塔河稠油地面催化改質(zhì)降黏中試研究

黃 娟，任 波，李本高，楊祖國

(1.中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國石化西北油田分公司)

塔河稠油地面催化改質(zhì)降黏中試研究

黃 娟1，任 波2，李本高1，楊祖國2

(1.中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083；2.中國石化西北油田分公司)

在中國石化西北油田分公司中型試驗(yàn)裝置上采用中國石化石油化工科學(xué)研究院研制的催化降黏劑對(duì)塔河TH12196單井稠油的降黏作用進(jìn)行了考察。結(jié)果表明：當(dāng)反應(yīng)溫度為160 ℃、反應(yīng)時(shí)間為6 h、催化降黏劑加入量(w)為1.5%時(shí)，稠油降黏率達(dá)到54.5%；催化降黏率較熱降黏率高51.4百分點(diǎn)，且降黏后稠油中重質(zhì)組分含量減少，輕質(zhì)組分含量增加；在稠油催化改質(zhì)處理過程中，分子中較弱的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，從而使稠油分子聚集體變小，產(chǎn)生不可逆降黏作用。

稠油 催化改質(zhì) 降黏 機(jī)理

稠油的組成復(fù)雜、重質(zhì)組分含量高、黏度高、密度大、流動(dòng)性差，給稠油的開采和集輸帶來很多困難，因此，有效降低稠油黏度對(duì)解決稠油集輸流動(dòng)性問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。稠油催化降黏技術(shù)作為一項(xiàng)新型降黏技術(shù)，最早由加拿大卡爾加里大學(xué)的Hyne等[1]提出，因具有潛在的降黏效果、明顯改善油質(zhì)、應(yīng)用成本低等優(yōu)勢(shì)而成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)，目前已在催化劑研發(fā)[2-9]和反應(yīng)機(jī)理[10-14]方面取得了一定的進(jìn)展，陸續(xù)研制出了過渡金屬類、超強(qiáng)酸、納米粒子和離子液體催化劑等，且實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示有較好的降黏效果。本課題以塔河TH12196單井稠油為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上[15]，在中國石化西北油田分公司中型試驗(yàn)裝置上考察由中國石化石油化工科學(xué)研究院研制的催化降黏劑[16]的降黏效果，并對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，確定適宜的地面催化降黏工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料油

試驗(yàn)所用原料油為塔河TH12196單井脫水稠油，其主要性質(zhì)及組成見表1。由表1可見：該稠油黏度(50 ℃)為1 450 mPa·s，屬于普通稠油；密度(20 ℃)為964.8 kgm3，屬于典型重質(zhì)原油；膠質(zhì)和瀝青質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)51.1%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，Ni、V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71 μgg和286 μgg。可見，塔河TH12196單井稠油為典型的高硫重質(zhì)原油。

表1 塔河TH12196單井稠油的主要性質(zhì)及組成

1.2 催化降黏劑

試驗(yàn)所用催化降黏劑為中國石化石油化工科學(xué)研究院研制，其主劑為過渡金屬配合物和有機(jī)金屬鹽的混合物，助劑為易與原油相溶的酮類和酯類混合物。

1.3 中型試驗(yàn)裝置

中型試驗(yàn)裝置由中國石化西北石油分公司提供，其流程示意見圖1。主要參數(shù)為：反應(yīng)器體積2 m3，設(shè)計(jì)壓力2 MPa；熱采爐額定功率0.7 MW，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，設(shè)計(jì)溫度200 ℃；循環(huán)泵設(shè)計(jì)壓力2 MPa，最大排量2 m3h。

具體操作步驟：①關(guān)閉所有與空氣相通的閥門，開啟電源，檢查裝置內(nèi)所有管線設(shè)備儀表是否

圖1 中型試驗(yàn)裝置流程示意

能正常工作；開啟電腦控制系統(tǒng)，檢查并設(shè)置相應(yīng)操作參數(shù)；②打開反應(yīng)器頂端放空閥，用泵從原料油罐中抽取1.0～1.5 t原油進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)從催化劑罐中抽取預(yù)定量的催化降黏劑，密封后開啟反應(yīng)器電加熱棒，待溫度升至50 ℃左右，啟動(dòng)攪拌器；③繼續(xù)加熱至溫度大于等于80 ℃，關(guān)閉反應(yīng)器電加熱棒，啟動(dòng)柱塞泵循環(huán)系統(tǒng)和熱采爐燃燒器，待溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉燃燒器，并開始計(jì)時(shí)；④到達(dá)預(yù)定反應(yīng)時(shí)間后，停止柱塞泵循環(huán)系統(tǒng)，待反應(yīng)器冷卻至室溫時(shí)，打開器頂放空閥，收集氣體產(chǎn)物，打開器底放空閥，將液體產(chǎn)物泵入產(chǎn)品罐，測量液體產(chǎn)物的黏度，進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)分析，并計(jì)算降黏率(К)：

