稠油黏度影响因素研究进展

展学成，马好文，王 斌，谢 元，孙利民，吕龙刚

（中国石油 石油化工研究院 兰州化工研究中心，甘肃 兰州 730060）

稠油是指油藏温度下黏度超过100 mPa·s的脱气原油，随着轻质原油的不断减少，稠油正逐步成为油田中后期开采的主要目标。稠油作为非常规石油资源，它的突出特点是组成中胶质、沥青质含量高，造成其密度大、黏度高、开采及输送困难［1］。稠油在地下油藏储层、井筒及输油管线中的流动性差，需要采取高成本的三次采油工艺。

世界范围内开发了很多稠油开采技术，形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱为主的稠油热采；以碱驱、聚合物驱、混相驱为主的稠油冷采。稠油开采技术的核心是降低稠油黏度以提高流动性。包木太等［2］将降黏技术分为物理降黏、化学降黏及生物降黏，并简述了降黏原理。孟科全等［3］综述了上述三类降黏技术的降黏原理及优缺点，认为催化降黏和微生物降黏具有更好的应用前景。各类降黏技术在稠油开发中得到广泛应用，但它们都有其适用范围并仍需改进。稠油组成复杂、黏度高、流动性差是多方面复杂因素共同作用的结果。目前，对降黏技术及其机理的研究很多，但对稠油高黏本质的研究却较少。对造成稠油高黏的因素进行系统的分析研究有助于提高对致黏机理和降黏机理的认识，合理选择降黏方法，推动降黏技术的发展。

本文对稠油黏温性质、流变特性及黏度影响因素进行了综述，并揭示了稠油高黏的本质。

1 稠油黏温性质及流变特性

固定压力及剪切速率下，稠油黏度随温度升高总体呈现降低的趋势，并存在拐点温度。在拐点温度之前，稠油存在结构黏度，表现出非牛顿流体特征，黏度对温度变化极为敏感，随温度升高稠油黏度急剧降低。高于拐点温度时，稠油表现出牛顿流体特征，黏度随温度升高缓慢降低。一般而言，稠油黏度越大对温度的敏感程度也越大。而压力、剪切速率对稠油黏度的影响较弱，只有在拐点温度前才有影响，温度提高后影响不明显［4-5］。稠油黏温关系经回归方程拟合后与Arrhenius方程有很好的符合度［6-7］，而Arrhenius方程中的活化能可解释为稠油在某粒子周边产生空穴以提供该粒子完成移动需要克服的能垒，表征稠油分子之间纠缠作用和摩擦阻力的大小［8］。朱静等［6］将黏温关系转换为lnη～（1/T）曲线（η为黏度，T为温度），并将1/T分为3个区间，发现低温段的活化能更高。在低温下，分子布朗运动减慢，胶质、沥青质等大分子易在范德华力作用下发生聚集形成空间网状结构，导致稠油分子之间的内摩擦力增加，稠油结构强度增强，宏观表现为黏度增加。为更准确地预测稠油黏度，韩继勇等［9］将剪切速率对黏度的影响考虑在内，得到黏度与温度、剪切速率的二元函数。

屈服应力表征一定温度下稠油从变形到发生流动所需的最小启动压力，流变曲线则表征一定温度下剪切应力与剪切速率的关系。低温时稠油存在结构黏度，屈服应力值不为零，流变曲线为一条不过原点的直线，此时稠油属于非牛顿流体［4，10］。随着温度升高，屈服应力值逐渐消失，流变曲线斜率也逐渐减小，表明稠油黏度随着温度升高而降低，稠油转变为牛顿流体［4，9-11］。

含水稠油的流变特性更为复杂。申龙涉等［12］的研究结果表明，含水率越高，稠油非牛顿流体特性越强。王孟江等［13］的研究结果表明，含水率在低于40%（w）时对春光油田稠油流体类型并无影响。而对于水包油型稠油乳状液，油相浓度较低时为牛顿流体，随着油相浓度增加，转变为非牛顿流体［14］。当固定油水体积比时，随乳化剂浓度的变化，流体类型同样会发生转变［15］。一般认为稠油在转化为牛顿流体后，在地层中才发生连续渗流。

2 稠油黏度影响因素

2.1 宏观物理组成对稠油黏度的影响

2.1.1 水

油田开采后期，三次采油技术的应用造成产出的稠油含有大量的水。稠油中含量较多的非烃类化合物是天然的表面活性物质，可使油、水形成乳状液从而影响稠油表观黏度及流动规律。另外，稠油储运过程中受外部条件影响可能会发生分散相与连续相的相互转换，增加了油、水分散体系的复杂性。

