风城浅层超稠油油藏原位催化改质降黏技术

吕柏林 马鹏 卢迎波 胡鹏程 王瑞

关键词：超稠油；蒸汽吞吐；催化改质；降黏；提高采收率

0 引言

风城浅层超稠油油藏平均埋深420 m，地层温度仅15 ℃，50 ℃ 原油黏度16 500 mPa · s，油层平均厚度11.5 m，油層呈现薄互多层的特点，单层厚度仅3.2 m。采用蒸汽吞吐方式开发，由于原油流动性差、地层存水高、蒸汽热效率低，多轮次蒸汽吞吐后开发效果急剧下降。近年来陆续开展了微生物降黏［1］、多介质辅助吞吐［2］、电加热［3］及水热催化降黏等措施，效果均不佳。

稠油开发的本质是解决原油黏度问题，目前常见的降黏技术分为可逆降黏和不可逆降黏［4］。可逆降黏是在蒸汽热力降黏的基础上，加入降黏剂、表面活性剂等物质，降低界面张力从而达到降黏的效果［5］；不可逆降黏是通过微生物降解、催化裂解等手段，将原油中的长碳链组分断裂成短碳链组分，以达到降黏效果［6］。催化裂解采用的催化剂主要以无机盐为主，邓刘扬等［7］模拟了注蒸汽条件下镍盐和铁盐等对稠油的水热裂解催化作用，发现在反应一定时间后稠油黏度可降低 70% 以上，为稠油开采提供了新思路。崔盈贤等［8］利用有机酸锰催化剂和甲苯供氢剂对埕北稠油进行催化改质实验，降黏率可达71.5%。吴川等［9］利用甲苯、甲酸等供氢剂与催化剂共同对稠油催化改质，实现了降低稠油黏度、增加稠油流动性的目的。赵小盈等［10］通过在原油中加入催化剂和供氢剂，降低原油裂解反应阈值温度，使原油在200～300 ℃ 发生催化裂解反应，促使长碳链组分断链形成稳定不可逆的短碳链组分，大幅度降低了原油黏度，提高了原油品质。

根据稠油与催化剂是否具有互溶性可将催化剂分为水溶性催化剂、油溶性催化剂和纳米分散性催化剂［11］。水溶性催化剂难溶于非极性的油层物质，显著削弱了催化反应的效率；纳米分散性催化剂由于纳米颗粒极易团聚，导致催化剂失效［12］；油溶性催化剂可以在油层中达到更高的分散度，并与原油互溶，降黏效果最好［13］。本次实验采用油溶性催化剂，其成分是环烷酸锰、二烷基二硫代磷酸氧钼混合物，供氢剂选择可溶于原油的四氢化萘。在风城油田Z18 井区1 口井开展了现场试验，结果表明，采出油中低碳组分明显提高，原油黏度大幅度下降，降黏效果显著。

1 实验材料和仪器

1.1 实验材料

N3O2 型氮杂冠醚钴配合物、镍18-冠-6 氮杂冠醚络合物的混合物，按照1∶3 质量比配制，来源于中国石油天然气集团公司勘探开发研究院；四氢化萘，纯度99.5%，济南世纪通达化工有限公司提供；稠油样品，黏度18 253 mPa · s（50 ℃），密度0.95 g/cm3（20℃），酸值5.8 mgKOH/g，取自风城Z18 井区超稠油二号处理站脱水原油；砂样，粒径80～250 μm，取自风城Z18 井区B16 井修井冲砂返出样，并清理掉砂样表面钻井液和油污。

1.2 实验仪器

FYXD0.3 20/350 永磁旋转搅拌高压釜，大连通产高压釜容器制造有限公司提供；NDJ-5S 数字黏度计，上海佑科仪器仪表有限公司提供；气相色谱-质谱仪，美国安捷伦科技有限公司提供；蒸汽发生器，山东瓦力节能科技有限公司提供；微量滴定管、色谱柱，成都市科龙化工试剂厂提供；ISCO 驱替泵，奥莱博（武汉） 科技有限公司提供；恒温箱、压力传感器、数据采集软件、岩心夹持器、活塞、高压管线等仪器；填砂管两根，内径45 mm、长度60 cm。

2 实验方法

2.1 催化剂降黏实验

称取200 g 脱水原油加入永磁旋转搅拌高温高压反应釜中，再加入10 g 催化剂后搅拌均匀，将反应釜密封后抽真空，调节控制面板参数，将系统升温至100 ℃，反应24 h，反应完成后待釜体冷却至室温取出油样，测量油样黏度，并计算降黏率。反应前后黏度使用NDJ-5S 数字黏度计在50 ℃ 下测定。按照此方法依次测量120、140、160、180、200、220℃ 条件下原油黏度，并计算降黏率［10］。降黏率计算公式为

2.2 催化剂与供氢剂降黏实验

称取200 g 脱水原油，将其加入永磁旋转搅拌高温高压反应釜中，再加入10 g 催化剂和30 g 供氢剂，搅拌均匀，将反应釜密封后抽真空，调节控制面板参数，将系统升温至100 ℃，反应24 h，反应完成后待釜体冷却至室温取出油样，测量油样黏度，并计算降黏率。按照此方法依次测量反应温度在120、140、160、180、200、220 ℃ 条件下原油黏度，并计算降黏率。

