稠油中膠質瀝青質的特性及油溶性降粘劑的研究進展

石植真（中國地質大學材化學院，湖北武漢 430074）

稠油中膠質瀝青質的特性及油溶性降粘劑的研究進展

石植真
（中國地質大學材化學院，湖北武漢 430074）

大量學者的研究結果表明，膠質瀝青質是導致稠油高粘的主要原因。膠質瀝青質的結構特點為帶極性基團的稠環芳烴。膠質瀝青質的這種結構特點，導致膠質瀝青質之間產生大π鍵及氫鍵的作用，使其容易緊密排列，最終使原油高粘且流動性差。針對稠油本身的特點，研究者們合成了多品種的油溶性降粘劑，用于稠油降粘的應用。總結大量的資料，目前所合成油溶性降粘劑大多是將功能性的小分子有機物通過游離基聚合的方式或者是縮聚的方式合成出支型或梳型的高分子化合物，這些油溶性降粘劑上既有親油基團，又有親水基團，而且結構不規整。將油溶性降粘劑加入稠油中，能夠破壞其緊密排列的結構，達到降粘效果。目前油溶性降粘劑的合成思路不斷擴展，品種越來越多，可以合成不同特點的適用于不同油田原油特征的油溶性降粘劑，解決油田的生產難題。

膠質；瀝青質；稠油；油溶性降粘劑；流動性

我國稠油資源十分豐富，已發現了70多個重質油田，資源量可達300×108t以上。隨著輕質油可開采的量逐步地減少以及石油開采技術的不斷提高，21世紀開采稠油的比例將會不斷增大［1］。膠質瀝青質是稠油中的重要成分。稠油其密度大、粘度高、流動性差的特點給油田的開采和輸送帶來了極大的困難。

長時間以來，國內和國外對稠油主要通過加熱、乳化或摻稀油和添加流動性改進劑進行降粘輸送。稠油加熱輸送過程燃料消耗大，經濟成本高；乳化降粘具有成本低、降粘效果明顯的特點，而且該技術成熟，已成功運用于稠油開采和輸送，但該項輸送方式具有乳化原油脫水困難等后處理問題［2-3］；摻稀油降粘的輸送方法受到稀油儲量的限制，而且稀油價格昂貴，成本太高。現在受石油界普片關注的、被認為非常有發展前景的開采技術是采用添加流動性改進劑，流動性改進劑是降凝劑和降粘劑的統稱，可以降低原油凝點和粘度，使之易于流動。該方法不僅操作簡單，而且可以很大程度上節能降耗［4-7］。

1　膠質瀝青質結構特性研究進展

1837年法國學者J.B.Boussingault在研究法國東部和秘魯的一些天然原油的組分的時候，發現其蒸餾渣中有些物質可以溶解于松節油而不溶于乙醇，他將這部分物質稱為瀝青質（Asphaltene）。天然的瀝青其組成非常復雜，是在多變的地理地質條件下形成。它是由一些高分子烴和極性雜原子化合物組成的，是自然界里面復雜的有機混合物。規模較大的瀝青礦床可以直接開采，一些分散的天然瀝青為油氣的指示標志。瀝青質是介于富氫的烴類到富碳物質之間的一個中間類型，分子結構和分子量都不確定，分子結構也非常的復雜［8］。膠質含有一定量的醚類、胺類和酚類化合物，但其主要物質為芳香羧酸。醚類、胺類和酚類化合物及芳香羧酸都是極性較強的化合物，所以膠質分子具有極性［9］，而且，膠質分子還可通過分子間作用力使膠質的分子之間、膠質分子與瀝青質分子間產生締合作用，這樣也就導致了膠質分子與瀝青質分子間并不存在變化相界面，而是沿膠束的核心向外其芳香度和分子極性連續遞減至最小（分散本體），呈現“梯度”變化特征。

