稠油降粘方法的作用機(jī)理及研究進(jìn)展

趙文學(xué) 韓克江 曾鶴 施巖

摘 要：綜述了常用稠油降粘方法的作用機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)。目前常用的稠油降粘方法主要有加熱降粘，摻稀降粘，降凝降粘，加表面活性劑降粘，微生物降粘，改質(zhì)降粘，油溶性降粘劑降粘，加堿降粘，催化降粘等。并對(duì)以上幾種方法進(jìn)行對(duì)比和應(yīng)用前景的展望。

關(guān) 鍵 詞：降粘;機(jī)理;應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1365-03

Mechanisms and Research Progress of Heavy Oil Viscosity Reduction Methods

ZHAO Wen-xue1， HAN Ke-jiang1， ZENG He2， SHI Yan2

（ 1. China Huanqiu Engineering Company， Beijing 100012， China; 2. Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun113001， China）

Abstract： Current common heavy oil viscosity reduction methods were reviewed as well as their mechanisms， advantages and disadvantages. The current common heavy oil viscosity reduction methods include heating method， mixing light oil method， mixing surfactant method， microbial method and so on. And above several methods were compared， and their application prospect in future was analyzed.

Key words： Viscosity; Mechanism; Application prospect

稠油是指含有高膠質(zhì)瀝青質(zhì)，高蠟，高硫等高粘度的原油。由于稀油消耗量的逐漸增加，難以滿足當(dāng)今社會(huì)的需求[1]。因此，稠油降粘技術(shù)是當(dāng)各國(guó)的極大關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)地大物博物產(chǎn)豐富，稠油分布廣泛，其中超稠油，重油主要分布在克拉瑪依、新疆、遼河等油田，現(xiàn)在我國(guó)的主要任務(wù)是開(kāi)采儲(chǔ)量大、埋藏淺、粘度相對(duì)較低的油田[2]。目前，稠油降粘主要有物理降粘和化學(xué)降粘法。物理降粘主要有摻稀油降粘，加熱降粘等方法，化學(xué)降粘包括降凝降粘，油溶性降粘劑降粘、表面活性降粘、微生物降粘，改質(zhì)降粘，加堿降粘，催化降粘[3]。本文主要對(duì)各種降粘方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比并綜述了各個(gè)方法的發(fā)展前景。

1稠油降粘的機(jī)理

稠油一般不能以真溶液形式存在，而是以膠體形式存在，其中瀝青質(zhì)為分散相的核心，它周圍的膠束為分散相，其輕質(zhì)油餾分和部分膠質(zhì)為分散介質(zhì)[4]。膠束中膠質(zhì)瀝青質(zhì)以氫鍵或π-π等作用力與膠質(zhì)分子間締合，稠油的高粘度就是由于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子之間的相互作用引起的;從膠束中心到分散介質(zhì)其組成是逐漸變化過(guò)渡的，因此削弱膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子之間的相互作用是達(dá)到降粘的有效方法[5]。

2 物理降粘技術(shù)

物理法降粘是用物理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降粘效果的，稠油的組成未發(fā)生變化，是區(qū)別于化學(xué)降粘的最基本的降粘技術(shù)，一般對(duì)井筒和近井地帶的稠油降粘常用物理降粘法[6]。

2.1 加熱降粘

降粘機(jī)理：一般稠油的粘度隨隨溫度的升高而降低，即加熱可以明顯降低稠油的粘度。由于原油粘度高，會(huì)與管道產(chǎn)生很大阻力，因此在進(jìn)入管道前對(duì)原油進(jìn)行加加熱，通過(guò)提高原油輸送溫度而降低其粘度，進(jìn)而減小管路運(yùn)輸中的阻力[7]。

