稠油降粘开采技术及研究进展

皮之洋,金 蕾,李得轩,余梦琪

(长江大学,湖北 武汉 430100)

稠油是指地层条件下，粘度大于50mPa·s或在油层温度下脱气原油粘度为1000～10000mPa·s的高粘度重质原油。世界上的稠油资源极为丰富，储量远超过常规原油。但稠油的胶质、沥青质含量较高，导致其粘度高，流动性差。解决稠油开采和管输问题的关键是降低稠油粘度，改善稠油流动性、降低摩阻[1]。

目前，国内外用于稠油降粘的技术较多，根据降粘原理、工艺的不同大致可划分为物理降粘、化学降粘、 微生物降粘以及复合降粘技术。其中物理降粘技术又可以分为热采法、掺稀油法、超声波法等多种技术。化学乳化降粘技术以其具有方法简单、经济、所需能量少等优势特点越来越受到欢迎[2]。微生物和复合降粘又为稠油开采提供新的思路。

1 稠油降粘方法研究

1.1 物理降粘

1.1.1 热采法

稠油对温度的敏感性比常规原油强，粘度随温度升高而急剧下降。热采法是利用了原油的粘温性质向油层提供热能，降低原油粘度的一种方法。一是温度高于析蜡点时，蜡晶处于溶解状态，利于原油在储层中的流动；二是由于温度的升高破坏了胶质、沥青质的氢键和键间的相互作用。传统的热处理法有火烧油层法、电加热法和注蒸汽及注热水法。近几年发现的方法有水平井交替蒸汽驱技术(HASD)、井底排水技术(DWS)、水平压裂辅助蒸汽驱(FAST)和蒸汽与非凝析气推进(SAGP)技术[3]。

火烧油层是在油层中燃烧部分原油从而产生热量，在多个井之间将空气或氧气在高压条件下注入油层，并点燃部分原油，通过不断加热油藏岩石和流体，使原油蒸馏、裂解，并被驱向生产井的采油方式。

蒸汽驱是将向注气井中注蒸汽的热力开采方法。见效、费用回收周期较长。

1.1.2 掺稀油法

利用相似相溶的原理，在原油中加入作为稀释剂的稀原油(天然气凝析油、原油馏分油、轻质原油还有苯、柴油等)，稠油粘度会降低，流动雷诺数增加。掺稀油后的稠油粘度规律符合下面的公式：

lglgμ油=xlglgμ稀+(1-x)lglgμ稠

式中：μ油、μ稀、μ稠分别为混合油、稀油、稠油在相同温度时的粘度，单位为mPa·s；x为稀油的质量分数。因此可以通过控制稀油加入的量即可达到理想效果。

稀油能降低混合油密度，降低井筒静压损失，但混合后油质也会有影响。掺稀油降粘有几点影响因素:混合温度应高于混合油的凝固点 3～5℃,稀原油掺入前先脱水并且掺入的稀油与稠油的相对密度、粘度差异越大越好。掺入的量还需要综合考虑经济可行性，因此不适用稀油含量少的区块油藏。

1.1.3 超声波法

西方一些发达国家在超声波领域的研究已取得成果，国内专家也将超声波运用到降粘实验的研究。超声波在液体媒质传播过程中传递能量产生空化作用、乳化作用、机械振动作用以及热效应起到降粘的作用，使原油组分改变。稠油经过超声波处理之后，分子结构发生不可逆的变化，稠油粘度降低，但缺点是降粘率不高、仅应用于近井地带[4]。

1.1.4 其他方法

超临界CO2降黏原理与掺稀油类似。CO2容易达到超临界状态，密度接近液体而粘度接近气体——很低。

CO2溶解后能稀释稠油，同时破坏胶质沥青质分子结构，降低粘度，CO2驱实验研究已形成一定规模[5]。

磁处理降粘技术近年发展较快，磁场靠近抗磁性的稠油时，磁化作用诱导产生磁矩，抑制蜡晶形成，使胶质沥青质近程有序排列，降低粘度。缺点是磁处理作用时间短暂，诱导磁矩随时间延长而衰减，大约4小时后，稠油性质恢复[6]。

1.2 化学降粘

1.2.1 改质降粘

普通稠油分子间的作用力较大，改质降粘就是通过催化裂化、热加工等除碳加氢过程可以将重油分子打断成小分子。这种方法降粘效果较好，但处理量小。分子筛催化剂具有活性高、抗毒性好、寿命长、成本低的特点，是值得关注的稠油裂化催化剂。改质降粘技术在稠油开采技术中相对成熟，稠油经改质后获得的副产品渣油可以用来加热锅炉产生蒸汽进行蒸汽吞吐等。

