重油降凝技術研究*

華強

濮陽職業技術學院 河南 濮陽 457000

引言

全球常規石油資源隨著百年來的不斷開采而迅速減少，原油需求量日益增加，非化石能源的開發雖然有了長足的發展，但是還不能完全代替化石能源。稠油資源豐富，但稠油黏度大帶來了開采成本的提高，因此稠油降粘技術的開發，受到國內外石油工業的高度注重[1-9]。

重油儲層通常較淺，膠結物疏松，膠體和滲濾液含量高，石油組分輕質組分含量低，常規的重油采收技術是熱采，其關鍵是減小黏度。通過加熱儲層或井眼來提高油的流動性，以增大油的流動性能，從而達到增加油井產量的作用[10-15]。

石油是包含了瀝青質、膠質以及各種烴類等不同組分的混合物，石油的顏色、性質的不同正是由于各組分含量的不同[16-18]。其中瀝青質、膠質含量比較高的石油稱為稠油，國際上通常將稠油稱為重油，不同的國家也有各自的習慣命名。各個國家對稠油的分類也有所不同，1982年的國際學術會議上，聯合國培訓研究署（UNITAR）對比總結不同的分類方法，并給出了推薦使用的統一分類方法，如表1所示。

表1 UNITAR推薦的分類方法

全球范圍內稠油儲量很大，遠遠大于稀油儲量，已經探明的稀油儲量約為4.2×1011t，而稠油的儲量高達1.55×1012t。

圖1 各類原油可采儲量對比圖

對于石蠟基石油來說，由于石油中蠟含量處于一個較高的水平，導致石油的高凝固點，因此石油在其凝固點以上的溫度對石油的黏度影響并較小，并且對溫度參數不敏感，但是當溫度下降到石油的冰點以下時，黏度急劇增加，因此如果可以減少石油的冰點，則可以減少黏度。

對于石蠟而言，結晶是一種持續時間較長的狀態，因此蠟在石油和化學連接改進藥劑中的結晶是物質分子構型及尺寸各異的混雜物，因此蠟結晶改性劑的作用是一種持續的狀態，其機理是不完全一致，蠟晶本體上附著的蠟晶體改性劑分子的作用方向各異，晶體形態存在差異，石油的物理參數涉及傾點、屈服值及黏度存在差異，結果表明未結蠟石油的流動性良好，但吸附蠟改良劑時效果較差，流動性不佳。并且，稠油黏度對于溫度特別敏感，如圖2。

圖2 某稠油黏度-溫度曲線

全球各地區的稠油資源剩余量中，南美地區、北美地區、中東地區這三個地區儲量位于前三位，大部分國家和地區并沒有對稠油資源進行大規模的研究和開發；美國在這一方面已走在了前列，對其境內的稠油資源有著較高的研究和開發程度；中國也逐漸加大地質勘探力度，勘探到的稠油儲量逐年增加，近幾年總共發現了70多個可開采區，據不完全統計，稠油儲量達到1.6×109噸，建立了5個大型的稠油開采地區，年開采量達到原油總開采量的10%。

當前，全球石油消耗量的快速增長，然而常規石油資源卻隨著百年來的不斷開采而迅速減少，開發非常規石油資源稠油的重要性與日俱增。稠油的開采是世界性的難題，黏度高、流動性差是稠油的重要性質，也造成了開采難、運輸難的普遍問題。稠油開采時，在井筒舉升階段，稠油黏結在管壁上，導致管路堵塞，甚至會造成抽油桿卡死，設備損壞，在油層內流動以及地面集輸階段也出現了很多困難。稠油開發的諸多問題形成了很高的開采成本，因此，稠油長效降粘技術的開發，受到國內外石油工業的高度注重。

1 一般采用的降凝劑種類

一般采用的聚合物型降凝劑有均聚物和共聚物降凝劑兩種，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，該共聚物為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-馬來酸酯或富馬酸酯共聚物。三元共聚物的反應產物，該反應難以控制，并且凝結劑減少劑的類型很少。一般采用的有：乙酸乙烯酯-丙烯酸酯-馬來酸酯共聚物，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。通常用于單體物質聚合的有乙烯，乙酸乙烯酯，高碳丙烯酸酯，甲基丙烯酸，α-烯烴馬來酸酯，乙烯基吡啶，烷基乙烯基醚，氰化丙烯等含雙鍵的化合物。

