稠油黏度影響因素研究進(jìn)展

展學(xué)成，馬好文，王 斌，謝 元，孫利民，呂龍剛

（中國石油 石油化工研究院 蘭州化工研究中心，甘肅 蘭州 730060）

稠油是指油藏溫度下黏度超過100 mPa·s的脫氣原油，隨著輕質(zhì)原油的不斷減少，稠油正逐步成為油田中后期開采的主要目標(biāo)。稠油作為非常規(guī)石油資源，它的突出特點是組成中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，造成其密度大、黏度高、開采及輸送困難［1］。稠油在地下油藏儲層、井筒及輸油管線中的流動性差，需要采取高成本的三次采油工藝。

世界范圍內(nèi)開發(fā)了很多稠油開采技術(shù)，形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)為主的稠油熱采；以堿驅(qū)、聚合物驅(qū)、混相驅(qū)為主的稠油冷采。稠油開采技術(shù)的核心是降低稠油黏度以提高流動性。包木太等［2］將降黏技術(shù)分為物理降黏、化學(xué)降黏及生物降黏，并簡述了降黏原理。孟科全等［3］綜述了上述三類降黏技術(shù)的降黏原理及優(yōu)缺點，認(rèn)為催化降黏和微生物降黏具有更好的應(yīng)用前景。各類降黏技術(shù)在稠油開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，但它們都有其適用范圍并仍需改進(jìn)。稠油組成復(fù)雜、黏度高、流動性差是多方面復(fù)雜因素共同作用的結(jié)果。目前，對降黏技術(shù)及其機(jī)理的研究很多，但對稠油高黏本質(zhì)的研究卻較少。對造成稠油高黏的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究有助于提高對致黏機(jī)理和降黏機(jī)理的認(rèn)識，合理選擇降黏方法，推動降黏技術(shù)的發(fā)展。

本文對稠油黏溫性質(zhì)、流變特性及黏度影響因素進(jìn)行了綜述，并揭示了稠油高黏的本質(zhì)。

1 稠油黏溫性質(zhì)及流變特性

固定壓力及剪切速率下，稠油黏度隨溫度升高總體呈現(xiàn)降低的趨勢，并存在拐點溫度。在拐點溫度之前，稠油存在結(jié)構(gòu)黏度，表現(xiàn)出非牛頓流體特征，黏度對溫度變化極為敏感，隨溫度升高稠油黏度急劇降低。高于拐點溫度時，稠油表現(xiàn)出牛頓流體特征，黏度隨溫度升高緩慢降低。一般而言，稠油黏度越大對溫度的敏感程度也越大。而壓力、剪切速率對稠油黏度的影響較弱，只有在拐點溫度前才有影響，溫度提高后影響不明顯［4-5］。稠油黏溫關(guān)系經(jīng)回歸方程擬合后與Arrhenius方程有很好的符合度［6-7］，而Arrhenius方程中的活化能可解釋為稠油在某粒子周邊產(chǎn)生空穴以提供該粒子完成移動需要克服的能壘，表征稠油分子之間糾纏作用和摩擦阻力的大?。?］。朱靜等［6］將黏溫關(guān)系轉(zhuǎn)換為lnη～（1/T）曲線（η為黏度，T為溫度），并將1/T分為3個區(qū)間，發(fā)現(xiàn)低溫段的活化能更高。在低溫下，分子布朗運動減慢，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子易在范德華力作用下發(fā)生聚集形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致稠油分子之間的內(nèi)摩擦力增加，稠油結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為黏度增加。為更準(zhǔn)確地預(yù)測稠油黏度，韓繼勇等［9］將剪切速率對黏度的影響考慮在內(nèi)，得到黏度與溫度、剪切速率的二元函數(shù)。

屈服應(yīng)力表征一定溫度下稠油從變形到發(fā)生流動所需的最小啟動壓力，流變曲線則表征一定溫度下剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。低溫時稠油存在結(jié)構(gòu)黏度，屈服應(yīng)力值不為零，流變曲線為一條不過原點的直線，此時稠油屬于非牛頓流體［4，10］。隨著溫度升高，屈服應(yīng)力值逐漸消失，流變曲線斜率也逐漸減小，表明稠油黏度隨著溫度升高而降低，稠油轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體［4，9-11］。

