重油降凝技术研究*

华强

濮阳职业技术学院 河南 濮阳 457000

引言

全球常规石油资源随着百年来的不断开采而迅速减少，原油需求量日益增加，非化石能源的开发虽然有了长足的发展，但是还不能完全代替化石能源。稠油资源丰富，但稠油黏度大带来了开采成本的提高，因此稠油降粘技术的开发，受到国内外石油工业的高度注重[1-9]。

重油储层通常较浅，胶结物疏松，胶体和渗滤液含量高，石油组分轻质组分含量低，常规的重油采收技术是热采，其关键是减小黏度。通过加热储层或井眼来提高油的流动性，以增大油的流动性能，从而达到增加油井产量的作用[10-15]。

石油是包含了沥青质、胶质以及各种烃类等不同组分的混合物，石油的颜色、性质的不同正是由于各组分含量的不同[16-18]。其中沥青质、胶质含量比较高的石油称为稠油，国际上通常将稠油称为重油，不同的国家也有各自的习惯命名。各个国家对稠油的分类也有所不同，1982年的国际学术会议上，联合国培训研究署（UNITAR）对比总结不同的分类方法，并给出了推荐使用的统一分类方法，如表1所示。

表1 UNITAR推荐的分类方法

全球范围内稠油储量很大，远远大于稀油储量，已经探明的稀油储量约为4.2×1011t，而稠油的储量高达1.55×1012t。

图1 各类原油可采储量对比图

对于石蜡基石油来说，由于石油中蜡含量处于一个较高的水平，导致石油的高凝固点，因此石油在其凝固点以上的温度对石油的黏度影响并较小，并且对温度参数不敏感，但是当温度下降到石油的冰点以下时，黏度急剧增加，因此如果可以减少石油的冰点，则可以减少黏度。

对于石蜡而言，结晶是一种持续时间较长的状态，因此蜡在石油和化学连接改进药剂中的结晶是物质分子构型及尺寸各异的混杂物，因此蜡结晶改性剂的作用是一种持续的状态，其机理是不完全一致，蜡晶本体上附着的蜡晶体改性剂分子的作用方向各异，晶体形态存在差异，石油的物理参数涉及倾点、屈服值及黏度存在差异，结果表明未结蜡石油的流动性良好，但吸附蜡改良剂时效果较差，流动性不佳。并且，稠油黏度对于温度特别敏感，如图2。

图2 某稠油黏度-温度曲线

全球各地区的稠油资源剩余量中，南美地区、北美地区、中东地区这三个地区储量位于前三位，大部分国家和地区并没有对稠油资源进行大规模的研究和开发；美国在这一方面已走在了前列，对其境内的稠油资源有着较高的研究和开发程度；中国也逐渐加大地质勘探力度，勘探到的稠油储量逐年增加，近几年总共发现了70多个可开采区，据不完全统计，稠油储量达到1.6×109吨，建立了5个大型的稠油开采地区，年开采量达到原油总开采量的10%。

当前，全球石油消耗量的快速增长，然而常规石油资源却随着百年来的不断开采而迅速减少，开发非常规石油资源稠油的重要性与日俱增。稠油的开采是世界性的难题，黏度高、流动性差是稠油的重要性质，也造成了开采难、运输难的普遍问题。稠油开采时，在井筒举升阶段，稠油黏结在管壁上，导致管路堵塞，甚至会造成抽油杆卡死，设备损坏，在油层内流动以及地面集输阶段也出现了很多困难。稠油开发的诸多问题形成了很高的开采成本，因此，稠油长效降粘技术的开发，受到国内外石油工业的高度注重。

1 一般采用的降凝剂种类

一般采用的聚合物型降凝剂有均聚物和共聚物降凝剂两种，均聚物：丙烯酸高碳醇酯聚合物，高碳醇酯聚合物甲基丙烯酸酯，丁烯酸二烷基酯聚合物，该共聚物为二元共聚和三元共聚物。二元共聚物：醋酸乙烯酯-乙烯共聚物，醋酸乙烯酯-马来酸酯或富马酸酯共聚物。三元共聚物的反应产物，该反应难以控制，并且凝结剂减少剂的类型很少。一般采用的有：乙酸乙烯酯-丙烯酸酯-马来酸酯共聚物，甲基丙烯酸烷基酯-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸丙酯三元共聚物。通常用于单体物质聚合的有乙烯，乙酸乙烯酯，高碳丙烯酸酯，甲基丙烯酸，α-烯烃马来酸酯，乙烯基吡啶，烷基乙烯基醚，氰化丙烯等含双键的化合物。