加熱降粘雖然簡(jiǎn)單、常規(guī)，方便，但是能耗高，經(jīng)濟(jì)損失大，經(jīng)常會(huì)發(fā)生凝管事故，停輸后再啟動(dòng)困難，同時(shí)存在著最低輸量的限制[8]。目前，世界各國(guó)都在集中研究其他非加熱方式進(jìn)行原油開(kāi)采運(yùn)輸，加熱降粘雖普遍應(yīng)用，但發(fā)展趨勢(shì)不是太好，應(yīng)用其他技術(shù)逐漸取代加熱輸降粘。

2.2 摻稀降粘法

摻稀油降粘法是向稠油中加入一些稀釋劑等低粘液態(tài)化合物，利用相似相容原理進(jìn)行稀釋的方法，通過(guò)降低稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的濃度來(lái)改善其流動(dòng)性，進(jìn)而降低稠油粘度[9]。一般常用稀釋劑有凝析油、石腦油、一些輕質(zhì)油等。稀釋后的混合物通過(guò)管道運(yùn)輸，這樣就可以直接利用常規(guī)的原油輸送系統(tǒng)來(lái)輸送稠油。此法還大大較小了稠油與管道間的摩擦，減小了熱量損失。

摻稀降粘法降粘效果好，流動(dòng)性大，操作簡(jiǎn)單，損失小，稠油摻稀后相對(duì)密度變小，混合溫度降低，減小運(yùn)輸時(shí)的熱量損失，從而提高經(jīng)濟(jì)效益[10]。一般地，摻稀后總液量增加時(shí)，輸送管可做油管，因此在新疆、勝利、河南等具有稀油資源的油田， 均采用具有良好經(jīng)濟(jì)性的摻稀油降粘流程[11]。局限性在于摻稀后油品的性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的改變，且摻稀前要進(jìn)行脫水，操作復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)效益低;摻稀后又變成水油混戶物，還要進(jìn)行再次脫水，增加了能源消耗，同時(shí)稠油與稀油混合后在管外同時(shí)運(yùn)輸，不僅增加了運(yùn)輸量，且對(duì)煉油廠工藝流程及管道設(shè)施都會(huì)造成損失 [12]。但由于凝析油、石腦油、一些輕質(zhì)油等產(chǎn)量逐漸下降，將且運(yùn)輸及摻稀方法還不完善，因此該方法的應(yīng)用前景不是很好。

3 化學(xué)降粘技術(shù)

化學(xué)降粘法是通過(guò)加入化學(xué)試劑來(lái)改變稠油性質(zhì)而降低粘度的方法，是目前在原油開(kāi)采和運(yùn)輸中應(yīng)用最廣泛最高效的降粘法。化學(xué)法根據(jù)其降粘原理不同可分為降凝降粘，表面活性劑降粘、微生物降粘，改質(zhì)降粘，油溶性降粘劑降粘等。

3.1 降凝降粘

降粘原理：主要是通過(guò)加入蠟晶降低原油的凝點(diǎn)來(lái)降低粘度。一般蠟晶是分子結(jié)構(gòu)與原油結(jié)構(gòu)相同或相類似的正構(gòu)烷烴，或是一些具有極性基團(tuán)的高分子化合物。通過(guò)蠟晶進(jìn)行改性法主要針對(duì)石蠟基原油，原油的高凝點(diǎn)是由于蠟含量高，此類原油對(duì)溫度不敏感，在凝點(diǎn)以上稠油粘度不大，但在凝點(diǎn)以下粘度急劇上升。因此改變稠油的凝點(diǎn)能有效的降低粘度。目前，此技術(shù)不是很成熟，因?yàn)樘幚砹坑邢蓿瑢?duì)降粘劑分子要求較高，因此要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性，必要是采取其他降粘方法。

