生物表面活性劑對(duì)稠油化學(xué)降黏增效作用的研究

張金秋

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營(yíng) 257000;2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100)

近年來，常規(guī)易開采原油已難以滿足快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求，使得人們不得不尋求非常規(guī)油藏(稠油、超稠油)的開采方法，彌補(bǔ)能源需求的不足［1］。但由于稠油黏度大、流動(dòng)性差、凝點(diǎn)高等特點(diǎn)，開采困難，因此，如何降低稠油黏度、增加稠油流動(dòng)性是稠油開發(fā)過程中關(guān)鍵難題［2］。目前，對(duì)于稠油油藏的開采已經(jīng)較為成熟，但仍存在污染地層環(huán)境、破壞油藏地質(zhì)條件、運(yùn)行成本高等缺陷。微生物降黏技術(shù)具有產(chǎn)出液易處理、無二次污染、穩(wěn)定性高、在極端條件下仍有效、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被人們所重視［3］。本研究采用將生物與化學(xué)相結(jié)合降低稠油黏度的方法，得到一種高效環(huán)保型稠油降黏劑，為稠油復(fù)配降黏技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

生物表面活性劑:從油田污水中篩選出的一株產(chǎn)生物表面活性劑菌，命名為B－1，經(jīng)鑒定為類短短芽孢桿菌屬;該菌株的最佳發(fā)酵條件為溫度25℃，鹽度8 g/L，pH 7.5，最大菌株濃度可達(dá)3.1×109cell/mL，發(fā)酵液的表面張力可由最初的62.19 mN/m降至25.63 mN/m;所產(chǎn)的生物表面活性劑經(jīng)鑒定為鼠李糖脂類生物表面活性劑。

化學(xué)降黏劑A，由棉籽油酸改性的具有多官能團(tuán)的陰離子表面活性劑，工業(yè)品。

原油，取自孤島采油廠東二區(qū)Ng5的脫水脫氣稠油(50℃時(shí)，黏度8 043 mPa·s)，組分分析結(jié)果見表1，黏溫曲線見圖1。

表1 孤島原油組分分析結(jié)果

圖1 原油黏溫曲線

1.2 降黏率的測(cè)定方法

參照中國(guó)石油化工集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0055—2007《稠油降粘劑技術(shù)要求》測(cè)定。

1.3 降黏劑乳化穩(wěn)定性的分析方法

按一定油水比將降黏劑水溶液和油樣加入100 mL具塞量筒中，在50℃恒溫水浴下超聲振蕩30 min得到乳狀液，備用。將裝有乳狀液的量筒放入50℃恒溫水浴中，根據(jù)不同時(shí)間段析出的水量計(jì)算脫水率fv。計(jì)算公式如下:

式中，fv為脫水率，%;V1為析出水體積;V2為乳化降黏劑水溶液總體積。

乳狀液的穩(wěn)定性用SV表征，計(jì)算公式如下:

式中，SV為穩(wěn)定性評(píng)分值，且0＜SV＜21，SV值越大表明乳狀液穩(wěn)定性越好;Ki為加權(quán)系數(shù)，靜置時(shí)間為 10，20，30，40，50，60 min 時(shí)，Ki對(duì)應(yīng)取值 1，2，3，4，5，6［4－5］。

1.4 原油各組分的氣相色譜分析

GC－2010氣相色譜儀(GC－FID)，日本島津公司;GC－MS－QP2010氣質(zhì)聯(lián)用儀，日本島津公司。分析測(cè)試條件［6］見表2。

表2 氣相色譜分析測(cè)試條件

2 結(jié)果與討論

2.1 油水比對(duì)降黏劑A乳化降黏的影響

50℃下，降黏劑A用量(以原油質(zhì)量計(jì)，下同)為0.30%，考察不同油水比對(duì)乳狀液黏度及穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表3。

表3 油水比對(duì)降黏劑A乳化降黏的影響

從表3看出，隨著油水比降低，乳化穩(wěn)定性降低，乳狀液穩(wěn)定性變差，黏度降低，但降低幅度不明顯。由此可見，水量增加有利于稠油乳狀液黏度降低，但隨著體系中水量增加，乳狀液穩(wěn)定性逐漸變差。因此，綜合考慮，降黏劑A乳化降黏最佳油水比為(7∶3)～ (5∶5)［7－8］。

