HDCS技术中各因素对超稠油性质的影响

刘 伟，李兆敏，孙晓娜，李宾飞

(1.成都理工大学，四川 成都 610059;2.中国石油大学，山东 青岛 266580)

引 言

胜利油田王庄郑411块为深薄层超稠油油藏，地面脱气原油密度为1.0433 g/cm3，油藏温度(68℃)下地面脱气原油密度大于1.2×105mPa·s，油藏埋深为1400～1600 m，油层有效厚度约为6～8 m。该区块自2006年开始经过蒸汽吞吐、SAGD等多种技术的现场试验，但由于原油黏度大且埋深较深，导致蒸汽注入压力过高，降低了蒸汽干度，无法实现该区块的有效开发。在前期研究的基础上，该区块运用HDCS技术，实现了超稠油油藏的有效动用，并进入到全面开发阶段［1－2］。该区块利用HDCS技术有效降低了原油黏度和注气压力，但由于这属于1种多元复合吞吐技术，其中各因素在降低原油黏度、改善原油性质方面所发挥的作用、降黏机理和各因素间是否存在协同作用等问题目前尚未明确，因此，有必要掌握HDCS技术中各因素的降黏机理及对超稠油性质的影响，明确其在郑411区块超稠油开发中的作用，以对其他类似油藏的有效开发提供一定的借鉴和思路。

原油的流变特性主要取决于原油中气体和固体物质的含量以及固体物质在原油中的分散程度。原油中的液态组分通常可划分为烷族、环烷族和芳香族3种类型，固体组分主要是石蜡、沥青质和胶质［3－4］。稠油与含蜡原油组成上的明显不同为稠油体系中蜡含量极低(郑411区块原油含蜡量为1.59%)，胶质、沥青质含量较高。稠油高黏度的实质并非石蜡的存在，而是其本身分子(特别是沥青质、胶质分子)在体系各种力相互作用下所形成的复杂大分子结构［5］。Pfeiffer［6］和 Yen.T.F［7］研究发现稠油体系是1种胶体系统，该认识已得到公认，其中沥青质为分散相或胶束相，胶质为溶胶剂，油分(饱和分和芳香分)为分散介质或胶束间相，沥青质通过胶质的分散作用形成液性沥青溶胶，其中对稠油黏度影响较大的是胶质、沥青质含量及其结构。目前广泛采用SARA四组分(饱和分、芳香分、胶质和沥青质)来表示原油的胶体结构［8］。本文主要通过超稠油的原油组分、化学结构参数及黏度等的变化来分析其降黏机理。

1 实验原理及方案

实验通过蒸汽、二氧化碳、降黏剂与郑411区块特超稠油的不同组合，评价其单独或协同降黏的效果。利用柱色谱法分别测定不同组合方案后原油的黏度、四组分含量及胶质、沥青质分子质量变化情况，然后利用核磁共振测试其中沥青质的结构参数，以分析其降黏机理。

该方案共设计对比实验7组(1～7号)，各组组成分别如下:1号原始油样;2号原油加油溶性降黏剂;3号原油加柴油;4号原油加蒸汽;5号原油加二氧化碳;6号原油加二氧化碳和蒸汽;7号原油加蒸汽、二氧化碳和油溶性降黏剂。反应时间均为120 min，黏度均在60℃下测得。

2 实验装置及药品

实验药品:郑411区块采出原油，地面脱气原油60℃下黏度为145169 mPa·s;SLKF系列油溶性复合降黏剂;二氧化碳气体，纯度为99.999%;93号柴油;正庚烷，分析纯;甲苯，分析纯;石油醚为60～90℃;无水乙醇，化学纯;中性氧化铝，层析用，100～200目。

实验装置:油浴锅、超级恒温水浴、真空干燥箱、马弗炉、漏斗、锥形瓶、吸附柱、FYXD0325/400永磁旋转搅拌高压釜、VPO K－7000分子质量测定仪、Bruker Avance－500型核磁共振波普仪等。

3 实验结果与分析

3.1 不同实验条件下超稠油组分及分子质量变化

郑411区块超稠油不同条件下的黏度及四组分变化情况见表1、2。

表1 不同实验条件下超稠油黏度变化情况

由表1可以看出，4号方案原油与蒸汽作用后，黏度略有升高，其余方案均不同程度降低了超稠油的黏度。由于黏度均为在60℃条件下测得，蒸汽对超稠油的热力降黏作用并没有充分体现，且由于油水乳化，导致了其黏度略有升高［9］。

郑411区块超稠油与降黏剂、柴油和二氧化碳作用后，其黏度分别降低了56.10%、51.53%和16.60%;超稠油分别与二氧化碳+蒸汽、二氧化碳+蒸汽+降黏剂作用后，其黏度也分别降低了60.12%和84.38%。

表2 不同实验条件下超稠油组含量变化情况

虽然2号、3号和5～7号方案中郑411区块超稠油黏度均不同程度的降低，但上述方案中稠油四组分含量及胶质沥青质分子质量变化趋势则有所不同，这也反映了其黏度变化机理的不同。

