重油減黏熱裂化工藝研究進展

李培元,韓克江*，倪澤南，施 巖

（1.中國寰球工程公司，北京 100012；2.遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

重油減黏熱裂化工藝研究進展

李培元1,韓克江1*，倪澤南2，施 巖2

（1.中國寰球工程公司，北京 100012；2.遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部石油化工學院，遼寧 撫順 113001）

綜述了國內(nèi)外重油減黏熱裂化工藝的現(xiàn)狀。合理的采用熱裂化降黏措施和集輸工藝對重質(zhì)原油的利用、處理有明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。作為石油開發(fā)的一個新的領(lǐng)域，解決重油集輸問題不僅是重油加工和利用的，也是重油經(jīng)濟效益的關(guān)鍵核心。

重油；集輸；熱裂化；降黏

前言

稠油在世界上有豐富的儲量，我國是繼美國，加拿大，委內(nèi)瑞拉之后的第四大稠油生產(chǎn)國。我國在科技方面技入了大量的人力和物力，攻克了稠油開發(fā)生產(chǎn)中一個個技術(shù)難題，使稠油的產(chǎn)量逐年上升，開發(fā)技術(shù)得到不斷的完善和提高[1～3]。2011年我國進口原油254Mt[4]，目前我國已成為世界第2大石油進口國和消費國。國內(nèi)研究機構(gòu)預計，我國的原油需求量的增速將越來越快，到2020年可能將達到600Mt，屆時我國原油需求的對外依存度很有可能將高達70%[5]。

委內(nèi)瑞拉的超重原油是重要的石油資源[6]，特點包括高黏度、高殘?zhí)?、高瀝青質(zhì)等特點，屬于劣質(zhì)重油，若想加以利用，必須先經(jīng)過改質(zhì)技術(shù)處理。委內(nèi)瑞拉的重油儲量相當豐富，有三座生產(chǎn)重質(zhì)高硫合成原油工廠，一座生產(chǎn)高質(zhì)量的輕質(zhì)低硫合成原油工廠和四座改質(zhì)工廠均采用焦化工藝。

近年來，我國越來越重視非常規(guī)原油相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，委內(nèi)瑞拉重油資源儲量巨大，規(guī)?？捎^，目前已經(jīng)實現(xiàn)了經(jīng)濟開采[7]。2008年，中石油與委內(nèi)瑞拉簽署了合作項目，委內(nèi)瑞拉奧里原油是超重瀝青質(zhì)原油，富含S、V和Ni等金屬元素，屬于難以運輸加工的重質(zhì)原油[8]。

1 重油

1.1 非常規(guī)原油性質(zhì)

原油按照密度可以分為常規(guī)石油、中質(zhì)油和重油3類[9]。重油就是我國油田所稱的稠油，國際上稱為重油。我國將黏度極高的重油和超重油稱為天然瀝青[10～11]，其開采成本相對較高。

重油主要是指API小于20°的原油，也叫做非常規(guī)原油。常規(guī)石油的可供利用量日益減少，目前重質(zhì)原油的比例已經(jīng)達到14%。由于國際油價波動較大，使得開采非常規(guī)油氣資源前景越來越被看好，預計到2020年非常規(guī)石油將占世界石油供應量的20%，同時重油將正式成為今后的重要替代能源之一。

1.2 非常規(guī)原油的采用的主要輸送技術(shù)

表1 各種稠油輸送工藝方法的對比Table 1 The comparison of various transport process of heavy oil

表1中所列方法都有其局限性，如耗能大、成本高和經(jīng)濟效益差等，尤其是對于含水率很低的外輸油，不可能采用以乳化降黏為主的化學降黏方法。

2 開采利用

2.1 加熱開采

國際上的重油熱采技術(shù)近年來發(fā)展迅速，出現(xiàn)了多種熱采方法。遼河油田的熱采技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平，重油蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在我國東北的曙光、歡喜嶺等油田已經(jīng)被廣泛應用，效果非常理想。

2.1.1 蒸汽吞吐

蒸汽吞吐技術(shù)是一種相對簡單的注蒸汽式開采稠油的技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在拉美地區(qū)已經(jīng)得到廣泛使用。蒸汽吞吐技術(shù)的主要機理是通過向井下注入高溫蒸汽，通過一定時間的燜井，近井地帶原油溫度升高同時黏度降低，具有較好的流動性，然后放噴，就可以用常規(guī)方式采油了。遼河油田和吐哈油田在這些方面的技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位[12]。

2.1.2 蒸汽驅(qū)