含水稠油的流變特性更為復(fù)雜。申龍涉等［12］的研究結(jié)果表明，含水率越高，稠油非牛頓流體特性越強(qiáng)。王孟江等［13］的研究結(jié)果表明，含水率在低于40%（w）時對春光油田稠油流體類型并無影響。而對于水包油型稠油乳狀液，油相濃度較低時為牛頓流體，隨著油相濃度增加，轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流體［14］。當(dāng)固定油水體積比時，隨乳化劑濃度的變化，流體類型同樣會發(fā)生轉(zhuǎn)變［15］。一般認(rèn)為稠油在轉(zhuǎn)化為牛頓流體后，在地層中才發(fā)生連續(xù)滲流。

2 稠油黏度影響因素

2.1 宏觀物理組成對稠油黏度的影響

2.1.1 水

油田開采后期，三次采油技術(shù)的應(yīng)用造成產(chǎn)出的稠油含有大量的水。稠油中含量較多的非烴類化合物是天然的表面活性物質(zhì)，可使油、水形成乳狀液從而影響稠油表觀黏度及流動規(guī)律。另外，稠油儲運過程中受外部條件影響可能會發(fā)生分散相與連續(xù)相的相互轉(zhuǎn)換，增加了油、水分散體系的復(fù)雜性。

王為民等［16］研究了遼河油田含水超稠油相轉(zhuǎn)換規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含水率低于18%（w）時為油包水型乳狀液，稠油的表觀黏度與含水率正相關(guān)，對溫度比較敏感；達(dá)到轉(zhuǎn)相點后水反轉(zhuǎn)為連續(xù)相，形成水包油包水型的復(fù)雜乳狀液，稠油表觀黏度迅速下降，對溫度的敏感性降低。秦積舜等［5］模擬地層條件研究了塔河油田油水乳狀液黏度變化規(guī)律，得到類似結(jié)論。研究表明，轉(zhuǎn)相點與稠油本身黏度及溫度密切相關(guān)，呈現(xiàn)出隨稠油黏度增大或親水性增強(qiáng)而降低、隨溫度升高而升高的規(guī)律［17-18］。連續(xù)相黏度是影響油水乳狀液表觀黏度的主要因素，乳化降黏的基本原理就是添加表面活性劑促進(jìn)形成水包油型乳狀液，以降低黏度和流動阻力。

2.1.2 蠟

蠟是原油的基本組分之一，它的含量和組成及其在原油中的溶解、結(jié)晶或膠凝的不同狀態(tài)對原油流變性質(zhì)都有較大影響。蠟是原油中C18及以上飽和烴類化合物的統(tǒng)稱，可分為石蠟和微晶蠟，區(qū)別是后者碳原子數(shù)更多、分子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。石蠟是原油中蠟沉積物的主要成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%～60%，而微晶蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%。溫度低于析蠟點時，微晶蠟首先析出，其后是石蠟，蠟晶經(jīng)歷成核與生長兩個階段。當(dāng)蠟晶析出足夠數(shù)量時，相互之間糾纏、連接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液態(tài)油被封鎖，原油發(fā)生結(jié)構(gòu)性凝固，黏度突然增大，嚴(yán)重影響它的流動性能［19-20］。

敬加強(qiáng)等［21］借助灰色理論的研究結(jié)果表明，蠟對50 ℃原油黏度的影響程度最小，原因可能是50 ℃時蠟晶析出量對原油膠體體系沒有顯著影響。韓超等［22］認(rèn)為當(dāng)稠油中的蠟含量低時，難以形成以蠟為主體的凝膠結(jié)構(gòu)，不是影響稠油高黏的主要因素。同時，稠油各組分的相互作用可抑制蠟晶析出從而降低析蠟點，而含有長鏈和極性基團(tuán)的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子首先析出，或與蠟共晶析出，使蠟晶尺寸減小、數(shù)量增多、分散性提高，抑制蠟晶相互連接［23-24］。

2.1.3 稠油族組成

按不同的分離方法，稠油可以分離為多種組分，其中，按極性大小分為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分和飽和分［25］的分離方法最為常見。Peramanu等［26］提出的石油膠體分散系統(tǒng)模型及Dickie等［27］提出的瀝青質(zhì)宏觀結(jié)構(gòu)模型，在稠油的研究中被廣泛采用。