1.2.2 纳米性乳化降粘

纳米材料的特殊性质可以作为乳化降粘助剂，具有很强的乳化原油和改变油层岩石润湿性的能力，稠油含有大量蜡质、胶质、沥青质等大分子有机物及少量重金属，而纳米粒子的加入可以破坏蜡质原有的三维网状结构；并且通过和降粘剂的复配可在胶质，沥青质的表面形成溶剂化层，阻止了蜡晶之间的网状结构和胶质，沥青质的堆砌结构的形成，调整稠油的析蜡点、蜡质结晶速度，从而降低了原油粘度。在表面活性剂上加入一些改性纳米材料进行复配，水、油、表面活性剂和助表面活性剂一起形成具有热稳定性和各向同行的纳米乳液。所以纳米性乳化降粘剂在延长稠油油井生产周期、提高产油量领域具有一定的发展前景。

张宏民[7]采用硅烷偶联剂KH550和十八酸在溶剂乙醇中与纳SiO2进行两步反应，制备了纳米KH550-C18/SiO2复合材料降粘剂。改性后的纳米复合材料团聚现象明显减轻，在有机溶剂中表现出很好的分散稳定性，由亲水疏油变为疏水亲油，有机成分的接枝率达25.9%，具备了在稠油中应用的前提。

1.2.3 自乳化降粘

自乳化降粘驱油是针对普通稠油的一种比较新的开采技术，其降粘、驱油机理是在一定温度条件下，依靠地层渗流，在乳化过程中不需外界做功，只靠乳化剂本身作用，与地下油藏稠油发生自乳化作用，或者将油包水型乳状液转变成粒径小于岩石孔道直径(通常为1～50μm)O/W型乳状液，大幅度降低稠油粘度，变滑动摩擦为滚动摩擦，使分散的球状液滴更容易被驱替出来，在孔隙中阻力减小。乳状液增强稠油在地层中的流动性，使原油可以在无毛管压力的情况下被开采出，从而提高稠油采收率、采油速率及综合经济效益。自乳化降粘驱油由于无需剧烈搅拌，因此易于施工。

康万利等[8]对不同乳化降粘剂的乳化效果进行评价，结果表明,自发乳化降粘剂NS既具有亲水基，又具有亲油基，可以在油藏固相界面吸附，减少内摩擦力，在质量分数为2%的条件下，实验温度设置为45℃,适合埋藏浅的稠油区块，可将油水界面张力降至10-3mN/m数量级以下,并可完全自发乳化等体积的永平油田稠油，测得降粘率达99.74%。

1.3 微生物降粘

微生物降粘技术是指微生物代谢过程中会产生表面活性剂或有机酸，这些物质可以降低稠油的粘度和凝固点，改善原油的性质和溶解能力，有利于原油的流动。微生物以碳氢化合物为食将大分子降解为中短链烃，产生生物聚合物将固结的原油分散成滴状；另一方面，微生物中产气菌生成CO2、N2、H2等气体，溶解后使原油膨胀降粘并降粘。该技术成本低、适应性强、实施方便、后续处理环保可行，是一种非常重要的新兴三次采油技术。但微生物驱存在局限性：只对普通油藏效果较好，而对胶质沥青质含量比较高的超稠油或者是特稠油油藏降粘开采效果并不理想，因为降解作用没有充分发挥；微生物产生的表面活性剂和聚合物本身有沉淀的危险性；菌种的筛选和培养条件不容易把握；微生物结构在高温、盐度较大、高重金属离子条件下易于遭到破坏。

1.4 复合降粘

稠油复合降粘技术就是综合利用上述物理，化学，微生物等降粘技术，将两种或两种以上技术结合应用。其中，热/化学降粘技术主要是利用蒸汽和表面活性剂，蒸汽提供的热明显的降低了稠油的粘度，在化学剂的作用下进一步提高采收率同时有利于蒸汽的注入和扩散；微生物/化学降粘技术则是由于微生物作用使油藏生态环境发生变化，注入化学剂共同作用使流体性质明显改善，有效地提高了原油采收率；降粘剂/降凝剂复配技术复配原因是降粘剂和降凝剂由于温度的影响对降粘效果有很大不同，因此具有互补优势，普适性得到提高；油溶/乳化复合降粘技术主要是利用乳化剂将油溶性降粘剂包围，形成类乳液，当破乳后油溶性降粘剂与稠油作用，从而降低粘度。

2 稠油降粘剂及机理研究

2.1 水溶性降粘剂

作用机理：采用水溶性良好的表面活性剂溶于水配制成一定浓度的水溶液，添加到稠油中，借助温度和压力的变化产生的搅拌，如溶解气从稠油中释放出来时产生的涡流作用、泵的涡流作用、整个油井流体在油管内的混合流动作用[9]，达到乳化降粘效果。乳化降形成的液滴流动到孔道窄口时遇阻变形，前后端液面曲率不相等，形成"贾敏效应"，液滴对于高渗透地带起到封堵作用，迫使后续水驱改向，在一定程度上改善油藏非均质性；乳化降粘剂能降低油水界面张力，提高洗油效率。

