重油降黏方法研究進展

郭永成

摘 ?????要： 隨著重油利用率不斷增加，重油降黏技術不斷受到人們重視。重油降黏方式有很多種，常用的降黏方式有物理降黏、微生物降黏、淺度熱裂化降黏、化學降黏和水熱裂解降黏。每種降黏方法優缺點各不相同。綜述了幾種主要重油降黏方法，為重油開采提供有效依據。

關 ?鍵 ?詞：重油;黏度;物理降黏;化學降黏

中圖分類號：TQ 022.1;TQ 317.3 ??????文獻標識碼：A ?????文章編號：1671-0460（2019）01-0155-04

Abstract： With the increasing of heavy oil utilization rate， heavy oil viscosity reduction technology has been attracted more and more attention. There are many ways to reduce the viscosity of heavy oil，The commonly used methods include physical viscosity reduction， chemical viscosity reduction， microbial viscosity reduction， shallow thermal cracking viscosity reduction and aquathermolysis viscosity reduction. Each method has its advantages and disadvantages. In this paper， several main methods of reducing viscosity of heavy oil were summarized， which could provide effective basis for heavy oil production.

Key words： Heavy oil; Viscosity; Physical viscosity reduction; Chemical viscosity reduction

1 ?重油特點及降黏必要性

高黏度重質原油稱為重油，俗稱稠油。人們通常將在油層溫度條件下，地面密度大于0.943×103 kg/m3，黏度大于50 mPa·s的原油歸類為重油。重油屬于環烷基原油。與常規原油相比，重油有如下特點：①常規重油中石蠟量相對較低，極少數重油石蠟量相對較高。②重油中輕餾分相對較少，瀝青質，膠質較多。③重油中雜原子含量高，金屬原子主要是釩和鎳等原子，非金屬原子主要有硫、氧、氮原子。④與常規原油相比，理化性質相差比較大。重油黏度高是重油開采和利用主要面臨的問題，重油黏度過高會使重油開采收率降低，常規管輸困難，且設備損壞嚴重，經濟性差，所以降低重油黏度是重油開采和集輸的關鍵。

2 ?重油致黏機理及黏度影響因素

重油與常規原油主要區別為具有高密度、高黏度。重油黏度過高是由于重油瀝青質、膠質含量過高所引起的，其中瀝青質貢獻率最大。幾種主要重油四組分與黏度的關系如表1所示。

重油中雜原子個數遠遠高于常規原油，且主要分布在重油瀝青質中，重油中非金屬雜原子（O、N、S）與重油中過渡金屬離子能形成配合物，使重油中分子發生聚集，黏度升高[1]。不同地區原油中金屬含量并不相同，因此不同地區原油黏度差別很大，這是由于雜原子之間形成的金屬離子配合物非常穩定，穩定性遠遠高于芳環之間電子作用造成的分子聚集（表2）。

由于配合物作用所誘發的聚集無法通過外加試劑和加熱的方式使其重新分散開來，通過加熱或加驅油用表面活性劑只能使由電子作用所造成的聚集分散開來，所以只有脫除原油及瀝青質中雜原子才能實現不可逆降黏。Pfeiffer和Saal研究表明膠質的存在可以促使瀝青質分散均勻。只有重油四組分的量保持合適比例時，才能保證重油黏度處于適度范圍。

3 ?重油降黏方法介紹

3.1 ?重油非改質降黏

3.1.1 ?加熱降黏

與常規原油相比，重油黏溫特性更為明顯。這是因為重油中瀝青質和膠質含量較多，且其分子之間相互作用形成氫鍵和π鍵，這兩種化學鍵主要影響流體的黏度，但能以加熱的方式破壞這兩種化學鍵，從而降低流體黏度[2，3]。加熱降黏就是利用這一特點采用加熱方法來提高重油的流動性，進而降低重油黏度，使重油達到管輸狀態的一種輸送方法[4]。重油加熱降黏主要采用的加熱方式是蒸汽或熱水加熱。蒸汽吞吐、蒸汽驅和熱水驅法開采重質原油就是運用該種方法降低油品黏度來進行原油開采。近年來隨著電加熱的發展，加熱方式逐漸被電加熱所取代。電伴熱與熱水和熱蒸汽加熱相比有很多優勢，如可以在較大范圍內控制加熱溫度、可設定不同加熱時間，熱效高。