膠質、瀝青質在稠油內部由于復雜的分子間作用力組合成奇特的微觀結構。膠質、瀝青質的特殊的分子結構使其分子間產生非共價鍵作用，從而聚集成不同層次的超分子結構懸浮在液烴中，并相互結合成網狀結構。分子量和極性都較小的膠質分子在范德華力作用下與瀝青質發生作用，在瀝青質核心分子周圍吸附形成空間排斥層，二者形成的締合體被芳香烴包圍，逐漸向外過渡至脂肪烴［10-16］。

盧緒濤等［17］認為石油中的瀝青質的基本結構是以稠合芳香環系為核心多個芳香環組成，周圍連接有一些的環烷環，芳香環和環烷環上都還帶有一些個長短不一的正構烷基側鏈，其中還含有各種含硫、氮、氧的基團，同時還含絡合釩、鐵等金屬。

2　油溶性降粘劑研究進展

針對稠油中膠質和瀝青質的結構特征，為解決稠油的開采、輸送、以及加工等問題，人們進行了多種稠油降粘技術的研究和應用。

目前國內外油溶性降粘劑的研制很活躍，主要用于原油輸送過程。

針對高粘原油的特性，黃志宇等［18］選擇丙烯酸酯一苯乙烯一馬來酸酐三元單體共聚得到了一種油溶性降粘劑確定了最佳反應條件，并采用十八醇進行酯化改性，然后將樣品進行復配，最后再測其降粘效果結果表明：ASM的降粘效果明顯，經過改性后的樣品及復配樣品的稠油降粘效果均有所提高，從而提供了一條研制開發油溶性降粘劑的有效途徑。

張鳳英等［19］以甲苯為溶劑，偶氮二異丁腈為引發劑，馬來酸酐（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（ST）、丙烯酰胺（AM）為原料進行共聚反應制得MA/MMA/ST/AM四元共聚物；再在甲苯磺酸的催化下，將MA/MMA/ST/AM與十八醇進行酯交換反應，制得梳狀聚合物，即油溶性降粘劑MASM。優化了共聚反應條件。對降粘劑MASM進行了室內評價，結果表明：在50℃下，當降粘劑MASM加量為300mg/ L時，降粘率達90.5%。郭龍［20］通過不同碳分子組合、通過截取不同碳鏈，不同官能團與其它添加劑形成復合油溶性降粘劑，研究了這種降粘劑對特超稠油的降粘作用及機理，油溶性降粘劑分子利用強氫鍵能作用滲透入膠質和瀝青質片狀分子之間，破壞平面重疊堆積而成的分子聚集體，從而有效降低稠油體系的粘度。

Athanasios Karydas［21］將有機氟化合物用作瀝青質原油的降粘劑。該有機氟化合物上含全氟烷基，全氟烷基即有疏油性又有疏水性，帶有全氟烷基的化合物具有很高的表面活性。通過改變全氟烷基的大小和結構或有機氟化合物除全氟烷基以外的其它部分的大小和結構可改變有機氟化合物的表面活性和其它化學性質，可合成適應不同性質的瀝青質原油的降粘劑。Helene Belanger［22］將木質素從植物中分離出，通過適當的反應合成粘合劑及油田用降粘劑。

全紅平等［24］針對目前油溶性稠油降粘劑存在的降粘效果差和選擇性強等問題，研究了一種枝型油溶性降粘劑，該降粘劑分子同時帶有極性基團和烷基。降粘劑的極性基團通過與膠質和瀝青質的極性基團間的相互作用能有效降低稠油中膠質和瀝青質的氫鍵作用，烷基可以增加油溶性枝型稠油降粘劑的溶解能力，從而提高其降粘效果。油溶性枝型稠油降粘劑通過二步法合成得到，通過對其合成條件的研究發現，合成該降粘劑的最佳反應條件為：十八酰氯、乙二醇、環氧氯丙烷摩爾分數之比為1.5∶4∶4，第1步促進劑N的質量分數為1.4%；反應時間為8h，主鏈反應溫度為110℃，第2步接枝反應溫度為110℃，反應時間為14h。研制的油溶性枝型稠油降粘劑降粘率可達49%；紅外光譜對其結構的表征結果顯示，其結構與設計結構一致。

