熱波耦合輔助稠油催化裂解實(shí)驗(yàn)研究

王佩佩，蒲春生，吳飛鵬，劉 靜，鄭黎明

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580;2.中石化勝利油田分公司，山東 東營 252000)

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器:ES-6-230型電動振動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、恒溫控制儀、加熱筒、高溫高壓反應(yīng)釜(400 mL)、Brookfield DV-Ⅲ型黏度計(jì)、恒溫水浴、恒溫箱、電子天平等。

實(shí)驗(yàn)油樣及藥品:孤東油區(qū)油樣、新型多活性點(diǎn)催化劑(DHLJ-3)、納米分散劑、阻聚劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下:①用黏度計(jì)測定油樣50℃的黏度;②按油水比7∶3，稱取油樣200 g，水85.7 g，以油樣質(zhì)量為基準(zhǔn)，稱取0.3%催化劑，0.1%納米分散劑，0.1%阻聚劑;③將油樣、水及藥品倒入反應(yīng)釜，擰緊螺絲和排氣閥;④將反應(yīng)釜放入加熱筒，調(diào)節(jié)恒溫控制儀，升溫后啟動振動臺(振動頻率為30 Hz、振動加速度為1.5 m/s2、振動時間為25 min)，振動結(jié)束后繼續(xù)裂解反應(yīng);⑤待反應(yīng)24 h后取出油樣，測定其50℃的黏度，并計(jì)算降黏率，計(jì)算公式:

式中:μ0為稠油裂解前50℃時的黏度，mPa·s;μ1為稠油裂解后50℃時的黏度，mPa·s。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 降黏效果評價

為驗(yàn)證熱波耦合輔助催化裂解技術(shù)的降黏效果，分別在 100、120、140、160、180、200、220、240℃下進(jìn)行催化裂解反應(yīng)，對比不同溫度下振動對催化裂解降黏效果的影響，見圖1。

圖1 不同裂解溫度下的降黏效果

實(shí)驗(yàn)測定所用孤東油區(qū)油樣在50℃下的黏度為9 788 mPa·s。由圖1可知，不同裂解溫度下，催化裂解過程中加入低頻波振動作用后，其降黏率都有所增加，增幅為4～12個百分點(diǎn)。

分析降黏曲線可知，反應(yīng)溫度低于160℃時，主要靠阻聚劑和分散劑提高降黏效果，振動作用可促進(jìn)稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的分散，從而小幅度提升降黏效果。在160～200℃范圍內(nèi)降黏率提高11～12個百分點(diǎn);180℃時熱波耦合催化裂解的降黏率為77.0%，而純催化裂解的降黏率為64.6%，降黏率提高12.4個百分點(diǎn)。分析認(rèn)為，此時反應(yīng)溫度剛達(dá)到催化裂解反應(yīng)的門檻溫度，低頻波振動作用可以促進(jìn)稠油與催化劑體系混合，擴(kuò)大催化劑作用面積，從而提高降黏效果。而在200℃以后，提高程度有所降低，分析認(rèn)為，此時反應(yīng)溫度較高，催化裂解反應(yīng)較為劇烈，稠油裂解程度較大，振動的作用相對減弱。

通過以上分析認(rèn)為，低頻波能夠促進(jìn)稠油和催化劑體系的混合，擴(kuò)大催化劑作用面積，進(jìn)一步提高降黏效果。這是由于稠油屬于假塑性流體，具有觸變性，振動剪切作用破壞了原油中的長碳鏈結(jié)構(gòu)，同時稠油中析出的蠟晶和形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也被破壞分散，稠油中相互纏繞的長鏈分子分離后，與催化裂解劑接觸增加，有助于催化劑發(fā)揮高效的催化裂解性能。

1.3.2 熱波作用下催化裂解前后重質(zhì)組分的變化

為進(jìn)一步說明熱波耦合催化裂解的降黏效果，對比了裂解前后稠油重質(zhì)組分的變化，分析振動對膠質(zhì)、瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率的影響[1-5]。實(shí)驗(yàn)中催化裂解溫度為200℃，分別改變振動頻率、加速度和時間，測定膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量，計(jì)算其轉(zhuǎn)化率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 稠油催化裂解重質(zhì)組分的轉(zhuǎn)化率