加熱降黏應用最為普遍，在各大油田均有應用，主要優點是適合各種重油，工藝簡單。但也有很多缺陷，主要缺陷為高能耗，而且在輸送后極易形成管堵凝管[5]，經濟性較差。

3.1.2 ?摻稀降黏

重油摻稀降黏是重油集輸較常用降黏方法，摻稀降黏就是將輕質原油、柴油餾分油、煤油、石腦油、低黏原油、天然氣凝固液等參照合適的用量混入重油，使摻稀后原油黏度下降，從而達到原油集輸的標準[6]。根據各地區重油性質不同，摻稀油比例也不盡相同，但在適合溫度下應選擇合適的摻稀比，經過摻稀后的原油可實現不加熱輸送[7，8]。

摻稀降黏有很多優點：摻稀降黏可以大幅度降低重油黏度，在原油管道停輸時不會發生凝管現象，所用輕質原油能通過簡單的分離重復利用[9]，適用于稀油豐富的油田，工藝相對簡單。但也有不足之處：稀油量不易保證，有可能加劇瀝青質沉淀，破壞體系穩定性，影響油質，并且重油和稀油價格方面差別大，摻稀后對經濟效益造成很大影響[10]。

3.1.3 ?摻熱水或活性水降黏

該方法是在油中混入活性水或熱水，在一定溫度和機械剪切條件下，使重油在水中以滴狀形態存在。從而使水和油產生水包油型乳狀液體系或稠油懸浮于水中的油水分散體系。此方法在國內遼河油田，勝利油田有應用。此方法優勢為輸送壓降不高，設備投資低[11]，適用范圍較廣，工藝較簡單。該方法對含S，N等雜原子多的重油不適用，因為可以使管道結垢腐蝕嚴重，且摻水溫度高，摻水量大，脫水負荷大，能耗過高，對設備損害嚴重，效益較差。

3.1.4 ?乳化降黏

乳化降黏是指溫度不變的情況下，加入表面活性劑，使重油和表面活性劑形成低黏度水包油型乳狀液，從而使重油黏度降低，顯著降低重油的流動阻力的非改質降黏方式[12]。重油乳化降黏已經是較為成熟的一種重油降黏方式，國內外對此方法進行了數十年的探究，Poynter和Simon實驗中成功將重油由W/O型轉變成O/W型乳狀液，使管輸阻力降低，采油效率顯著提高[13]。我國乳化降黏起步較晚，但很快取得了一定成果，在適當條件下降黏率能超過90%。乳化劑的作用機理主要是以下三個方面，一是能形成牢固的界面膜，二是能降低油水間的界面張力，三是能形成靜電排斥作用。

此方法操作簡便，操作條件溫和，適用性較強，降黏效果顯著，但對乳化劑的要求比較高，優良的乳化劑應具有以下特點：（1）能夠使油水表面張力顯著降低，可形成W/O型乳液[14]。（2）在開采和運輸中性質穩定，后續加工需要分層脫水。（3）溶油能力強，膠束和膠束聚集數多，另外乳化劑成本較高，經濟性較差。

3.1.5 ?超聲波降黏

超聲波降黏是用超聲波對重質原油進行處理，使重油分子結構產生永久變化，使得部分大分子斷裂成小分子，達到降低黏度的目的。該方法的原理如下[15，16]：（1） 超聲波震動能夠影響彈性介質的震動。重油中大分子和小分子結構之間相對運動改變，使摩擦力增加進而生熱，產生的能量能夠破壞分子中碳碳單鍵，從而重油中部分大分子裂解，降低重油黏度。（2）由于空化作用使重油中存在泡核，一定的頻率震蕩能夠將泡核激活，同時超聲波震動產生的聲壓使泡核有生長、收縮、破裂等變化，當泡核破裂時在其周圍極小范圍內短時可產生超高溫，使大分子斷鏈成小分子，從而降低重油黏度，同時溫度的升高也能使重油黏度降低。（3）重油中部分空泡受超聲波震蕩影響，在空泡界面產生剪切力使重油中出現部分乳狀液，摩擦形式轉變，降低流動阻力。