3　結束語

根據大量研究人員用各種不同現代測試手段所研究的結果表明：膠質瀝青質的結構特點為帶極性基團的稠環芳烴。稠環芳烴還可能連有脂肪鏈或環烷環。瀝青質分子中的雜環原子還有過渡族金屬位于適當的空位。若干個長度不一的正構烷基側鏈緊接在芳香環和環烷環上，當中還含有各種含S，N，O的基團。

膠質的結構與瀝青質有類似的地方，但分子量比瀝青質要小多了。

在組成復雜的稠油體系中，各組成的分布大體是這樣的：瀝青質分子為稠油當中作為分散相的核，是其最重的組分，分散在稠油中；瀝青質分子的外圍圍繞著膠質組分，而膠質分子周圍又圍繞著三環芳烴，形成了一個從里到外組分極性逐漸變弱的膠團，分散在分散介質中；而作為分散介質的組分，是相對分子質量小、極性較小的輕組分，如輕芳烴、環烷烴、直鏈烷烴；稠油就是以這些小分子為以瀝青質為核心、分散介質、外圍由膠團被膠質和重芳烴所包圍所形成的體系為分散相的膠體結構。

膠質瀝青質的這種結構特點，導致膠質瀝青質之間產生大π鍵及氫鍵的作用，使其容易緊密排列，最終使原油高粘且流動性差。

根據膠質瀝青質結構的研究和其在稠油中的分布情況的了解，人們對稠油性質的認識加深了，尤其是對稠油高粘的機理有了充分的認識。這就促進了油溶性降粘劑的研究發展。人們合成出各種加聚型和縮聚型的油溶性多元共聚物用于稠油降粘。在進行稠油降粘實驗研究中，人們不斷豐富了稠油高粘和降粘的機理。所合成的油溶性降粘劑的品種不斷增加，其結構也變化多端。由普通的多元共聚物向梳型、星型、及樹枝狀結構發展。其降粘率也不斷提高。

隨著油田開發的不斷進行，稠油的比例將會越來越大，其性質也會越來越復雜。因此，對膠質瀝青質結構的研究以及油溶性降粘劑的開發研究也會不斷深入進行。

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Advances in Colloid Asphaltene Heavy Oil Properties and Oil-soluble Viscosity Reducer

Shi Zhi-zhen

The current through the findings show that a large number of scholars，asphaltene colloid is the main cause of the high viscosity of heavy oil.The structural characteristics of asphaltene colloid for polycyclic aromatic hydrocarbons with polar groups.Such structural features asphaltene colloid，resulting in the role of big π bond and a hydrogen bond between the gum asphaltenes，making it easy to tightly packed，and finally to crude oil viscosity and poor fluidity.For heavy oil of its own characteristics，the researchers synthesized the many varieties of oil-soluble viscosity reducer for heavy oil viscosity reduction applications.Summarize large amounts of data，current synthetic oil-soluble reducing agent are mostly small organic molecule functional manner by radical polymerization or condensation-type manner synthesized branched or comb-type polymers，these oil-soluble Viscosity agents on both lipophilic group，another hydrophilic group，and the structure is irregular.The oil added to the heavy oil viscosity reducer，which can damage the structure of closely spaced to achieve viscosity reduction effect.At present oil-soluble synthetic strategies for reducing agent continues to expand，more and more varieties，can be synthesized for different characteristics of oil-soluble crude oil viscosity reducer different characteristics，to solve production problems oilfield.

gum；asphaltenes；heavy oil；oil soluble viscosity reducer；liquidity

TE39

A

1003-6490（2016）05-0049-02

2016-05-10

石植真（1986—），男，廣東東莞人，研究生在讀，主要研究方向為油田化學稠油降粘。