2.3 催化剂和供氢剂辅助蒸汽驱实验

实验步骤［14］：（1） 将风城油井采出砂样品填入填砂管，同等条件填实，确保两个填砂管物性接近；（2） 抽真空后饱和水，计算填砂岩心孔隙体积；（3） 在95 ℃ 低流速下将岩心饱和油，计算岩心含油饱和度，静置 24 h ，充分老化； （4） 催化剂与供氢剂按1∶3 质量比例配制成质量分数为30% 催化改质溶液；（5） 连接实验装置（图1），开始蒸汽驱实验，设置蒸汽发生器进液速度为5 mL/min，蒸汽温度设定为200～260 ℃，注药剂溶液速度1.5 mL/min，2 个填砂管出口端含水均达到98% 以上时驱替实验结束；（5） 在采出端收集采出液并进行油水分离，测定采出油黏度、族组成及色谱。

3 实验结果分析

3.1 降黏效果分析

实验结果显示：100～220 ℃ 条件下单独使用催化剂降黏率25%～50%，且随着温度升高，降黏效果逐渐提升［15］，当温度达到160 ℃ 以上时，不可逆降黏率可达到40% 以上（表1）。

加入供氢剂后，随着温度升高，改质降黏效果越来越好，160 ℃ 时降黏率增至60.6%，降黏效果明显，当温度升至220 ℃，原油黏度降至1 500 mPa · s以下，原油流动性明显增强。因此，在高温条件下，催化剂和供氢剂同时使用降黏效果更好（表2）。

蒸汽驱实验显示，蒸汽驱采收率38.5%，采出油黏度仅下降了1.6%；加入催化改质剂后，采收率达65.5%，提高了27 个百分点，采出油黏度从18 253mPa · s 降至2 098 mPa · s，降黏率88.5%（表3）。

3.2 原油凝固点和组分分析

驱替实验产出原油族组分和色谱分析结果显示，蒸汽驱后原油组分、凝固点与驱替前基本一致。加入催化剂和供氢剂后，原油凝固点由14 ℃ 降至?50 ℃，饱和烃含量由38.1% 升至63.8%，芳香烃含量由20.0% 降至15.6%， 胶质含量由20.3% 降至12.3%，沥青质含量由21.6% 降至8.3%，原油组分轻质化明显［16］（表4）。

采出油色谱对比显示，在催化剂和供氢剂作用下，C5～C24 组分质量分数上升，C25 及以上组分质量分数下降，原油轻质化明显。因此，催化剂和供氢剂在高温条件下可将原油中长碳链组分断链形成短碳链组分，不可逆降黏效果明显［17］（表5，图2）。

4 现场应用

4.1 研究区概况

为确保超稠油原位催化改质矿场试验效果，选井主要考虑2 个方面。一是注蒸汽温度达到250 ℃以上。因此筛选油藏埋深达到500 m 以上、渗透率600×10?3 μm2 左右的Z18 井区南部区域，该区域以蒸汽吞吐方式投入开发，其中一次注汽、焖井、开井生产称为一个周期，周期产油量为一个蒸汽吞吐周期日产油量之和。蒸汽吞吐开发注汽压力达到10MPa，注汽温度达到300 ℃［18］。二是井网独立、井况良好。该区域B16 井油层厚度11.5 m，射孔厚度9 m，原油黏度22 640 mPa · s，含油饱和度65.5%，单井动用地質储量8 691 t，实施前已蒸汽吞吐生产8 个周期，累计产油1 394 t，采出程度16.4%。由于原油黏度高，第8 周期产油量已降至115 t，油汽比降至0.06，日产油降至0.9 t/d。

4.2 施工过程

配液：将4 t 催化剂加入16 t 供氢剂中，充分搅拌溶解得到油相溶液20 t；将20 t 油相溶液加入40t 水中，充分搅拌混合，得到60 t 催化改质剂体系。

施工步骤：（1） 小修提出井内结构，下入带喇叭口光油管；（2） 使用硬管线连接泵车与井口，泵车另一侧连接罐车；（3） 启动泵车，开始注入催化改质体系溶液，施工限压8 MPa；（4） 注完后用5 m3 清水进行顶替；（5） 完成后开始注蒸汽。

注入参数：注入蒸汽量2 000 m3，注汽压力10.5MPa，注汽温度310 ℃，注汽速度140 t/d，注汽结束后焖井5 d，开井生产。

4.3 施工效果

实施催化改质降黏工艺后周期生产时间延长106 d，产液量增加1 672 d，产油量增加了387 t，油汽比提高了0.34，采注比提高了1.61。50 ℃ 产出油黏度从22 640 mPa · s 降至21 mPa · s，降黏率达到99.1%，样品放置100 d 后测试原油黏度23 mPa · s，基本不变，原油发生了不可逆降黏（表6）。

对比第8、9 周期开井60 d 内生产数据，第8 轮平均日产油1.7 t/d，开井前10 d 生产效果较好，日产油达到8.9 t/d，第10 d 后由于地层温度下降，原油黏度上升，原油流动性变差，生产急剧变差；第9 轮平均日产油6.2 t/d，比第8 轮提高4.5 t/d，开井第10 d后产油量仍然较高，说明地层温度下降后，原油依然具有较好的流动性。

分析认为，现场试验降黏效果更好主要是由于催化剂和供氢剂在高温条件下长时间参与催化改质反应，使反应更充分，稠油降黏率更高，油品改善更大。

5 结论

（1） 反应釜高温实验表明，220 ℃ 下使用催化剂可将超稠油降黏率提高至50.2%，复合使用供氢剂辅助蒸汽驱后降黏率提高至88.5%。

（2） 根据原油族组分和色谱分析结果，超稠油催化改质后芳香烃、胶质、沥青质组分以及原油凝固点均大幅度下降，原油发生轻质化转变。

（3） 矿场试验表明，超稠油吞吐井中实施原位改质催化降黏措施，周期产油量、油汽比得到大幅度提高，产出原油发生不可逆降黏。