超聲波降黏是上述幾種特點共同作用產生的，在分子上產生永久變化，即使之后會部分恢復，但是黏度仍然會有大幅降低[15]。超聲波降黏近幾年發展速度較快，西方國家在該研究上已經取得了一定成果[17]，國內主要在勝利油田和遼河油田有小規模試驗應用，且與水熱裂解方法結合使用，應用范圍小，技術不成熟，主要優點是使用該方法可以減少水的摻入，但使用該技術消耗能量多，效益較差。

3.1.6 ?磁處理降黏

磁處理降黏原理大體包含三個方面：（1）原油具有抗磁性，在磁場的影響下能夠產生誘導磁矩，使蠟晶小顆粒分布在重油中，降低黏度;并且使重油中其他抗磁性物質如膠質等在重油中一定范圍內有序排列使重油黏度降低。（2）重油中有機大分子在磁場作用下產生的磁矩能夠破壞大分子內相互作用力，降低大分子間聚合力從而降低油黏度。（3）大分子產生的磁矩還能影響重質原油中蠟結晶，蠟晶減少后油的黏度降低。

磁處理在一定程度上能夠降低重質原油的黏度，但是這些作用都是由磁場影響產生得到的，是物理變化，當磁場消失后，重油黏度還會恢復到原來狀態[18]。磁處理降黏在大慶油田和遼河油田有一部分應用，此方法技術成熟性較差，對原油溫度等條件要求較高，設備投資較大，工藝復雜，經濟效益較差，應用范圍不大。

3.1.7 ?微生物降黏

微生物黏度是指將分別培養的微生物與有利于其繁殖的營養液混合在一起之后注入油層中或者單獨注入與微生物相適應的營養液使其在油層中快速增長產生大量代謝物從而降低重油黏度[19，20]。

微生物降黏機理是微生物能在地層條件下產生含有疏水和親水基團的生物表面活性劑，這種物質能乳化，潤濕，吸收，分散，溶解水中的難溶物[21]。此外微生物可以作用于原油中瀝青質等重質組分[22]，但由于瀝青質、膠質分子復雜，降解效果并不十分理想，所以新菌種的培養尤為重要[23]。

微生物降黏方法在克拉瑪依油田有應用，此方法工藝簡單，在常溫常壓下即可操作，但此方法成本較高，應用范圍小，生產周期長，降黏效果不穩定，在現有生產條件下較難推廣。

3.1.8 ?油溶性降黏劑降黏

針對傳統降黏劑所存在的缺陷，人們在其基礎上開始研究油溶性降黏劑。油溶性降黏劑能夠直接加到重質原油當中，不必進行脫水。油溶性降黏劑主要由表面活性劑官能團和強極性官能團組成;為了達到更好效果，還可以與溶劑共同使用[24]。油溶性降黏劑主要機理是改變膠質和瀝青質原本排列方式從而降黏[25，26]。正常情況下，膠質和瀝青質聚集體在重質原油中多采用平面重疊有序的方式排列，油溶性降黏劑由于具有強生成氫鍵的能力，能夠分散膠質和瀝青質原來的排列方式，使膠質和瀝青質的聚集體排列更松散，不規律[27]。

此方法在遼河油田，勝利油田均有試驗，但未有報道單獨使用該方法進行重油降黏，技術不成熟，雖然油溶性降黏劑有其獨特優點，但是還是有很大局限性，成本相對較高。首先油溶性降黏劑的降黏率沒有普通降黏劑高[28]，其次油溶性降黏劑用量高于乳化劑，所以其成本比較高，最后其他工藝的發展（如井下投藥工藝）制約油溶性降黏劑的使用。