常用的水溶性乳化降粘剂有阴阳离子型、非离子型，且各自适用的功能特点不同。离子型降粘剂具有发泡性低、易形成低粘度乳状液等优点;非离子型降粘剂能抵抗高矿化度。通常它们之间的复配体系使用得更多、广泛。李芳田等[10]经过复配和筛选,制得阴离子/非离子表面活性剂复配体系。既可以提高非离子型的浊点(表面活性剂析出，溶液变浑浊时的温度)和阴离子型的抗盐性，又可减少原料，形成稳定的 O/W 型乳状液所需降粘剂的总量少。当复配体系加量0.3%时，对东辛油田不同区块稠油(含水量25%)的降粘率达95%以上，沉降脱水率达90%以上。

2.2 油溶性降粘剂

作用机理：油溶性乳化降粘剂能形成稳定的O/W 乳状液，破乳后起到降粘的作用， 而且分子中的氢键渗透、分散进入胶质和沥青质片状分子体系。油溶性降粘剂是在降凝剂基础上发展起来的一项新技术，它在结构上引入了极性较大或具有表面活性的侧链，阻止小聚集体和蜡晶的产生。

王婉青等[11]总结了以下几种类型的油溶性乳化降粘剂：缩合物型，这类化合物是最早的油溶性降粘剂，主要用于润滑油降凝降粘。不饱和单体共聚物或均聚物型，主要是二元共聚类和三元共聚类。高分子表面活性剂型，这类化合物分子量大，既有聚合物的特点，又有一定的表面活性。

2.2.3 常用乳化降粘剂

据吴信朋[12]、刘忠运,李莉娜[13]等，乳化降粘剂朝着复配、耐温性、聚合物型、易脱水型方向发展。

(1) 复配型乳化降粘剂是根据协同作用原理以复配型配方为多。非离子型和阴离子型降粘剂可以复配增强表面活性，纳米材料可以作为助剂与降粘剂复配等。

(2) 耐温型乳化降粘剂，对深井稠油的开采 (如塔河稠油,轮古稠油)、注蒸汽+乳化降粘剂开采工艺，要求降粘剂耐高温不容易降解；对于直接乳化降粘开采的油区，因低温而要求降粘剂具有耐低温的特性。部分耐温型乳化降粘剂耐高温260～300℃，耐低温15℃。

(3) 聚合物型乳化降粘剂，共/缩聚物是由表面活性剂和具有某些特点的基团而合成的，是一些能发挥特定功能的新型乳化降粘剂，且效果明显。

(4) 易脱水型乳化降粘剂发展势头很好。为易于脱水，一般乳化降粘剂需要达到以下几个要求：①易于破乳，否则后续污水处理工艺流程复杂；②在一定时间后乳状液会自动沉降脱水，速度快；③热敏性，在改变温度后即可脱水。

3 稠油降粘性能评价方法

3.1 静态降粘

稠油降粘评价方法主要在烧杯、试管中计算乳化降粘达到平衡时的粘度。计算公式如下：

f=μo-μ/μo

式中，f为降粘率;μo为稠油油样粘度;μ为加入降粘剂后稠油乳液的粘度。该技术可以定性评价室内容器条件下降粘剂的稠油降粘效果，但是完全脱离了油藏实际情况。实际油藏流体的多孔介质环境与Q/SHCG65-2013《稠油降粘剂技术要求》的条件不同，所以静态评价方法使用起来不够准确。化学驱普通稠油动态降粘评价方法则解决了以上技术问题。

3.2 动态降粘

在静态降粘评价方法的基础上,设计动态降粘评价装置,通过控制注入压力，监测流量变化，根据达西定律，测定油水乳状液在多孔介质中的粘度。

相关技术参数控制在压力为0～0.3MPa，温度范围:室温～90℃，转速范围：0～1000r/min，储液容积：300mL，填砂管尺寸：直径2.5cm，高5cm，易于实现。

此外，郭兰磊等[14](专利E21B43/22)公开了一种化学驱普通稠油动态降粘评价方法，该评价方法选用幂律流体模型，通过混合模拟油与降粘剂溶液(体积比)，确定非牛顿指数n和不同含水饱和度条件下水相的相渗透率，通过室内渗流物理模拟试验确定降粘剂与普通稠油混合体系渗流速率v与压差ΔP，计算多孔介质中流体的稠度系数K和毛管等效半径r，计算剪切速率和油水混合流体的表观粘度η，确定普通稠油动态降粘率。该化学驱普通稠油动态降粘评价方法能够弥补静态降粘的不足。

4 结论

(1) 稠油降粘开采技术方式呈多样化发展：物理降粘包括热采法、掺稀油法、超声波法等，化学降粘包括改质降粘和乳化降粘等，微生物降粘也能起到一定作用，复合降粘则是综合应用多种原理。

(2) 水溶性乳化降粘剂能形成O/W乳状液，另一方面油溶性乳化降粘剂分散胶质、沥青质聚集体，都能降低稠油粘度。

(3) 稠油降粘评价方法尚不完善，在静态降粘评价基础上发展起来的动态降粘驱油评价在逐步发展中。