由表1可知，在200℃下進(jìn)行催化裂解實(shí)驗(yàn)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化率為28.2%，瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化率為57.3%。加入低頻波振動可不同程度地增加膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，振動頻率為30 Hz、振動加速度為1.7 m/s2、振動時間為20 min時轉(zhuǎn)化率最大，為最佳振動條件。分析認(rèn)為，稠油催化裂解主要與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中的雜原子鍵作用有關(guān)，通常雜原子鍵被包裹在溶劑層中，不易與催化劑接觸，從而導(dǎo)致催化裂解作用受限，對于超稠油和特稠油，這種影響更為明顯。適當(dāng)?shù)牡皖l波振動可打破稠油的膠體分散體系，促進(jìn)催化劑活性中心與雜原子鍵的接觸，進(jìn)而提高催化裂解的降黏效果。該技術(shù)對稠油開采，尤其是超稠油、特稠油開采十分有利。

1.3.3 振動時機(jī)對降黏效果的影響

礦場實(shí)際情況下，注汽高壓井具有“注汽難，壓力高”的特點(diǎn)，同時進(jìn)行低頻振動和注蒸汽會影響注汽效果，施工工藝較為復(fù)雜[6-7]。針對該情況，考慮在注汽前先注入催化劑并施加振動，促進(jìn)稠油與催化劑的混合，加速催化劑分子的擴(kuò)散運(yùn)動，小范圍內(nèi)降低稠油黏度。

為驗(yàn)證其降黏效果，實(shí)驗(yàn)中在反應(yīng)釜內(nèi)加入催化劑，先施加振動，振動頻率為30 Hz，振動加速度為1.7 m/s2，振動時間為20 min，振動結(jié)束后分別在140、160、180、200、220、240℃下催化裂解24 h，將所測降黏率與熱波耦合催化裂解對比[8-10]。結(jié)果表明，先振動再進(jìn)行催化裂解，200℃時降黏率為80.1%，而熱波耦合催化裂解的降黏率為84.9%，前者降黏效果稍差。相對蒸汽來說，低頻波振動產(chǎn)生的熱作用很弱，但通過振動剪切和渦流剪切，促進(jìn)稠油雜原子鍵與催化劑活性中心的接觸和作用，因此，依然有利于催化裂解反應(yīng)的進(jìn)行。

1.3.4 降黏效果反彈率評價

取孤東油區(qū)K52-25、K92-13井的油樣，2口井分別實(shí)施了催化裂解和熱波耦合催化裂解措施，測定措施前油樣的黏度，并在措施后10 d內(nèi)取得油樣，分別在此后第 1、2、5、10、30、60、120 d 測定其黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 降黏效果反彈率

分析2種油樣降黏效果的穩(wěn)定性可知，油樣放置120 d后，純催化裂解后降黏率的反彈率僅為3.3%，且增長趨勢漸減小，說明該催化劑體系可長期降低稠油黏度，后期降黏率有所反彈，可能是因?yàn)榱呀夂蟛糠秩芙庠诔碛椭械妮p烴組分逐漸逸出，或者稠油中部分大分子又重新聚合。熱波耦合催化裂解的降黏率反彈率為4.7%，表明加入低頻波作用后降黏反彈率也很小，可在生產(chǎn)初期起到良好的增產(chǎn)作用，以較少的藥劑量采出更多的原油。

1.4 協(xié)同作用機(jī)理探討

高溫蒸汽不僅能夠使稠油黏度大幅度下降，還可以為催化裂解反應(yīng)提供能量，促進(jìn)稠油催化裂解反應(yīng)的發(fā)生，有利于稠油在地層中的運(yùn)移。

催化劑通過裂解作用可將膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等稠油大分子聚合物裂解為較小的分子聚合物，從本質(zhì)上改變稠油性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)不可逆降黏作用，有利于稠油的井筒舉升及管線運(yùn)輸。

低頻波振動可以解除近井地帶地層堵塞，增大流體流動空間及孔隙空間連通性，在地層中造縫，提高地層的滲透率。通過對巖石的剪切作用改變固液界面張力，使油膜從巖石表面脫落，能夠改變巖石潤濕性。低頻波可通過振動打破稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的膠體體系，促進(jìn)稠油和催化劑的混合，增加兩者間的接觸面積，提高裂解降黏效果[11]。同時通過剪切力作用，可降低催化劑在地層中的吸附損耗，增加催化劑的有效作用濃度和作用距離。