2.2 降黏劑A用量對(duì)乳化降黏的影響

在50℃，油水比5∶5下，考察降黏劑A用量對(duì)降黏效果的影響，結(jié)果見表4。降黏率隨著降黏劑A用量增大呈上升趨勢(shì)，這表明有利于降低O/W型乳狀液黏度，降黏劑A用量0.40%時(shí)，乳狀液黏度為252.5 mPa·s(＜300.0 mPa·s)，降黏率為96.86%。降黏劑A用量大于0.50%時(shí)，降黏率下降，這可能是因?yàn)榻叼┯昧窟^大時(shí)，會(huì)形成微乳狀液，其黏度有所增大［9］。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，單一使用降黏劑A時(shí)其最佳用量為0.40%。

表4 降黏劑A用量對(duì)降黏率的影響

2.3 菌株B－1發(fā)酵液用量對(duì)稠油降黏的影響

在50℃下，考察發(fā)酵液用量對(duì)稠油乳狀液黏度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 菌株B－1發(fā)酵液用量對(duì)原油黏度的影響

由圖2看出，加入發(fā)酵液后油樣乳狀液黏度比加入相同用量蒸餾水后的低，這表明菌株B－1發(fā)酵液具有一定的降黏效果。發(fā)酵液用量達(dá)50%時(shí)，降黏率為50.52%，繼續(xù)增加菌株發(fā)酵液用量，油樣的降黏率效果增加不明顯。因此，確定菌株B－1發(fā)酵液最佳用量為50%。綜合考慮，降黏劑A乳化降黏合適的油水比及經(jīng)濟(jì)成本，確定復(fù)配降黏體系最佳油水比為5∶5。

2.4 稠油最佳復(fù)配降黏體系配方的確定

采用菌株B－1發(fā)酵液配制降黏劑A溶液，在油水比5∶5，50℃條件下，考察A用量對(duì)復(fù)配體系乳化降黏的影響，結(jié)果見表5。

表5 降黏劑A用量對(duì)復(fù)配體系乳化降黏的影響

由表5可知，隨著降黏劑A用量增加，油樣降黏率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)降黏劑A用量達(dá)0.20%時(shí)，降黏率為96.43%，繼續(xù)增加降黏劑A用量，油樣的降黏率趨于平穩(wěn)。因此，綜上所述，確定最佳稠油降黏復(fù)配體系為:降黏劑A用量0.20%，菌株B－1發(fā)酵液用量50%(即最佳油水比為5∶5)。

2.5 溫度對(duì)降黏體系降黏效果的影響

取5個(gè)250 mL保溫杯，各加入50 g油樣，分別在不同溫度下恒溫水浴1 h，按照油水比5∶5分別加入降黏劑A的水溶液或降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液復(fù)配體系，其中降黏劑A用量為0.2%，攪拌制得乳狀液，反應(yīng)30 min后測(cè)定乳狀液黏度，每個(gè)樣品做3次平行實(shí)驗(yàn)。考察溫度對(duì)單一降黏劑A及降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液復(fù)配體系降黏效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對(duì)稠油乳狀液黏度的影響

從圖3看出，在單一降黏劑 A中，在50～70℃內(nèi)乳狀液黏度基本不變;當(dāng)溫度升至80℃時(shí)黏度略下降，但仍可形成穩(wěn)定的乳狀液;溫度升至90℃時(shí)，黏度突然增大，可能是因?yàn)槿闋钜涸诟邷叵滦纬?W/O型乳狀液，致使黏度突然增大［9］。在復(fù)配體系中，溫度為50～90℃時(shí)，乳狀液黏度沒有明顯變化，體系穩(wěn)定，表明復(fù)配體系耐溫性有所改進(jìn)，擴(kuò)大了降黏劑的適用范圍。