王为民等［16］研究了辽河油田含水超稠油相转换规律，发现含水率低于18%（w）时为油包水型乳状液，稠油的表观黏度与含水率正相关，对温度比较敏感；达到转相点后水反转为连续相，形成水包油包水型的复杂乳状液，稠油表观黏度迅速下降，对温度的敏感性降低。秦积舜等［5］模拟地层条件研究了塔河油田油水乳状液黏度变化规律，得到类似结论。研究表明，转相点与稠油本身黏度及温度密切相关，呈现出随稠油黏度增大或亲水性增强而降低、随温度升高而升高的规律［17-18］。连续相黏度是影响油水乳状液表观黏度的主要因素，乳化降黏的基本原理就是添加表面活性剂促进形成水包油型乳状液，以降低黏度和流动阻力。

2.1.2 蜡

蜡是原油的基本组分之一，它的含量和组成及其在原油中的溶解、结晶或胶凝的不同状态对原油流变性质都有较大影响。蜡是原油中C18及以上饱和烃类化合物的统称，可分为石蜡和微晶蜡，区别是后者碳原子数更多、分子结构更为复杂。石蜡是原油中蜡沉积物的主要成分，质量分数约为40%～60%，而微晶蜡质量分数低于10%。温度低于析蜡点时，微晶蜡首先析出，其后是石蜡，蜡晶经历成核与生长两个阶段。当蜡晶析出足够数量时，相互之间纠缠、连接形成三维网状结构，液态油被封锁，原油发生结构性凝固，黏度突然增大，严重影响它的流动性能［19-20］。

敬加强等［21］借助灰色理论的研究结果表明，蜡对50 ℃原油黏度的影响程度最小，原因可能是50 ℃时蜡晶析出量对原油胶体体系没有显著影响。韩超等［22］认为当稠油中的蜡含量低时，难以形成以蜡为主体的凝胶结构，不是影响稠油高黏的主要因素。同时，稠油各组分的相互作用可抑制蜡晶析出从而降低析蜡点，而含有长链和极性基团的胶质和沥青质分子首先析出，或与蜡共晶析出，使蜡晶尺寸减小、数量增多、分散性提高，抑制蜡晶相互连接［23-24］。

2.1.3 稠油族组成

按不同的分离方法，稠油可以分离为多种组分，其中，按极性大小分为沥青质、胶质、芳香分和饱和分［25］的分离方法最为常见。Peramanu等［26］提出的石油胶体分散系统模型及Dickie等［27］提出的沥青质宏观结构模型，在稠油的研究中被广泛采用。

程亮等［28］借助灰色关联熵分析法，分析了稠油黏度与各组成因素之间的关系，认为沥青质对稠油黏度影响最大，而其他组分对稠油胶体分散体系起稳定作用。赵瑞玉等［7］分析了15个特超稠油试样，发现稠油黏度与饱和分、芳香分、胶质含量负相关，而随沥青质含量的增多、胶质与沥青质含量比的增大呈近似指数关系升高。盖平原［29］也得出了类似结论，并认为沥青质与胶质等胶溶化剂的配伍性差异造成的稠油胶体不同的稳定状态也深刻影响着稠油的黏度。汪双清等［30］对辽河油田油样采用柱层析方法分离及GC、GC-MS等检测分析，认为稠油高黏的基础是含有高比例的大分子组分及极性非烃组分。朱战军等［31］将辽河油田油样分离为饱和烃、芳烃、胶质、沥青质、中性非烃、酸性非烃，得出影响稠油黏度重要程度的顺序为:胶质、沥青质＞酸性非烃＞中性非烃。汪双清等［32］以25个稠油试样为研究对象，将试样分离为饱和烃、芳烃、中性非烃、高极性非烃、酸性非烃、沥青质6个组分，认为稠油黏度是各组分相互作用、共同贡献的结果，并建立了黏度与化学组成的数学关联模型。苏铁军等［33］提出了一种黏度与稠油族组成进行关联的多元线性模型，将其应用到不同稠油时，该模型得到了良好结果。

以不同稠油试样为研究对象得出的结论存在差异，但众多的研究均将稠油致黏的主要因素指向沥青质，并针对沥青质开展了一系列研究。崔敏等［34］分析了4种稠油沥青质的结构、极性、缔合度及临界胶束浓度，认为稠油中沥青质的含量及缔合性是影响稠油黏度的重要因素。张庆［35］的研究表明，沥青质极性越大，沥青质分子的缔合作用越强，沥青质胶粒尺寸越大，黏度越大。李莹等［36］使用超声波对稠油进行处理实现降黏，认为降黏机理就是通过超声波的物理效应拆散了沥青质的缔合结构，降低了沥青质含量。王元庆［37］研究了稠油催化水热裂解降黏机理，认为重质组分堆积紧密的超分子缔合体的解聚是降黏的主要原因。刘必心［38］对沥青质进行了甲基化反应，去除沥青质分子上的活泼氢，沥青质的聚集能力下降，黏度也大幅下降。而关于油溶性降黏剂的研究表明，降黏机理就在于破坏沥青质的多层似晶缔合结构［39-40］。由此可见，沥青质不仅在含量上深刻影响稠油黏度，它的微观分子结构对黏度的影响也极其重要。