2 礦場試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況及施工情況

試驗(yàn)區(qū)位于孤東紅柳油田，油層埋深為1 320～1 370 m，受構(gòu)造控制，平均原油黏度為13 000 mPa·s。主力儲層平均孔隙度為34.2%，平均空氣滲透率為809×10-3μm2。壓力系數(shù)約為0.96～0.97 MPa/m，地溫系數(shù)一般約為0.034℃/m，地層溫度為58℃。

自2011年10月以來，對孤東油區(qū)K92-13、KD52-225井進(jìn)行了熱波耦合催化裂解試驗(yàn)。施工過程如下:試壓后，將2 t催化劑擠入地層，采用井下大功率脈沖發(fā)生器產(chǎn)生低頻波，并注入蒸汽，同時將3 t催化劑體系用小排量泵伴蒸汽注入，伴注速度為0.06 t/h，最后注入蒸汽段塞，將催化劑推向地層深處。2口井共注入催化劑體系10 t，其注汽及生產(chǎn)情況見表3。

表3 試驗(yàn)井措施前后生產(chǎn)情況

2.2 施工效果分析

2口井的增油量分別為845.5、1 038.8 t，增產(chǎn)效果顯著。其中，K92-13井已進(jìn)行過多輪次吞吐，產(chǎn)能較低，上輪次平均日產(chǎn)油為2.1 t/d，生產(chǎn)時間為140 d，本輪措施后平均日產(chǎn)油為3.9 t/d，生產(chǎn)時間為344 d，生產(chǎn)周期明顯延長。按每噸原油價格4 484元，生產(chǎn)成本1 788元，施工費(fèi)用15×104元，每噸催化劑體系2.5×104元，投入產(chǎn)出比約為1.0∶12.7，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

為進(jìn)一步說明該技術(shù)的增產(chǎn)優(yōu)勢，采用數(shù)值模擬法，對K92-13井前3輪蒸汽吞吐進(jìn)行歷史擬合，預(yù)測第4輪純蒸汽吞吐的生產(chǎn)動態(tài)，并將其與實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行對比。

K92-13井本輪次注氣量為3 055 t，注入催化劑體系5 t，催化劑、阻聚劑、分散劑的注入量分別為0.3%、0.1%、0.1%，注汽壓力為11.7 MPa，注汽速度為278.21 m3/d，注汽溫度為322℃。選取K92-13井附近約200 m范圍的實(shí)際地質(zhì)資料，建立一個31×31×1=961的網(wǎng)格系統(tǒng)，X、Y方向的網(wǎng)格長度為6 m，根據(jù)現(xiàn)有資料建立蒸汽吞吐模型，實(shí)際與模擬的生產(chǎn)曲線見圖2。假設(shè)稠油裂解后 黏 度 不 反 彈， 從 圖 2 可 知，措施后油井的峰值產(chǎn)油量明顯提高，且后期的產(chǎn)油量還有逐漸上升的趨勢。與純注蒸汽相比，能夠長時間維持較高的產(chǎn)量，周期產(chǎn)油量提高約2.18倍。與上周期相比，周期產(chǎn)油量增加936.9 t，增產(chǎn)效果明顯，說明熱波耦合催化裂解技術(shù)能夠有效提高油井產(chǎn)量。

圖2 K92-13井生產(chǎn)曲線

3 結(jié)論

(1)熱波耦合輔助稠油催化裂解技術(shù)可有效降低稠油黏度，與純催化裂解相比，可增加稠油重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化率，以較少的催化劑用量達(dá)到更好的降黏效果，且降黏效果反彈率很低。

(2)低頻波振動通過物理作用可暫時提高地層滲透率，減少稠油及催化劑在地層中的吸附，可打破膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的膠體分散體系，促進(jìn)稠油與催化劑的混合，增加稠油中重質(zhì)組分雜原子鍵與催化劑活性中心的接觸，增大催化劑的有效作用范圍，提高催化裂解效果。

(3)礦場試驗(yàn)的2口井共注入催化劑10 t，累計(jì)產(chǎn)油量為4 756.4 t，比上輪蒸汽吞吐增加1 884.3 t，平均投入產(chǎn)出比達(dá)1.0∶12.7，表明該技術(shù)在稠油熱采中具有較強(qiáng)可行性和推廣價值。

(4)由于稠油性質(zhì)不同、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工技術(shù)有限等原因，不能保證每口井都高效增產(chǎn)，但其增產(chǎn)潛力巨大。因此，還需進(jìn)一步研究各影響因素，以提高措施效果。

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