(1)超稠油与降黏剂作用后，胶质和沥青质含量分别下降了350和1115，胶质和沥青质分子质量也分别降低了25.55%和26.80%，说明SLKF油溶性降黏剂对郑411区块超稠油中的胶质、沥青质具有解缔作用;柴油对郑411区块超稠油的降黏效果非常明显，但其中胶质、沥青质的含量及分子质量基本没有变化，而且在四组分含量测定过程中柴油在300℃之前已经被蒸馏掉，不会影响测量结果，可以看出柴油的降黏作用主要依靠其对超稠油的稀释，而对超稠油的化学性质基本没有影响;原油与蒸汽作用后黏度有所增加，但原油四组分及胶质、沥青质分子质量基本没有变化，说明蒸汽对原油的化学性质基本没有影响，黏度变化可能是因为原油经过蒸汽作用后混入了少量的水，产生了原油乳化造成的［9］;原油与二氧化碳作用后黏度稍有降低，但原油四组分及胶质、沥青质分子质量基本没有变化，说明二氧化碳对原油的化学性质基本没有影响，黏度变化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，同时由于温度和压力较低，原油原始黏度较大，二氧化碳靠自身扩散作用较难溶入原油，原油黏度变化不大。

(2)稠油+二氧化碳+蒸汽相互作用后，原油黏度降低了60.12%，但原油四组分及胶质、沥青质分子质量基本没有变化，说明二氧化碳和蒸汽对原油的化学性质基本没有影响，黏度变化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，由于温度和压力较高，二氧化碳在较高压力下容易扩散溶解到原油中，原油黏度下降幅度要高于单独与蒸汽或二氧化碳作用。

(3)稠油与二氧化碳+蒸汽+降黏剂相互作用后，原油黏度降低幅度最大，为84.38%，原油胶质、沥青质含量明显降低，同时胶质、沥青质分子质量也有较大幅度降低，而且比降黏剂与原油单独作用时效果明显，说明蒸汽、二氧化碳以及降黏剂的作用是相互促进的，蒸汽的热力降黏作用使得原油黏度变小，较低黏度的原油有利于二氧化碳和降黏剂的扩散，提高了降黏效果。

3.2 核磁共振分析结果

通过核磁共振波谱法测定沥青质结构参数。配合油样的碳氢原子比，可计算油样的芳香度:

式中:fA为油样的芳香度;C为油样中碳原子数;H为油样中氢原子数;HT为与芳香碳直接相连的氢原子数;Hα为与芳香环的α碳直接相连的氢原子数;Hβ为芳香环的β碳上的氢以及β以远的CH2及CH基上的氢原子数;Hγ为芳香环的γ位以及γ以远的CH3基上的氢原子数。

通过式(1)计算得出fA，结果见表3。

表3 核磁共振氢谱测定沥青质4类氢的分布

假定整个环系均为渺位缩合，且环烷环都是六圆环与芳香环并合，则沥青质的其他结构参数可根据式(2)～(7)求得:

式中:CT、CA、CN、CP、H1分别为平均分子中的总碳数、芳香碳数、环烷碳数、烷基碳数和总氢数;RT、RA、RN相应为平均分子中的总环数、芳香环数和环烷环数。

根据表3所得数据，按式(2)～(7)计算沥青质其他结构参数，结果见表4。

表4 沥青质结构参数

由表4可知:加入降黏剂后，沥青质分子中fA有所上升，总碳数、芳香碳数、环烷碳数、烷基碳数、芳香环和环烷环数均有所降低，这说明降黏剂具有解缔沥青质的作用，能分离超稠油沥青质中的部分结构，导致芳香环数量上升;二氧化碳、蒸汽和降黏剂复配使用时，以上参数降低程度最大，说明3种因素协同作用对沥青质结构的影响最大;而其他形式的处理方式基本不影响稠油沥青质结构，验证了柴油、二氧化碳和蒸汽对稠油沥青质无解缔作用。

4 结论

(1)降黏剂、二氧化碳和柴油对郑411区块超稠油均有较为明显的降黏效果，但其降黏机理不同。降黏剂与郑411区块超稠油作用后，可以解缔沥青质，导致超稠油中胶质、沥青质含量和分子质量均呈下降趋势，沥青质分子中芳香度上升;且降黏剂与二氧化碳和蒸汽复配使用时，其可以产生协同作用，明显降低原油黏度，对沥青质结构的影响也最大。

(2)二氧化碳对郑411区块超稠油的降黏机理主要是依靠二氧化碳的溶解，且温度升高时，二氧化碳溶解性变好，降黏效果也更为明显。柴油和二氧化碳及蒸汽对稠油的化学性质没有影响。

(3)油溶性降黏剂对郑411区块超稠油的降黏效果明显，沥青质含量和分子质量下降幅度较大，对于沥青质含量较高的超稠油油藏，可以充分利用油溶性降黏剂解缔沥青质大分子的特性，有效降低注气压力，提高注气干度。

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