程亮等［28］借助灰色關(guān)聯(lián)熵分析法，分析了稠油黏度與各組成因素之間的關(guān)系，認(rèn)為瀝青質(zhì)對稠油黏度影響最大，而其他組分對稠油膠體分散體系起穩(wěn)定作用。趙瑞玉等［7］分析了15個特超稠油試樣，發(fā)現(xiàn)稠油黏度與飽和分、芳香分、膠質(zhì)含量負(fù)相關(guān)，而隨瀝青質(zhì)含量的增多、膠質(zhì)與瀝青質(zhì)含量比的增大呈近似指數(shù)關(guān)系升高。蓋平原［29］也得出了類似結(jié)論，并認(rèn)為瀝青質(zhì)與膠質(zhì)等膠溶化劑的配伍性差異造成的稠油膠體不同的穩(wěn)定狀態(tài)也深刻影響著稠油的黏度。汪雙清等［30］對遼河油田油樣采用柱層析方法分離及GC、GC-MS等檢測分析，認(rèn)為稠油高黏的基礎(chǔ)是含有高比例的大分子組分及極性非烴組分。朱戰(zhàn)軍等［31］將遼河油田油樣分離為飽和烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、中性非烴、酸性非烴，得出影響稠油黏度重要程度的順序為:膠質(zhì)、瀝青質(zhì)＞酸性非烴＞中性非烴。汪雙清等［32］以25個稠油試樣為研究對象，將試樣分離為飽和烴、芳烴、中性非烴、高極性非烴、酸性非烴、瀝青質(zhì)6個組分，認(rèn)為稠油黏度是各組分相互作用、共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，并建立了黏度與化學(xué)組成的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型。蘇鐵軍等［33］提出了一種黏度與稠油族組成進(jìn)行關(guān)聯(lián)的多元線性模型，將其應(yīng)用到不同稠油時，該模型得到了良好結(jié)果。

以不同稠油試樣為研究對象得出的結(jié)論存在差異，但眾多的研究均將稠油致黏的主要因素指向瀝青質(zhì)，并針對瀝青質(zhì)開展了一系列研究。崔敏等［34］分析了4種稠油瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)、極性、締合度及臨界膠束濃度，認(rèn)為稠油中瀝青質(zhì)的含量及締合性是影響稠油黏度的重要因素。張慶［35］的研究表明，瀝青質(zhì)極性越大，瀝青質(zhì)分子的締合作用越強(qiáng)，瀝青質(zhì)膠粒尺寸越大，黏度越大。李瑩等［36］使用超聲波對稠油進(jìn)行處理實現(xiàn)降黏，認(rèn)為降黏機(jī)理就是通過超聲波的物理效應(yīng)拆散了瀝青質(zhì)的締合結(jié)構(gòu)，降低了瀝青質(zhì)含量。王元慶［37］研究了稠油催化水熱裂解降黏機(jī)理，認(rèn)為重質(zhì)組分堆積緊密的超分子締合體的解聚是降黏的主要原因。劉必心［38］對瀝青質(zhì)進(jìn)行了甲基化反應(yīng)，去除瀝青質(zhì)分子上的活潑氫，瀝青質(zhì)的聚集能力下降，黏度也大幅下降。而關(guān)于油溶性降黏劑的研究表明，降黏機(jī)理就在于破壞瀝青質(zhì)的多層似晶締合結(jié)構(gòu)［39-40］。由此可見，瀝青質(zhì)不僅在含量上深刻影響稠油黏度，它的微觀分子結(jié)構(gòu)對黏度的影響也極其重要。

2.2 稠油微觀化學(xué)組成對黏度的影響

2.2.1 雜原子

稠油中含量較多、對黏度影響較大的雜原子主要是S，N，O元素。稠油中S主要存在于硫醚、噻吩結(jié)構(gòu)中；N的存在形式為吡啶、吡咯結(jié)構(gòu)及酰胺結(jié)構(gòu)，但主要集中在具有芳香性的雜環(huán)中，尤以吡啶結(jié)構(gòu)居多；O主要集中在膠質(zhì)和瀝青質(zhì)中，在膠質(zhì)中大多以羰基形式存在，在瀝青質(zhì)中主要存在于羥基、醚橋鍵或酯基。S，N，O主要富集在膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組分中，它們的存在可誘導(dǎo)產(chǎn)生永久偶極，增加分子極性［41-43］。由其引起的電荷轉(zhuǎn)移作用、偶極相互作用、氫鍵作用［44-47］等作用力是分子聚集的重要因素。

蓋平原［29］研究了13種稠油，認(rèn)為高含量的雜原子與稠油高黏有重要關(guān)聯(lián)。程亮等［48］采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，得出稠油中各元素與黏度的灰熵關(guān)聯(lián)度大小為:C、H＞雜原子＞過渡金屬＞非過渡金屬。程玉橋［49］的研究表明，高黏度稠油氫碳原子比更低，雜原子取代程度高，N+S+P總含量及S含量與其黏度正相關(guān)。張慶［35］認(rèn)為吡啶類N、噻吩類S正面影響了瀝青質(zhì)的極性、締合程度及膠粒尺寸，進(jìn)而造成稠油高黏。稠油水熱裂解反應(yīng)的降黏機(jī)理研究結(jié)果［50-52］表明，雜原子尤其是S的脫除對降低稠油黏度有重要影響。