К=(μ0-μ)μ0×100%

式中：К為稠油降黏率，%；μ0為反應(yīng)前稠油的黏度，mPa·s；μ為反應(yīng)后稠油的黏度，mPa·s。

2 結(jié)果與討論

2.1 稠油催化降黏效果

在反應(yīng)溫度為160 ℃、反應(yīng)時(shí)間為6 h的工藝條件下，塔河TH12196單井稠油經(jīng)熱降黏和催化降黏[催化降黏劑加入量(w)為1.5%]處理后的黏度變化見表2。熱降黏是指在反應(yīng)過程中不加催化降黏劑，僅在設(shè)定溫度和設(shè)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的降黏反應(yīng)。催化降黏是指在上述反應(yīng)過程中加入適量催化降黏劑而進(jìn)行的降黏反應(yīng)。

由表2可見：稠油經(jīng)催化改質(zhì)降黏處理后，黏度(50 ℃)可由1 450 mPa·s降低至660 mPa·s，降黏率達(dá)到54.5%，在室溫下靜置30天后，油樣黏度(50 ℃)繼續(xù)下降至619 mPa·s，降黏率升高到57.3%。經(jīng)脫鹽條件的熱降黏處理后，稠油黏度(50 ℃)由1 450 mPa·s，降低至1 405 mPa·s，降黏率僅為3.1%，在室溫下靜置30天后，油樣黏度(50 ℃)回升至1 484 mPa·s。催化改質(zhì)降黏較熱降黏的降黏率高51.4百分點(diǎn)，且經(jīng)催化改質(zhì)降黏處理后稠油黏度不回升。該結(jié)果說明，催化改質(zhì)降黏和熱降黏的機(jī)理不同，在160 ℃進(jìn)行熱降黏，通過破壞稠油中分子間弱作用力如氫鍵、色散力的作用，使稠油締合結(jié)構(gòu)變松散，進(jìn)而導(dǎo)致稠油黏度有一定的降低，但在室溫靜置一段時(shí)間后，氫鍵等重新形成，使稠油締合體得以恢復(fù)，從而使得黏度發(fā)生回升。而催化降黏處理主要使一些鍵能較弱的化學(xué)鍵如配價(jià)鍵、C—S鍵等發(fā)生斷裂，破壞以這些鍵形成的稠油聚集體，產(chǎn)生顯著的降黏效果，并且降黏后稠油黏度不回升。

表2 塔河TH12196單井稠油經(jīng)熱降黏和催化降黏處理后的黏度變化

2.2 稠油催化降黏工藝優(yōu)化

稠油催化改質(zhì)降黏效果受多種條件影響，其中反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化降黏劑加入量影響最大，因此，為優(yōu)化工藝條件，考察了這3個(gè)因素對(duì)降黏效果的影響。

2.2.1 反應(yīng)溫度對(duì)稠油降黏率的影響 在反應(yīng)時(shí)間為6 h、催化降黏劑加入量(w)為1.5%的條件下，考察了反應(yīng)溫度對(duì)稠油降黏率的影響，結(jié)果見表3。由表3可見：當(dāng)溫度從80 ℃上升到160 ℃時(shí)，稠油的降黏率不斷上升；160 ℃時(shí)降黏率為54.5%，且瀝青質(zhì)和膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)從降黏前的51.1%下降到48.6%，芳香分和飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)從降黏前的48.9%上升到51.4%；當(dāng)溫度從160 ℃上升到200 ℃時(shí)，稠油降黏率有所降低，四組分含量變化不大。說明當(dāng)溫度升高到160 ℃時(shí)，稠油分子中一些較弱的化學(xué)鍵，經(jīng)催化降黏劑作用而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致以這些鍵形成的聚集體解聚，使稠油黏度顯著降低。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)塔河稠油降黏率及組成的影響