2.6 礦化度對(duì)降黏體系降黏效果的影響

取6個(gè)250 mL保溫杯，各加入50 g油樣，在50℃恒溫下水浴1 h，按照油水比5∶5分別加入降黏劑A水溶液(降黏劑A用量為0.2%)或降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液復(fù)配體系，使用NaCl調(diào)節(jié)反應(yīng)體系礦化度，攪拌制得乳狀液，反應(yīng)30 min測(cè)定乳狀液黏度，每個(gè)樣品做3次平行實(shí)驗(yàn)?？疾霳aCl含量對(duì)單一降黏劑A及降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液復(fù)配體系降黏效果的影響［9］，結(jié)果見圖4。

圖4 礦化度對(duì)稠油乳狀液黏度的影響

從圖4看出，在單一降黏劑A中，NaCl含量對(duì)乳狀液黏度影響較大。當(dāng) NaCl含量小于5.0 g/L時(shí)，增加NaCl含量有利于油樣乳狀液黏度降低;而當(dāng)NaCl含量為5.0～30.0 g/L時(shí)，乳狀液黏度呈明顯增大趨勢(shì)。在復(fù)配體系中，NaCl含量對(duì)乳狀液黏度幾乎沒有影響，表明該復(fù)配體系適用的礦化度范圍較寬，在一些極端條件下也可使用。

2.7 降黏劑作用后稠油各組分的氣相色譜分析

對(duì)處理后樣品進(jìn)行GC－FID和GC－MS檢測(cè)［6，10］，考察單一降黏劑 A、降黏劑 A/菌株 B －1發(fā)酵液復(fù)配降黏體系分別與稠油反應(yīng)7 d后油樣各主要組分(烷烴、芳烴)的變化，結(jié)果見圖5和圖6。從圖5顯示，與單一劑A相比，復(fù)配降黏體系對(duì)油樣中直鏈烷烴的降解幅度較明顯?？赡苁且?yàn)閺?fù)配體系中降黏劑A及發(fā)酵液中生物表面活性劑共同作用后乳化作用較強(qiáng)，將油樣乳化成細(xì)小油滴分散在體系中，增大了發(fā)酵液中菌株B－1與原油的接觸面積，促進(jìn)了B－1將油樣作為碳源代謝利用［6］。圖中顯示，B－1對(duì)原油中中短鏈烷烴的降解率不超過15%，且對(duì)C30后的長(zhǎng)鏈烷烴幾乎無降解效果，由此可見，菌株B－1對(duì)該原油中烷烴雖有一定程度的降解但降解幅度并不明顯，表明生物表面活性劑體系在原油降黏開采過程中具有一定的應(yīng)用價(jià)值［11］。

圖6為反應(yīng)后油樣中芳烴組分的分布。芳烴組分與圖5中烷烴的變化趨勢(shì)相似，復(fù)配體系由于菌株的作用對(duì)各芳烴組分也具有一定的降解效果。在萘、芴、二苯并噻吩、屈、菲這5種烷基化多環(huán)芳烴系列中，菌株B－1對(duì)烷基化萘的降解程度較明顯，但降解幅度均明顯低于直鏈烷烴。綜上所述，該復(fù)配體系對(duì)原油的降解幅度較小，不影響原油開采后的品質(zhì)，為生物/化學(xué)復(fù)配降黏體系在稠油實(shí)際開采中的應(yīng)用提供了一定的理論指導(dǎo)。

圖5 不同降黏體系處理后稠油烷烴組分的變化

圖6 不同降黏體系處理后稠油芳烴組分的變化

3 結(jié)論

1)降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液的最佳降黏復(fù)配體系為:降黏劑A用量為0.2%，菌株B－1發(fā)酵液用量為50%(即體系最佳油水比為5∶5)，降黏率達(dá)96.43%。

2)單一降黏劑A、降黏劑A/菌株B－1發(fā)酵液復(fù)配降黏體系分別與稠油相互作用后原油樣品的氣相色譜分析結(jié)果表明，菌株B－1對(duì)原油組分中直鏈烷烴及烷基化萘具有一定的降解作用，但降解程度都不明顯，不影響原油開采后的品質(zhì)。

3)生物/化學(xué)復(fù)配體系降低了降黏劑用量，在保證稠油降黏效果的前提下，具有更好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。

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