蒸汽驅(qū)采油是稠油油層經(jīng)過蒸汽吞吐采油之后，為進一步提高采收率而采取的一種熱采方法，因為蒸汽吞吐采油只能采出各個油井附近油層中的原油，在油井與油井之間還留有大量的死油區(qū)。蒸汽驅(qū)采油，就是由注入井連續(xù)不斷地往油層中注入高干度的蒸汽，蒸汽不斷地加熱油層，從而大大降低了地層原油的黏度。注入的蒸汽在地層中變?yōu)闊岬牧黧w，將原油驅(qū)趕到生產(chǎn)井的周圍，并被采到地面上來。除了常規(guī)的直井蒸汽驅(qū)，重力泄油與流體驅(qū)替相互結(jié)合的水平井蒸汽驅(qū)和注尿素輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)[13]，在美國、土耳其和加拿大已經(jīng)有許多成功的實例。

2.1.3 火燒油層

火燒油層是一種用電、化學等方法使油層溫度達到原油燃點，并向油層注入空氣或氧氣使油層原油持續(xù)燃燒的采油方法。火燒油層有向前燃燒、反向燃燒和濕式燃燒三種基本方式。向前燃燒是常用的方法，該法驅(qū)動的流體必須通過油層的低溫區(qū)流向生產(chǎn)井，對特稠原油，可能形成流體阻塞。反向燃燒可以克服阻塞問題，但其耗風量大，約為向前燃燒法的2倍。濕式燃燒是新研發(fā)的一種方法，使得其耗風量約為向前燃燒法的三分之一。除了直井火燒油層，水平井火燒油層采油技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)[14]。

2.1.4 熱水驅(qū)

蒸汽與地層油相密度差及流度比過大，導致重力超負荷汽竄，體積波及系數(shù)不夠高，利用熱水驅(qū)可以使蒸汽的熱效應得到相對較充分的發(fā)揮[15]。其機理是通過熱水將能量傳給油層，使其溫度升高的同時在一定程度上降低油的黏度。

2.1.5 電磁加熱驅(qū)

Islam等人[16]提出，用電磁加熱和水平井相互結(jié)合的方法來開采重油，可使采收率有很大程度的提高，同時還解決了冰凍層蒸汽熱的損失問題，該技術(shù)的成本比其他熱采技術(shù)的成本都低，比SAGD方法具有更高的效率。

2.1.6 SAGD技術(shù)

SAGD技術(shù)，即蒸汽輔助重力泄油技術(shù)是開發(fā)超稠油的一項前沿技術(shù)，其機理是在注汽井中注入蒸汽，蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴展，與油層中的原油發(fā)生熱交換，加熱后的原油和蒸汽冷凝水靠重力作用泄到下面的水平生產(chǎn)井中產(chǎn)出。在靠近油層底部鉆一對上下平行的水平井，蒸汽由上部的注入井注入油層，注入的蒸汽向上及向側(cè)面移動，加熱降黏的原油在重力作用下流到生產(chǎn)水平井，然后再舉升生產(chǎn)[17]。中國石油人創(chuàng)造性地將其改造成了直井-水平井組合開采方式：中國式SAGD技術(shù)：在油層底部鉆一口水平井，在其上方鉆一口或多口直井，蒸汽由上部的注入井注入油層，注入的蒸汽向上及向側(cè)面移動，加熱降黏的原油在重力作用下流到生產(chǎn)水平井。其特點是成本低，操作方便；缺點是采收率相對較低，蒸汽掃油范圍也較小。SAGD技術(shù)已在加拿大和我國遼河油田獲得成功[18,19]，現(xiàn)今單井蒸汽輔助重力泄油（SW—SAGD）技術(shù)因其適應性強、成本低、熱損失量小而越來越受到青睞。重油開發(fā)是一個世界性的難題，以上所列的重油開采技術(shù)各有特色，每一項技術(shù)都不是孤立的，在實踐中多采取組合的方式，各方法相互配合、取長補短，共同來提高重油的開采效率。

3 重油改質(zhì)技術(shù)

重油由于其特殊的性質(zhì)，不能被直接利用，必須將重油改造成與普通輕質(zhì)油具有相似性質(zhì)的原油，具有與普通輕質(zhì)油相同的價值。如從委內(nèi)瑞拉Orinoco重油帶生產(chǎn)的超重油，重度通常在8°API左右，我們需要將重質(zhì)原油改質(zhì)，成為重度在16～33°API之間的合成原油。常用的改質(zhì)方法主要有脫碳技術(shù)和加氫技術(shù)兩種。

3.1 脫碳技術(shù)