2.2.2 金屬元素

金屬元素在原油中以無機(jī)鹽、油溶性有機(jī)鹽和金屬卟啉化合物等形式存在。趙天波等［53］研究了國內(nèi)原油中的鹽類組成:原油中約90%（w）的鈉鹽、70%（w）的鈣鹽和鎂鹽是水溶性的。而油溶性鈣鹽主要以大分子的石油酸鹽形式存在，富集在重質(zhì)組分中［54］。Ni和V等過渡金屬由于具有空的d軌道，可以與含孤對電子的雜原子發(fā)生絡(luò)合，在瀝青質(zhì)的生成過程中雜原子進(jìn)入骨架結(jié)構(gòu)，而Ni和V與雜原子發(fā)生絡(luò)合作用進(jìn)入瀝青質(zhì)縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)，參與了膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子的締合，是稠油中大分子聚集體的重要成因。

武本成等［55］使用研制的脫金屬劑通過脫金屬實驗研究了稠油中金屬元素含量與黏度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)稠油黏度和金屬元素總量正相關(guān)，并擬合得到了稠油降黏率與金屬脫除率之間的關(guān)系式。蔣昌啟等［56］配合使用降黏脫水劑與破乳劑將親油金屬化合物轉(zhuǎn)化為親水金屬化合物，實現(xiàn)金屬由油相轉(zhuǎn)入水相，并認(rèn)為此過程破壞了原油中超分子結(jié)構(gòu)，釋放出小分子輕烴，從而實現(xiàn)稠油降黏。

程亮等［48］認(rèn)為非過渡金屬含量雖然較高，但基本不影響瀝青質(zhì)分子在稠油體系中的分散狀態(tài)，對黏度的影響較小。敬加強(qiáng)等［21］認(rèn)為Ni含量對原油黏度影響最大，V次之。Duong等［57］使用0.02～0.1 μm的陶瓷超濾膜對加拿大冷湖稠油進(jìn)行過濾，發(fā)現(xiàn)過濾后油樣中隨著瀝青質(zhì)含量的降低Ni和V含量減少，黏度變化也呈現(xiàn)出與之相同的規(guī)律。金屬卟啉是重金屬存在于原油（主要是重質(zhì)組分）中的重要形式，金屬卟啉π電子共軛體系與瀝青質(zhì)的高共軛、非定域π電子共軛體系可以發(fā)生π-π締合作用，對瀝青質(zhì)締合度和表觀相對分子質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。重金屬含量的降低有利于降低瀝青質(zhì)分子的締合度，減小瀝青質(zhì)締合體的尺寸，有助于瀝青質(zhì)分子的分散及提高原油膠體體系的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響稠油黏度。

3 結(jié)語

相對普通原油，稠油輕質(zhì)組分含量低、重質(zhì)組分含量高、組成與結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)溫度降低時，質(zhì)點熱運動減慢，稠油膠體穩(wěn)定性發(fā)生變化，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及蠟開始析出。以瀝青質(zhì)為核心的大分子聚集體體積增大，相互間的距離減小，氫鍵等作用力使之容易發(fā)生連接，形成一定程度的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以飽和分、芳香分為代表的液態(tài)烴被包裹、填充在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，稠油便表現(xiàn)出了獨特的黏溫性質(zhì)和流變性質(zhì)。

稠油中存在的眾多大分子聚集體相對移動時發(fā)生相互糾纏所產(chǎn)生的巨大內(nèi)摩擦力是稠油高黏的本質(zhì)。稠油中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分的芳環(huán)體系縮合程度高，S，N，O等雜原子以及Ni和V等過渡金屬元素含量高，由它們引起的π-π共軛作用、絡(luò)合作用、氫鍵作用和偶極相互作用等是形成大分子聚集體的主要締合作用力。在宏觀物理組成上，稠油中高含量、高極性的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是稠油高黏的主要原因。在微觀分子結(jié)構(gòu)上，雜原子和重金屬元素是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子復(fù)雜混合物形成的重要因素，稠油高黏是分子結(jié)構(gòu)中雜原子、過渡金屬及縮合芳環(huán)體系等發(fā)生物理與化學(xué)作用的綜合反映。降黏技術(shù)應(yīng)從分析稠油中重質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)入手，選用合適的技術(shù)手段調(diào)節(jié)稠油流變特性或破壞稠油中大分子聚集體的締合結(jié)構(gòu)，從而獲得目標(biāo)水平的黏度。

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