3.2 ?重油改質降黏

3.2.1 ?輕度熱裂化降黏

重油輕度熱裂化降黏工藝是指在一定壓力下，將重油加熱到一定溫度，使重油中重組分受熱分解，大分子物質裂化成小分子物質，使產生的輕組分物質增加，不可逆提高重油的流動性能[29，30]。張連紅[31]等進行熱裂化研究，得到裂化后的重油基本能夠達到管輸要求，但熱裂化所需要的溫度較高，需要達到400 ℃以上，成本過大[32]。對裂化后的重油進行四組分和餾程測定，可以得出輕組分含量增加，重油輕度熱裂化降黏通過改質的方式不可逆降低了重油黏度。

熱裂化降黏應用比較廣泛，在各大油田均有應用，但設備投資較大，能耗大，但降黏效果較好，可以與摻稀降黏等方法結合使用。

3.2.2 ?水熱裂解改質降黏

科學家Hyne最先提出水熱裂解降黏概念，重油水熱裂解反應是指在重油中注入高溫水蒸氣，油水混合后發生加氫反應，并能同時脫去硫、氮等元素[33，34]。水熱裂解包括有機硫化物分解，大分子烴類熱裂解，加氫裂解，水煤氣反應，加氫脫硫等反應[35]。Hyne等人[36]研究不同重油和瀝青水熱裂解反應后發現硫化物和噻吩中硫鍵的水解反應較主要。經過復雜的化學變化后雜原子硫得到脫除并產生H2，重油中的一些成分發生加氫反應從而降黏。

水熱裂解降黏方法應用范圍廣，各大油田均有不同程度應用，工藝簡單，基本不需要額外設備投資，能耗較低，但現階段缺少較好的催化劑，現階段催化劑催化效率需要提高。

4 ?結 論

重油降黏方法不同，原理各不相同，但都有局限。主要面臨的問題是能耗大，降黏效果不好，油質下降，外加化學試劑油溶性差，部分綠色方法難以推廣應用。未來需要對綠色高溶解性化學添加劑，節能型新設備以及新型高效催化劑進行研發。與非改質降黏相比，水熱裂解等改質降黏有好的應用前景，但高效添加劑還需要進一步研究。

參考文獻：

[1] 程玉橋. 勝利油田單家寺油區稠油物理化學性質研究[D]. 杭州： 浙江大學， 2002.

[2] Omole O， Olieh W N， Osinowo T. Thermal Visbreaking of Heavy Oil from the Nigerian Tar Sand[J]. Fuel， 1999， 78（12）： 1489-1496.

[3] 尉小明， 劉喜林， 王衛東，等. 稠油降黏方法概述[J]. 精細石油化工， 2002， 3（5）： 45-48.

[4] 王婉青， 易晨曦， 吳小川，等. 稠油降黏技術概述[J]. 四川化工， 2013， 2（4）： 13-15.

[5] 雷西娟， 王鴻膺. 稠油降黏輸送方法[J]. 油氣田地面工程， 2002，2 （5）： 37-38.

[6] 張凱. 特超稠油改質降黏技術研究[D]. 青島： 中國石油大學， 2011.

[7] 李艷芳， 敬加強， 李丹，等. 改善稠油流動性的方法及應用[J]. 管道技術與設備， 2009， 3（5）： 11-13.

[8] 張榮軍， 李海軍， 任月鈴. 塔河油田深層稠油摻稀降黏技術[J]. 西安石油大學學報， 2009， 24（3）： 84-87.

[9] 趙煥省， 張微. 稠油降黏技術研究及前景展望[J]. 廣東化工， 2013， 40（16）： 112-113.

[10]李鴻英， 馮凱， 馬晨波，等. 重油摻混石腦油的穩定性實驗研究[J]. 西安石油大學學報（自然科學版）， 2017， 32（4）： 101-108.