因為化學降凝藥劑僅在其與石油中蠟的網狀構型差別不大或相似時才起作用，所以該降凝劑對石油具有相應的選擇性，即，適用于該石油的降凝劑可能不適用于其他石油。石油中的石蠟是多種正構烷烴的混合物。在同一石油中使用的不同的降凝劑會有不同的增強流動性作用，所以，使用兩種或兩種以上具有不同應用范圍的降凝劑可以擴大其應用范圍并獲得更好的降粘作用。

減少石油中摻合劑添加后，石油的黏度范圍首先隨著凝結劑含量的變大而減少并急劇增加，增大到特定程度，黏度范圍隨其變多而緩慢上升，保持恒定，從根本上講，這種現象可以稱為減少頂峰式凝點，同一石油上的不同流動劑具有不同的頂峰，因此，研究適宜的化學降凝劑及最優化投料范圍非常關鍵。結果表明，降凝劑對高凝點和高黏度石油在低溫下具有良好的降粘效果，但在高溫區間（如50℃）下降黏作用一般。在類似剪切作用的條件下，遼河石油的黏度低溫時的黏度下降了85%以上，而高溫時的黏度僅減少了20%左右。

2 重油加油溶性降粘劑降粘技術

油溶性降粘劑的使用基于石油降黏劑的開發工藝，針對焦炭和瀝青質分子的分層堆積狀態。基于高溫或下溶劑處理后中間層間隙的疏松特性，降粘劑分子可以滲透到膠質或瀝青質分子層中間，從而減少重油的黏度。降粘劑與降凝劑的本質區別是其結構包含極性較大的官能團或表面活性官能團部分，有時能與表面活性劑或溶劑配合使用。

2.1 油溶性降黏劑的作用機制

油溶性降粘劑是近來不斷增長的一種石油流動性方面的重要化學改進劑。鮮有國內外科技工作者研究其與石油的相互作用機制，也沒有完善的相關理論報道。然而，近年來，降黏劑研究的一個顯著特征是在石油中引入了極性集團或化學表面活性側鏈、油脂分子骨架，并通過利用化學極性部分及表活劑部分的引力作用以及減小固液界面作用的效果來改善蠟晶體，膠體和瀝青質的分散性。表活劑部分可產生分散性的原因如下：

2.1.1 減小表面張力。表活劑在物質的固/液界面處被吸附，并且界面處的吉布斯自由能變小。

2.1.2 表面活性劑在固液界面上的吸附可防止固體顆粒彼此接近，吸附力增加，可防止熱運動導致的顆粒聚結越多。

2.1.3 屏障作用主要是非離子聚合物表面活性劑，具有兩個或多個極性部分，一部分極性基團分在固體顆粒周圍，導致固體顆粒相互排斥而呈現較好的分散性。

2.2 油溶性降粘劑的種類

油溶性降粘劑的種類不少，但總體上來看可以分為兩種：一種是縮合型；另一種涉及不飽和單體的均聚物或共聚物部分，比較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類型，處理效果較為理想，還有馬來酸酯的聚合物或不飽和酸與其他不飽和單體的共聚物工業中也多用到。

3 井下水熱催化裂化降粘工藝技術

減少黏度的地下水熱作用下催化裂化工藝技術是通過重油與蒸汽之間發生的高溫裂化反應，在催化劑的參與中使重油裂化，使重油高碳數部分裂解而成為清潔油，以減少重油的裂解。 重油的黏度不可逆，提高了石油檔次，增加了石油的蒸氣壓，提高了儲層壓力和能量。

井下水熱催化裂化（HFCC）技術是一種不可逆的過程，與簡單的熱采技術不同，在減少井眼黏度和地表流動方面具有突出的優勢。盡管如此，該工藝依靠熱作用，并且催化劑如何篩選較困難。特別地，催化劑篩選較困難的問題制約了該工藝的推廣使用。作用好、價格低廉的催化劑將是未來的關鍵研究熱點。

在蒸汽驅技術或注汽工藝的注汽階段，儲層溫度在150～300℃之間。 倘若在150～300℃之間溫度范圍內加入少量催化劑，例如硫酸礬、硫酸鎳、氯化鋁、氯化鐵，則重油中的焦炭和瀝青質成分會在硫鍵處斷開，因此出現導致較好理想的效果。含有重金屬，重金屬的存在會中毒的催化劑，并大幅減少催化作用，因此，在添加催化劑之前，應去除重油中的重金屬。