3.2 表面活性劑降粘

降粘機(jī)理：表面活性劑降粘分為三種：乳化降粘，由于表面活性劑具有潤(rùn)濕作用，使原油由油包水型乳化劑轉(zhuǎn)化為水包油型乳化液，增加原油流動(dòng)性來(lái)降低粘度 [13];破乳降粘，表面活性劑能破壞 W/O 型乳狀液，從而生成游離水，游離水與原油形成“懸浮油”而降低粘度[14];吸附降粘，即將表面活性劑水溶液注入油井，能夠在管壁上形成水膜，減少了液流與管壁間的摩擦，通過(guò)減小流動(dòng)阻力來(lái)降低粘度[15]。一般，這三種降粘機(jī)理同時(shí)起作用，但在不同的表面活性劑和不同的處理?xiàng)l件下，發(fā)揮降粘機(jī)理會(huì)不同。

表面活性劑降粘技術(shù)在降粘領(lǐng)域占有重要位置，且工藝成熟，成本低，降粘效果好，工藝簡(jiǎn)單，安全方便見(jiàn)效快。但開(kāi)采時(shí)需要大量的水源，并且要針對(duì)原油的不同性質(zhì)選擇不同的表面活性劑，如耐高溫高壓，耐酸耐堿耐鹽等特性，同時(shí)破乳后的稠油脫水困難，加大了處理費(fèi)用[16]。因此未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是要采用復(fù)配的表面活性劑，即在表面活性劑中加入一些改性的納米材料，使水油及表面活性劑包裹在一起形成納米乳液，即達(dá)到表活作用，具有增效作用。新型表面活性劑要對(duì)原有技術(shù)的完善和延伸因此要深刻理解表面活性劑結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能關(guān)系，以完善降粘方法，提高降粘效果[13]。

3.3 微生物降粘技術(shù)

降粘機(jī)理主要有三種：1）微生物一般以長(zhǎng)鏈烷烴，石蠟，膠質(zhì)瀝青質(zhì)為食，將稠油中的長(zhǎng)鏈飽和烷烴轉(zhuǎn)化成低碳數(shù)的烷烴，從而降低稠油粘度[17];2）微生物在地下進(jìn)行自身新陳代謝，產(chǎn)生表面活性劑能改變油水平衡，降低表面張力，從而降低原油的粘度;3）某些產(chǎn)氣菌在地下活動(dòng)，產(chǎn)生部分氣體，使原油膨脹，進(jìn)而降低凝點(diǎn)和粘度[18]。

微生物降粘技術(shù)應(yīng)用前景很廣泛，它不會(huì)有由于化學(xué)降粘造成的環(huán)境污染，且具有高效率，低成本、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，產(chǎn)出液容易處理，尤其是目前我國(guó)稠油油田含水量高，采出率低，采用微生物降粘將大大提高開(kāi)采量。但微生物降粘也有一定的局限性，要對(duì)菌種做好培育和帥選的工作。一般稠油所處條件是溫度較高、鹽度較大、重金屬離子含量下，但此條件下菌種不容易的生長(zhǎng)和存活，且微生物產(chǎn)生的表面活性劑和微生物本身會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)生成沉淀，因此培育菌種的條件不易控制，今后的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是培養(yǎng)耐溫、耐鹽、耐重金屬離子的易培養(yǎng)菌種，是一項(xiàng)很有潛力和發(fā)展前景的降粘技術(shù)[19]。

3.4 改質(zhì)降粘

降粘機(jī)理：由于碳數(shù)越多，鍵長(zhǎng)越短，分子間作用力越大，因此粘度越大[20]。一般稠油重油中油分子碳數(shù)在16以上，甚至達(dá)到64作左右的油品。稠油改質(zhì)法是向重油中滲入一些化學(xué)試劑來(lái)使大分子鏈芳烴轉(zhuǎn)化為小分子鏈芳烴，減弱分子間的作用力，從本質(zhì)上降低稠油的粘度，目前主要的改質(zhì)法有兩種：除碳和加氫[21]。

優(yōu)點(diǎn)：由于重油分子間發(fā)生了不可逆的改變，因此降粘效果比較好。經(jīng)改質(zhì)降粘會(huì)得到低粘、優(yōu)質(zhì)的合成原油，且所得的副產(chǎn)品渣油還有有很大的用途。缺點(diǎn)：改質(zhì)降粘的處理量少，這就加大了處理費(fèi)用，且對(duì)于催化劑的要求比較高。今后的主要任務(wù)是在低成本下進(jìn)行大量處理，可以對(duì)部分重油進(jìn)行改質(zhì)，然后將改質(zhì)后的重油用作稀釋劑輸送未改質(zhì)的重油，循環(huán)使用。