脫碳技術(shù)主要包括熱裂化和溶劑脫瀝青兩項技術(shù)[20]。

3.1.1 熱裂化

熱裂化反應很復雜。每當重質(zhì)油加熱到450℃以上時，其大分子分裂為小分子。同時，還有少量疊合（見烯烴疊合）、縮合發(fā)生，使一部分分子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的分子，熱裂化的反應機理是自由基反應機理。熱裂化工藝是石油煉制過程之一，是在熱的作用下（不用催化劑）使重質(zhì)油發(fā)生裂化反應，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹猓拸S氣的一種）、汽油、柴油的過程。熱裂化原料通常為原油蒸餾過程得到的重質(zhì)餾分油或渣油，或其他石油煉制過程副產(chǎn)的重質(zhì)油。

3.1.2 溶劑脫瀝青

溶劑脫瀝青是加工重質(zhì)油的一種石油煉制工藝，其過程是以減壓渣油等重質(zhì)油為原料，利用丙烷、丁烷等烴類作為溶劑進行萃取，萃取物即脫瀝青油可做重質(zhì)潤滑油原料或裂化原料，萃余物脫油瀝青可做道路瀝青或其他用途。

3.2 加氫技術(shù)

加氫技術(shù)是指在反應器中，在一定溫度和氫氣與催化劑的參與下，使原料油與氫氣進行反應，原料被轉(zhuǎn)化為各種餾分油，從而提高油品質(zhì)量或者得到目標產(chǎn)品的一種工藝技術(shù)。

國內(nèi)撫順石油化工研究院早在1986年就已經(jīng)開始了加氫技術(shù)的研究，主要的加氫工藝包括雪佛龍魯姆斯公司的沸騰床渣油加氫裂化工藝、H—Oil（烴油法）、Headwaters公司的重油催化加氫裂化工藝、委內(nèi)瑞拉Intevep公司的加氫裂化及加氫精制組合技術(shù)、雪佛龍公司的減壓渣油懸浮床加氫裂化技術(shù)和Ormat公司的超重油改質(zhì)組合技術(shù)工藝等[21,22]。

3.3 熱裂化減粘工藝的研究

熱裂化工藝流程如圖1、2所示。

圖1 熱裂化工藝流程Fig.1 Thermal cracking technological process

圖2 熱裂化減黏裂化Fig.2 Thermal cracking visbreaking

重油在低溫區(qū)域熱裂化時，提高反應溫度，重油減黏率將快速提高，但在高溫區(qū)域，提高反應溫度，重油的減黏率則提高幅度趨緩。在較低溫度范圍內(nèi)，初期重油體系以裂解反應為主，因此重油的黏度下降較快，其減黏率迅速提高；但在較高溫度范圍內(nèi)，因其減黏率已接近最大值，故其裂解反應速率減慢，這時若繼續(xù)提高反應溫度，則會加劇縮合反應的發(fā)生，甚至出現(xiàn)重油黏度變大、減黏率逐漸降低的趨勢[23,24]。

重油加熱輸送方法主要是通過加熱的方式以提高稠油的流動溫度，在一定程度上降低稠油黏度，同時也減少管路摩擦阻力造成損失的一種重油集輸方法。在加熱方式上，主要有蒸汽熱水加熱法和電加熱法。我國近幾年的稠油管輸方式主要有兩種，即輸油管內(nèi)慢流速動態(tài)冷卻和蒸汽熱水加熱法加熱。

4 結(jié) 論

委內(nèi)瑞拉和遼河油田的重油都屬于高密度、高黏度、高硫、高金屬、高瀝青質(zhì)的劣質(zhì)原油，所以需要先后進行脫水、加熱等工序才會使得重質(zhì)原油具備一定的流動性，本文所述的一些降黏方法均有其局限性和不足，所以應該研發(fā)出新的降黏工藝，多種方法協(xié)同作用，以解決重油集輸問題，獲得較好的重油經(jīng)濟效益。

［1］ MOHAN S RANAA,VICENTE SDMANOB,JORGE ANCHEYTA.A review of recent advances on process technologies for upgrading of heavy oils and residua［J］.Fuel,2007,86（9）:1216～1231.

［2］ 錢伯章.Ivanhoe能源公司創(chuàng)新的重油改質(zhì)工藝［J］.煉油技術(shù)與工程,2006,36（5）:3.

［3］ WM G J,彭欣.加拿大重油和瀝青改質(zhì)為合成原油的展望［J］.石油煉制譯叢,1992,（12）:14～18.

［4］ 陳新華.2011年中國石油石化產(chǎn)業(yè)綜述［N］.中國石油新聞中心，2012－01－31.

［5］ 中國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究項目組.中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究:電力、油氣、核能、環(huán)境卷［M］.北京:科學出版社,2011:191～200.

