稠油中杂原子S进攻，造成稠油中 C—s健断裂，使稠油中的沥青质含量降低，稠油分子变小，相对分子质量减小，最终导致稠油粘度降低…’I引。水热裂解反应过程中产生的H2在催化剂作用下可实现井下就地加氢，饱和烃、芳香烃含量增加，及胶质、沥青质含量降低，为稠油粘度的降低提供了条件，稠油及沥青质相对分子质量和杂原子含量的降低，使稠油分子间的作用力降低，导致稠油粘度进一步降低。水热裂解反应通过水气转换等反应生成的氢也促进了有机硫化物的加氢脱硫反应。稠油脱羰和脱羧作用也可降低稠油中0含量，s和0的脱除使胶质和沥青质重质组分含量降低，稠油相对分子质量和极性减小，分子聚集作用减弱，导致稠油粘度降低。稠油中重质组分发生的脱烷基侧链作用会因某些催化物质及供氢物质的存在而得到加强，进而裂解并改质稠油。但有些情况下，由于聚合反应的竞争而使粘度不仅不减小反而增大，这取决于温度、反应时间、稠油组成和反应环境等条件，可以通过添加碱性物质控制反应体系的碱性促进裂解反应【13朋]。水热催化裂解降粘技术不同于单纯的热采法，是不可逆的，但该技术需要热驱动，催化剂选择较难，限制了其发展。研制效果好、成本低的催化剂将是以后的主要研究方向【I引。
1.4微生物降粘技术
微生物降粘技术是一项利用微生物自身活动 (降解作用)和代谢产物(表面活性剂等)活动提高油井产量或原油采收率的综合性技术。微生物降低稠油粘度主要是[16-…：(1)通过降低稠油中大分子组分，减小其平均相对分子量;(2)微生物产生的生物表面活性剂、酸、气等代谢产物能大幅降低粘度。其降粘机理包括【l8】：(1)就地生成cO，以增加压力，增强原油中溶解能力;(2)生成有机酸而改善原油性质;(3)利用降解作用将大分子的烃类转化为低分子烃;(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。该技术具有成本低、施工方便、适应性强、产出液后处理容易、不污染环境、经济效益好的优点，已成为重要的三次采油技术。微生物单井吞吐已经在胜利油田东辛 A8一x井成功应用【l引。
目前微生物对稠油的降解主要针对高碳直链烷烃，适用于中低含量胶质、沥青质的普通稠油油藏，而对于富含沥青质、胶质的稠油，由于沥青质、胶质结构复杂，微生物对其降解十分困难，开采效果并不理想C20,21】。因此，开发培育针对于沥青质、胶质结构的优良微生物菌种，具有重大的现实意义。另外，微生物技术效果与油层特征、施工背景和菌种与地层流体的配伍性能有关，开发的微生物菌种往往针对性强，适用面窄。并且微生物在温度较高、盐度较大、重金属离子含量较高的油藏条件下易遭到破坏，微生物产生的表面活性剂和生物聚合物本身有生成沉淀的可能，并且培养微生物的条件不易把握。这些都限制了该技术的发展与应用。因此，培养耐温、耐盐、耐重金属离子的易培养菌种是微生物降粘技术的发展方向。
1.5油溶性降粘剂降粘技术
油溶性降粘剂降粘是在降凝剂技术的基础上发展的一种新型降粘技术。降粘机理∞】是降粘剂分子借助较强的形成氢键能力通过渗透、分散作用进入胶质和沥青质片状分子之间，部分拆散平面重叠堆砌而成的聚集体，形成有降粘剂分子参与(形成新的氢键)的聚集体。这些聚集体片状分子具有无规则堆砌、结构比较松散、有序程度较低、空间延伸度较小的特点，降低了稠油的粘度。由于不同稠油的胶质、沥青质分子结构和分子大小不同，油溶性降粘剂具有很强的选择性。一般来说，加人降凝剂时稠油凝固点会降低。由于蜡的网状结构被抑制，屈服值降低，表观粘度也有一定幅度的下降，即降凝剂都具有降粘作用。目前已经有针对性地开发了一些专门用于降粘的油溶性降粘剂，这些降粘剂与降凝剂的最大不同在于其结构中含有极性较大的官能团和(或)表面活性的官能团，有时还与表面活性剂或溶剂复配使用【2引。国内外有关油溶性降粘剂的报道较少，主要集中在降凝剂方面。