2.2 稠油微观化学组成对黏度的影响

2.2.1 杂原子

稠油中含量较多、对黏度影响较大的杂原子主要是S，N，O元素。稠油中S主要存在于硫醚、噻吩结构中；N的存在形式为吡啶、吡咯结构及酰胺结构，但主要集中在具有芳香性的杂环中，尤以吡啶结构居多；O主要集中在胶质和沥青质中，在胶质中大多以羰基形式存在，在沥青质中主要存在于羟基、醚桥键或酯基。S，N，O主要富集在胶质、沥青质组分中，它们的存在可诱导产生永久偶极，增加分子极性［41-43］。由其引起的电荷转移作用、偶极相互作用、氢键作用［44-47］等作用力是分子聚集的重要因素。

盖平原［29］研究了13种稠油，认为高含量的杂原子与稠油高黏有重要关联。程亮等［48］采用灰色关联分析方法，得出稠油中各元素与黏度的灰熵关联度大小为:C、H＞杂原子＞过渡金属＞非过渡金属。程玉桥［49］的研究表明，高黏度稠油氢碳原子比更低，杂原子取代程度高，N+S+P总含量及S含量与其黏度正相关。张庆［35］认为吡啶类N、噻吩类S正面影响了沥青质的极性、缔合程度及胶粒尺寸，进而造成稠油高黏。稠油水热裂解反应的降黏机理研究结果［50-52］表明，杂原子尤其是S的脱除对降低稠油黏度有重要影响。

2.2.2 金属元素

金属元素在原油中以无机盐、油溶性有机盐和金属卟啉化合物等形式存在。赵天波等［53］研究了国内原油中的盐类组成:原油中约90%（w）的钠盐、70%（w）的钙盐和镁盐是水溶性的。而油溶性钙盐主要以大分子的石油酸盐形式存在，富集在重质组分中［54］。Ni和V等过渡金属由于具有空的d轨道，可以与含孤对电子的杂原子发生络合，在沥青质的生成过程中杂原子进入骨架结构，而Ni和V与杂原子发生络合作用进入沥青质缩合芳环结构，参与了胶质、沥青质分子的缔合，是稠油中大分子聚集体的重要成因。

武本成等［55］使用研制的脱金属剂通过脱金属实验研究了稠油中金属元素含量与黏度的关系，发现稠油黏度和金属元素总量正相关，并拟合得到了稠油降黏率与金属脱除率之间的关系式。蒋昌启等［56］配合使用降黏脱水剂与破乳剂将亲油金属化合物转化为亲水金属化合物，实现金属由油相转入水相，并认为此过程破坏了原油中超分子结构，释放出小分子轻烃，从而实现稠油降黏。

程亮等［48］认为非过渡金属含量虽然较高，但基本不影响沥青质分子在稠油体系中的分散状态，对黏度的影响较小。敬加强等［21］认为Ni含量对原油黏度影响最大，V次之。Duong等［57］使用0.02～0.1 μm的陶瓷超滤膜对加拿大冷湖稠油进行过滤，发现过滤后油样中随着沥青质含量的降低Ni和V含量减少，黏度变化也呈现出与之相同的规律。金属卟啉是重金属存在于原油（主要是重质组分）中的重要形式，金属卟啉π电子共轭体系与沥青质的高共轭、非定域π电子共轭体系可以发生π-π缔合作用，对沥青质缔合度和表观相对分子质量产生重要影响。重金属含量的降低有利于降低沥青质分子的缔合度，减小沥青质缔合体的尺寸，有助于沥青质分子的分散及提高原油胶体体系的稳定性，进而影响稠油黏度。

3 结语

相对普通原油，稠油轻质组分含量低、重质组分含量高、组成与结构复杂。当温度降低时，质点热运动减慢，稠油胶体稳定性发生变化，胶质、沥青质及蜡开始析出。以沥青质为核心的大分子聚集体体积增大，相互间的距离减小，氢键等作用力使之容易发生连接，形成一定程度的空间网络结构，以饱和分、芳香分为代表的液态烃被包裹、填充在网络结构之中，稠油便表现出了独特的黏温性质和流变性质。

稠油中存在的众多大分子聚集体相对移动时发生相互纠缠所产生的巨大内摩擦力是稠油高黏的本质。稠油中胶质和沥青质组分的芳环体系缩合程度高，S，N，O等杂原子以及Ni和V等过渡金属元素含量高，由它们引起的π-π共轭作用、络合作用、氢键作用和偶极相互作用等是形成大分子聚集体的主要缔合作用力。在宏观物理组成上，稠油中高含量、高极性的胶质和沥青质是稠油高黏的主要原因。在微观分子结构上，杂原子和重金属元素是胶质、沥青质等大分子复杂混合物形成的重要因素，稠油高黏是分子结构中杂原子、过渡金属及缩合芳环体系等发生物理与化学作用的综合反映。降黏技术应从分析稠油中重质组分的结构与性质入手，选用合适的技术手段调节稠油流变特性或破坏稠油中大分子聚集体的缔合结构，从而获得目标水平的黏度。

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