[11]尹嬌. 對稠油摻水輸送的研究[D]. 西安： 西安石油大學， 2014.

[12]高玉生. 幾種高凝稠油及高凝原油的乳化降黏研究[D]. 上海： 華東理工大學， 2012.

[13]崔桂勝. 稠油乳化降黏方法與機理研究[D]. 青島： 中國石油大學， 2009.

[14]黃敏， 李芳田， 史足華. 稠油降黏劑DJH-1[J]. 油田化學， 2000， 17（2）： 137-139.

[15]孫仁遠， 王連保， 彭秀君，等. 稠油超聲波降黏試驗研究[J]. 油氣田地面工程， 2001， 8（5）： 22-23.

[16]王陽恩. 超聲波采油技術的原理及應用[J]. 物理， 2002， 4（11）： 725-728.

[17]Dennis C， Wegener O. Heavy Oil Viscosity Reducetion And Production： US ，6279653B1[P]. 2001.

[18]朱林，熊濱莎，曲哲.原油磁處理降黏減阻技術的研究[J]. 油田地面工程， 1994， 5（1）： 26-31+76-78.

[19]陳寶華. 微生物降低稠油黏度及抑制H2S[D]. 西安： 西北大學， 2004.

[20]王永根， 張學博， 朱萍. 微生物采油的現狀及發展趨勢[J]. 世界石油工業， 2000， 4（7）： 45.

[21]Healy M.G. Microbial production of biosurfactants， Environment[J]. Science， 1997， 66： 179-195.

[22]方新湘， 朱海霞， 劉江華，等. 微生物在重油開采中的應用[J]. 新疆農業科學， 2004， 14（1）： 81-84.

[23]柳榮偉， 陳俠玲， 周寧. 稠油降黏技術及降黏機理研究進展[J].精細石油化工進展， 2008， 9（4）： 20-25+30.

[24]孟科全， 唐曉東， 鄒雯炆，等. 稠油降黏技術研究進展[J]. 天然氣與石油， 2009， 27（3）： 30-34+65-66.

[25] 周風山， 吳瑾光. 稠油化學降黏技術研究進展[J]. 油田化學，2001， 2（3）： 268-272.

[26]常運興， 張新軍. 稠油油溶性降黏劑降黏機理研究[J]. 油氣田地面工程， 2006， 6（4）： 8-9.

[27]陳秋芬， 王大喜， 劉然冰. 油溶性稠油降黏劑研究進展[J]. 石油鉆采工藝， 2004， 7（2）： 45-49+83-84.

[28]吳信朋， 李燕， 宋林花. 稠油開采中降黏技術研究進展[J]. 廣東化工， 2016， 43（4）： 50-53.

[29]潘斌林. 稠油熱催化降黏技術研究[J]. 中國石油和化工標準與質量， ?2014， 34（10）： 39+32.

[30]張娜. 委內瑞拉超重原油的減黏裂化及產物流變性研究[J]. 應用化工， 2015， 44（10）： 1844-1848.

[31]張連紅， 趙德智， 曹祖賓. 遼河超稠油減黏裂化工藝研究[J]. 撫順石油學院學報， 2000， 20（3）： 30-33

[32]高飛. 重油熱裂解難易程度評價方法研究[D]. 青島：中國石油大學， 2014.

[33]Clark P D， Hyne J B. Studies on the chemical reaction of heavy oils under steam stimulation condition[J]. AOSTRA Journal of Research， 1990， 6（29）： 29-39.

[34]Hyne J B. Aquathermolysis-A synopsis work on the chemical reaction between water （steam） and heavy oil sands during simulated stimulation[J]. AOSTRA Synopsis Report， 1986 （50）： 40-45.

[35]鐘立國. 水熱裂解開采稠油關鍵技術研究[D]. 大慶： 大慶石油學院， 2005.

[36]Clark P. D， Hyne J. B. Steam-Oil chemical reactions： mechanisms for the aquathermolysis of heavy oil[J]. AOSTRA Journal of research， 1984（1）：15-20.