油溶性降粘剂可以直接加降粘剂，还可以避免乳化降粘存在的后处理(如脱水)问题，有很好的开发前景。但还存在一些问题，如降粘率不高，降粘效果较好的降粘率一般仅为70%左右，与乳化降粘剂相比，油溶性降粘剂价格较高，且药剂用量大，导致使用成本高，单独使用很难达到生产要求，特别是对于特稠油、超稠油，即使油溶性降粘剂的降粘率很高，也不能满足降至1.5 Pa·s的生产要求，必须与其他工艺配合使用，而这又降低油溶性降粘剂的应用价值。到目前为止，完全用油溶性降粘剂进行稠油化学降粘开采的工业性试验在国内外文献中尚未见报道。当然这除了没有性能优良的降粘剂外，井下加药工艺不过关也是一个制约因素[24】。深入研究探索稠油降粘机理是成功设计新型油溶性稠油降粘剂的关键。油溶性降粘剂的研究趋势是在分子骨架上引入具有极性或表面活性的侧链，利用极性基团和表面活性剂基团的空间效应和降低固液界面张力的能力，提高对蜡晶、胶质、沥青质的分散作用。具有极性官能团侧链和长烷基主链的二元、三元共聚物是目前油溶性降粘剂的主要成分，高分子表面活性剂或高表面活性的表面活性剂与之复配增效和降低成本是油溶性降粘剂的发展趋势L24 J。
1.6乳化降粘技术
乳化降粘就是在表面活性剂作用下，使稠油的W/O型乳状液转变成O/W型乳状液，达到降粘的目的。乳化降粘的机理主要包括【25·26】：(1) 乳状液理论：在表面活性剂的作用下，注入井下的水溶液使高粘度的稠油，即W/O型乳状液转变为低粘度的O/W型乳状液，实现稠油的乳化降粘开采。表面活性剂的水溶液与稠油形成的O/W乳状液体系的粘度，主要取决于分散介质(即水外相)的粘度，但内相的体积分数对乳状液粘度也有影响。由于原油中含有天然乳化剂(包括胶质、沥青质、环烷酸、叶琳族化合物等)，当原油含水后，易形成W/O型乳状液，使原油粘度急剧增加。水包油乳状液的粘度随油在乳状液中所占体积分数的增加而呈指数形式增加;对于油包水乳状液，其粘度与油粘度成正比，含水量越大，粘度越高。 (2)最佳密堆积理论：根据立体几何的最佳密堆积原理，原油中含水量小于25.98%时，应形成稳定的W/O型乳状液，含水量大于74.02%时，应形成稳定的O/W型乳状液，含水量在25.98%～ 74.02%范围内，属于不稳定区域，既可形成O/W 型，又可形成W/O型的乳状液。由于原油中含有天然的W/O型乳化剂，一般形成w/o-孚L状液，使原油粘度大幅增加。
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乳化降粘技术的关键是选择质优、价廉、高效的乳化降粘剂。较好的降粘剂应具有以下特性[27,28]：(1)对稠油具有较好的乳化性，能形成比较稳定的O/W乳状液，降粘效率高;(2)形成的 O/W乳状液不能太稳定，否则影响下一步的原油脱水。近年来，有关乳化降粘剂的配方研究十分活跃，但仍存在较多问题㈣】：(1)虽然用作乳化降粘剂的表面活性剂的配方很多，但适用范围均较窄，通常某一特定的降粘剂只适合于某一种稠油。稠油组成的差异是造成乳化降粘方法适用范围窄的主要原因。(2)稠油组成如何影响乳化降粘效果，乳化降粘剂结构与其性能的关系如何，至今仍未得出明确的答案。(3)随着采油深度增加和地质条件的复杂化，对乳化降粘剂提出了更高的要求，不仅要求其具有低界面张力，而且要求它抗矿盐、耐高、低成本。因此，研究廉价的耐盐、耐高温的降粘剂是今后乳化降粘技术的重要发展方向。
1.7超声波降粘技术
超声波降粘是近年来发展迅速的降粘新技术，西方国家在声波研究上已取得了一定的成效和发展㈣】，国内各大油田也陆继开展了超声波降粘的研究工作。在稠油开采和输送中，超声可起到对油井及输送管道的防垢、除垢、降低原油的粘度、提高岩层的渗透率等作用。
超声降粘的作用机理主要有【3。,321：(1)空化作用，当一定频率的超声波作用于稠油时，使稠油中微小泡核被激活。当声压足够大时，在声波负压作用下，气泡核膨胀;在声波正压作用下，气泡核压缩，表现出气泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。气泡核崩溃时，在其周围的极小空间和极短时间内，局部产生高温达 10 000℃，瞬时压力可达几千甚至几万个大气压，并伴随着强烈的冲击波和时速达400 km/h左右的射流的空化作用。超声波的空化作用可以改变原油内部结构，使原油的部分大分子断裂为小分子。——论文作者：柳荣伟- 陈侠玲2 周 宁1