3.5 油溶性降粘劑降粘法

降粘機(jī)理是：稠油的高粘度是由于堆積很多膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子。油溶性降粘劑分子主鏈?zhǔn)歉咛纪榛?，可以浸入稠油?在高溫或溶劑作用下側(cè)鏈基團(tuán)，可借助強(qiáng)的形成氫鍵能力和滲透、分散作用變得疏松而進(jìn)入到膠質(zhì)和瀝青質(zhì)片狀分子之間，拆散堆疊的大分子聚合物，使稠油分子結(jié)構(gòu)變得松散，同時(shí)降低了原油間的聚合力，從而達(dá)到降粘效果 [22]。

油溶性降粘劑是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的，面臨著兩大問(wèn)題：1）降粘劑的降粘機(jī)理尚不明確;2）對(duì)催化劑的選擇性較高。油溶性降粘劑主要分有縮合物型，不飽和單體共聚物或均聚物型和高分子表面活性劑型等幾種類型[23]。為提高達(dá)到更好的降粘效果，將油溶性降粘劑與稀釋劑、乳化劑或熱力方法配合使用[24]。

優(yōu)點(diǎn)：油溶性降粘劑可以直接加入到稠油中，解決了降粘后的脫水困難的問(wèn)題。在蒸汽下注入稠油降粘劑可以降低油水表面張力，減少阻力，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)降粘劑在降低粘度的同時(shí)會(huì)提高注氣質(zhì)量和壓力，提高周期產(chǎn)量 [25]。不足之處是油溶性降粘技術(shù)的機(jī)理尚不明確，對(duì)催化劑的要求較高，且降粘劑一般價(jià)格較高，藥劑用量較大，生成成本高;對(duì)重稠油和超稠油的轉(zhuǎn)化率較低。

3.6 催化降粘

降粘原理：在高溫高壓下催化劑的條件下，稠油中的硫鍵會(huì)發(fā)生斷裂，不可逆的降低了稠油的粘度，提高了油品。催化降粘的優(yōu)點(diǎn)：因裂解的作用使稠油的粘度發(fā)生了不可逆的降低，從本質(zhì)上降低了粘度，提高了流動(dòng)性。但催化降粘需要一定的溫度和壓力，這加重了對(duì)降粘設(shè)備的要求，同時(shí)對(duì)催化劑的選擇也很困難，需要選擇無(wú)污染，廉價(jià)的催化劑因此發(fā)展前景不是很好。

3.7 加堿降粘

一般稠油中含有大量的酸性物質(zhì)，如脂肪酸、環(huán)烷酸，焦質(zhì)酸和瀝青酸，加入堿后這些酸性物質(zhì)變成具有表面活性劑的物質(zhì)，使稠油由油包水乳化液變成水包油的乳液，大大降低了粘度[26]。

4 結(jié) 論

目前稠油降粘的方法很多，也都被廣泛應(yīng)用，但每種方法都一定的弊端。目前沒(méi)有一種特定的方法可以解決所有稠油運(yùn)輸和開(kāi)采所遇到的問(wèn)題。因此對(duì)降粘方法的研究還有很大的發(fā)展空間。在加熱降粘耗能大;摻稀降粘時(shí)加入降粘劑，由于降粘劑的資源也是有限的，此方法在經(jīng)濟(jì)上不合適，增加了開(kāi)采陳本;改質(zhì)降粘法的副產(chǎn)品可以重新利用，但改質(zhì)量小，實(shí)施起來(lái)比較困難。微生物降粘法是目前較好降粘方法。微生物降粘技術(shù)是一種新的降粘技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、處理量大、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景[27]。

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