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油降黏率的影響 在反應(yīng)溫度為160 ℃、催化降黏劑加入量(w)為1.5%條件下考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油降黏率的影響，結(jié)果見表4。由表4可以看出：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從0延長到2 h時(shí)，降黏率從25.2%升高到46.2%；超過6 h后，稠油降黏率的上升幅度不大；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 h時(shí)，降黏率僅升至57.8%。且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，稠油的組成變化較明顯，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量減少，芳香分和飽和分含量增加。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)塔河稠油降黏率及組成的影響

2.2.3 催化降黏劑加入量對(duì)稠油降黏率的影響在反應(yīng)溫度為160 ℃、反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下，考察了催化降黏劑加入量對(duì)稠油降黏率的影響，結(jié)果見表5。由表5可見：隨著催化降黏劑加入量的增加，稠油降黏率呈逐漸上升趨勢(shì)；在其它條件相同的情況下，不加催化降黏劑時(shí)降黏率僅為3.1%，當(dāng)催化降黏劑加入量(w)從0增加到1.5%時(shí)，降黏率上升較明顯；當(dāng)催化降黏劑加入量(w)超過1.5%時(shí)，降黏率上升趨于平緩；隨催化降黏劑加入量的增加，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量逐漸降低，從降黏前的51.1%最低降至48.4%，芳香分和飽和分含量逐漸上升，從降黏前的48.9%最高上升至51.6%。由此可知，催化降黏劑可以促進(jìn)稠油重質(zhì)組分向輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)化，進(jìn)而導(dǎo)致稠油降黏，綜合考慮降黏效果和催化降黏劑成本，適宜的催化降黏劑加入量(w)為1.5%。

表5 催化降黏劑加入量對(duì)塔河稠油降黏率及組成的影響

3 結(jié) 論

(1) 在反應(yīng)溫度為160 ℃、反應(yīng)時(shí)間為6 h、催化降黏劑加入量(w)為1.5%的工藝條件下，塔河稠油經(jīng)催化改質(zhì)降黏處理后，黏度(50 ℃)可由1 450 mPa·s降低至660 mPa·s，降黏率達(dá)到54.5%，在室溫下靜置30天后，油樣黏度(50 ℃)繼續(xù)下降至619 mPa·s，降黏率升高到57.3%。經(jīng)脫鹽條件的熱降黏處理后，稠油黏度(50 ℃)由1 450 mPa·s降低至1 405 mPa·s，降黏率僅為3.1%，在室溫下靜置30天后，油樣黏度(50 ℃)回升至1 484 mPa·s。催化改質(zhì)降黏較熱降黏的降黏率高51.4百分點(diǎn)，且經(jīng)催化改質(zhì)降黏處理后稠油黏度不回升。

(2) 隨溫度升高、反應(yīng)時(shí)間延長、催化降黏劑用量增加，降黏率基本保持上升趨勢(shì)，且降黏后，重質(zhì)組分含量減少，輕質(zhì)組分含量增加。

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FIELD TEST FOR VISCOSITY REDUCTION OF TAHE HEAVY OIL BY HYDROTHERMAL CATALYTIC MODIFICATION

Huang Juan1， Ren Bo2， Li Bengao1， Yang Zuguo2

(1.ResearchInstituteofPetroleumProcessing，SINOPEC，Beijing100083； 2.NorthwestOilfieldCompany，SINOPEC)

The field test for viscosity reduction of Tahe TH12196 heavy oil by hydrothermal catalytic process was conducted in the pilot plant of Northwest Oilfield Company， SINOPEC using a catalytic viscosity reducer developed by Research Institute of Petroleum Processing. The results show that the viscosity of Tahe oil is reduced by 54.5% after catalytic modification at the conditions of reaction time of 6 h， 160 ℃ and the viscosity reducer dosage of 1.5%， 51.4% more than that of hydrothermal method， while similar to the results of laboratory. After the modification， the heavy components are decreased and the light ones are increased. The breakage of weaker chemical bond between molecules leads the composition changes of heavy oil， resulting in smaller aggregations and irreversible viscosity reduction.

heavy oil； catalytic modification； viscosity reduction； mechanism

2014-03-11； 修改稿收到日期： 2014-05-22。

黃娟，工程師，碩士，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，主要從事稠油催化降黏方面的研究工作。

黃娟，E-mail：huangjuan.ripp@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項(xiàng)目(211053)。