因为化学降凝药剂仅在其与石油中蜡的网状构型差别不大或相似时才起作用，所以该降凝剂对石油具有相应的选择性，即，适用于该石油的降凝剂可能不适用于其他石油。石油中的石蜡是多种正构烷烃的混合物。在同一石油中使用的不同的降凝剂会有不同的增强流动性作用，所以，使用两种或两种以上具有不同应用范围的降凝剂可以扩大其应用范围并获得更好的降粘作用。

减少石油中掺合剂添加后，石油的黏度范围首先随着凝结剂含量的变大而减少并急剧增加，增大到特定程度，黏度范围随其变多而缓慢上升，保持恒定，从根本上讲，这种现象可以称为减少顶峰式凝点，同一石油上的不同流动剂具有不同的顶峰，因此，研究适宜的化学降凝剂及最优化投料范围非常关键。结果表明，降凝剂对高凝点和高黏度石油在低温下具有良好的降粘效果，但在高温区间（如50℃）下降黏作用一般。在类似剪切作用的条件下，辽河石油的黏度低温时的黏度下降了85%以上，而高温时的黏度仅减少了20%左右。

2 重油加油溶性降粘剂降粘技术

油溶性降粘剂的使用基于石油降黏剂的开发工艺，针对焦炭和沥青质分子的分层堆积状态。基于高温或下溶剂处理后中间层间隙的疏松特性，降粘剂分子可以渗透到胶质或沥青质分子层中间，从而减少重油的黏度。降粘剂与降凝剂的本质区别是其结构包含极性较大的官能团或表面活性官能团部分，有时能与表面活性剂或溶剂配合使用。

2.1 油溶性降黏剂的作用机制

油溶性降粘剂是近来不断增长的一种石油流动性方面的重要化学改进剂。鲜有国内外科技工作者研究其与石油的相互作用机制，也没有完善的相关理论报道。然而，近年来，降黏剂研究的一个显著特征是在石油中引入了极性集团或化学表面活性侧链、油脂分子骨架，并通过利用化学极性部分及表活剂部分的引力作用以及减小固液界面作用的效果来改善蜡晶体，胶体和沥青质的分散性。表活剂部分可产生分散性的原因如下：

2.1.1 减小表面张力。表活剂在物质的固/液界面处被吸附，并且界面处的吉布斯自由能变小。

2.1.2 表面活性剂在固液界面上的吸附可防止固体颗粒彼此接近，吸附力增加，可防止热运动导致的颗粒聚结越多。

2.1.3 屏障作用主要是非离子聚合物表面活性剂，具有两个或多个极性部分，一部分极性基团分在固体颗粒周围，导致固体颗粒相互排斥而呈现较好的分散性。

2.2 油溶性降粘剂的种类

油溶性降粘剂的种类不少，但总体上来看可以分为两种：一种是缩合型；另一种涉及不饱和单体的均聚物或共聚物部分，比较有代表性的聚合物是乙烯基醋酸酯共聚物（EVA），其次是（甲基）丙烯酸高碳醇酯衍生物的聚合物类型，处理效果较为理想，还有马来酸酯的聚合物或不饱和酸与其他不饱和单体的共聚物工业中也多用到。

3 井下水热催化裂化降粘工艺技术

减少黏度的地下水热作用下催化裂化工艺技术是通过重油与蒸汽之间发生的高温裂化反应，在催化剂的参与中使重油裂化，使重油高碳数部分裂解而成为清洁油，以减少重油的裂解。 重油的黏度不可逆，提高了石油档次，增加了石油的蒸气压，提高了储层压力和能量。

井下水热催化裂化（HFCC）技术是一种不可逆的过程，与简单的热采技术不同，在减少井眼黏度和地表流动方面具有突出的优势。尽管如此，该工艺依靠热作用，并且催化剂如何筛选较困难。特别地，催化剂筛选较困难的问题制约了该工艺的推广使用。作用好、价格低廉的催化剂将是未来的关键研究热点。

在蒸汽驱技术或注汽工艺的注汽阶段，储层温度在150～300℃之间。 倘若在150～300℃之间温度范围内加入少量催化剂，例如硫酸矾、硫酸镍、氯化铝、氯化铁，则重油中的焦炭和沥青质成分会在硫键处断开，因此出现导致较好理想的效果。含有重金属，重金属的存在会中毒的催化剂，并大幅减少催化作用，因此，在添加催化剂之前，应去除重油中的重金属。