［6］ 李振宇,喬明,任文坡.委內(nèi)瑞拉超重原油和加拿大油砂瀝青加工利用現(xiàn)狀［J］.石油學報（石油加工）,2012,28（3）:517～524.

［7］ CARBOGNANI L,GONZALEZ M F,PEREIRA－ALMAO P. Characterization of athabasca vacuum residue and its visbroken products.stability and fast hydrocarbon group－type distributions［J］.Energy&fuels,2007,21（3）:1631～1639.

［8］ 張昀,張曉靜.奧里乳化油加工工藝研究［J］.煉油技術(shù)與工程, 2003,33（4）:22～27.

［9］ 劉亞明.重油研究現(xiàn)狀及展望［J］.中國石油勘探,2010,15（5）: 69～76.

［10］ JACOB H.Classification,structure,genesis and practical importance of natural solid oil bitumen（“migrabitumen”）［J］.International Journal of Coal Geology,1989,11（1）:65～79.

［11］ 李秀娟.國內(nèi)外稠油資源的分類評價方法［J］.內(nèi)蒙古石油化工,2008,（21）:61～62.

［12］ 范英才.歡喜嶺油田提高稠油采收率技術(shù)應用實踐［J］.中外能源,2009,14（7）:52～55.

［13］ THOMAS S.Enhanced oil recovery－an overview［J］.Oil&Gas Science and Technology－Revue de l'IFP,2008,63（1）:9～19.

［14］ 汪子吳,李治平,趙志花.火燒油層采油技術(shù)的應用前景探討［J］.內(nèi)蒙古石油化工,2008,（7）:11～15.

［15］ SCHRAMM L L,SMITH R G.The influence of natural surfactants on interfacial charges in the hot－water process for recovering bitumen from the Athabasca oil sands［J］.Colloids and surfaces,1985,14（1）:67～85.

［16］ 趙奇志.用電磁加熱法開采薄層稠油［J］.油氣田開發(fā)工程譯叢,1993,（12）：25～29.

［17］ 姜偉.加拿大稠油開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及我國渤海稠油開發(fā)新技術(shù)應用思考［J］.中國海上油氣（工程）,2006,18（2）:123～125.

［18］ 吳霞.蒸汽輔助重力泄油技術(shù)研究進展［J］.特種油氣藏,2007, 14（1）:7～10.

［19］ SASAKI K,AKIBAYASHI S,AKITA U.Experimental modeling of the SAGD process－enhancing SAGD Perform ance with periodic stimulation of the horizontal producer［J］.SPE Journal,2001,6（1）:89～97.

［20］ 沈燕華.非常規(guī)原油改質(zhì)技術(shù)［J］.當代石油化工,2008,16（11）: 18～25.

［21］ 夏恩冬,呂倩,王剛,等.國內(nèi)外渣油加氫技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.精細石油化工進展,2008,9（8）:42～46.

［22］ 沈燕華.非常規(guī)原油改質(zhì)技術(shù)［J］.當代石油石化,2008,16（11）: 18～21.

［23］ 范瀟瀟,黃新龍,李曉鷗,等.減黏裂化預處理焦化進料的工藝研究［J］.煉油技術(shù)與工程,2012,42（1）:21～24.

［24］ 黃新龍,劉淑芳,江莉,等.劣質(zhì)重油淺度熱裂化研究［J］.石油煉制與化工,2014,45（4）:19～22.

The Research Progress of Heavy Oil Viscosity Thermal Cracking Process

LI Pei-yuan1,HAN Ke-jiang1,NI Ze-nan2and SHI Yan2
（1.China Huanqiu Contracting and Engineering Corporation,Beijing 100012,China;2.Chemical Industry and Environment Department of Petrochemical College,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

The present situation of heavy oil viscosity thermal cracking process at home and abroad was reviewed.There were remarkable energy saving effect and economical benefits in the use and the process of heavy crude oil by reasonably using thermal cracking viscosity measure and transferring technique.As a new area of oil development,solving the problems of heavy oil gathering and transferring was not only the premise and guarantee for the processing and use of heavy oil,but also a core of heavy oil economic efficiency.

Heavy oil;gathering and transferring;thermal cracking;viscosity

TE 624.31

A

101-0017（2015）03-0218-04

2015-01-27

李培元（1957-），男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事常規(guī)油氣田、超重油油田、凝析氣田地面工程以及天然氣長輸管道等方面的設計和研究工作。

*通訊聯(lián)系人：韓克江（1982-）男，博士，高級工程師，主要從事油田地面工程、含油污泥處理和管道強度與可靠性等方面研究。