稠油地下改質(zhì)開采技術及發(fā)展趨勢

孫盈盈，周明輝，黃佳，江航，楊濟如，樊鋮

（1 中國石油勘探開發(fā)研究院采收率研究所，北京100083； 2 提高石油采收率國家重點實驗室，北京100083；

3北京理工大學化學與化工學院，北京100081）

引 言

我國國內(nèi)及海外稠油權益儲量已達百億噸規(guī)模。這些稠油資源主要采用熱降黏衰竭式開采，如蒸汽驅(qū)和蒸汽吞吐，受油藏埋深、油層厚度限制應用范圍窄，資源利用率低。開發(fā)后期油汽比往往降至0.15 甚至0.1 以下，接近采油的經(jīng)濟極限，但仍有60%～75%以上的儲量滯留地下。針對稠油高黏度特性，“高投入，高污染，低產(chǎn)出，低效率”的傳統(tǒng)熱采開發(fā)方式實屬無奈之舉，因此“節(jié)能降耗、經(jīng)濟環(huán)?！币驯粐鴥?nèi)外公認為下一代稠油開發(fā)技術的主要攻關方向。

稠油地下改質(zhì)是通過向油藏中注入化學劑與稠油發(fā)生化學反應，實現(xiàn)稠油地下不可逆降黏并高效采出的一種開采方式，是近十年來最受矚目的下一代稠油開采技術之一，有望從根本上解決稠油在開采、集輸與煉化等環(huán)節(jié)能耗、投資與環(huán)境問題。中石油、埃克森美孚、殼牌和雪佛龍等大型石油公司先后開展了相關研究，在工藝、催化劑和數(shù)值模擬等領域取得了突破性的進展，并開展了數(shù)個礦場試驗。但稠油地下改質(zhì)技術尚處于起步階段，制約技術發(fā)展的主要問題在于技術應用成本相對較高和地下改質(zhì)反應效率較低。本文將從技術主要研究成果、應用效果，面臨的瓶頸問題和技術發(fā)展方向四個方面進行綜合性論述。

1 地下改質(zhì)開采技術

地下改質(zhì)技術是以油藏巖石的多孔介質(zhì)為反應器，在地層條件下實現(xiàn)原油催化改質(zhì)，不可逆地大幅降低原油黏度。此項技術的優(yōu)點在于通過實現(xiàn)稠油在油藏條件下的改質(zhì)降黏，同時解決了稠油開發(fā)過程中采出程度低和運輸煉化成本高兩大難題。與傳統(tǒng)的熱采方法相比，實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈能量一次利用和降耗減排，顯著提高采收率的同時也可為產(chǎn)出原油的運輸和處理節(jié)約大量成本。地下改質(zhì)技術的開采機理是實現(xiàn)“地下煉油”，在油藏條件下將稠油改質(zhì)為易于流動的低黏原油后再進行開采；稠油地下改質(zhì)開采技術的核心是改質(zhì)催化反應；地下改質(zhì)效果的影響因素為地下改質(zhì)反應規(guī)模和改質(zhì)降黏效果。

1.1 地下改質(zhì)開采機理

地下改質(zhì)技術的開采機理是通過實現(xiàn)地下的稠油改質(zhì)催化反應，將油藏條件下難以流動或不具備流動性的稠油改質(zhì)降黏為在生產(chǎn)壓差下可以流動的原油并采出，其中稠油的降黏機理包括稠油在改質(zhì)催化反應后發(fā)生的不可逆化學降黏和改質(zhì)后的原油與原始稠油相互稀釋、溶解的物理降黏。圖1 中給出了常用的蒸汽吞吐方式實施地下改質(zhì)技術的開采機理，技術的應用方法是通過向地層注入改質(zhì)催化劑，利用蒸汽、電磁等方法加熱油藏提供改質(zhì)化學反應的基礎溫度來實現(xiàn)稠油的地下改質(zhì)，在經(jīng)歷一系列復雜的化學、物理反應后，可在正常的生產(chǎn)壓差下實現(xiàn)稠油的開采的同時油品質(zhì)量亦得到了明顯改善，稠油地下改質(zhì)催化反應發(fā)生的必要條件是催化劑、反應物和反應基礎溫度，其中反應物包括注入體系中供氫劑等化學藥劑及稠油中長鏈烷烴、芳香烴、膠質(zhì)等組分。注入的改質(zhì)催化劑必須與稠油充分接觸且周圍環(huán)境溫度達到化學反應的門檻溫度后才會發(fā)生改質(zhì)催化反應。因此，高效的改質(zhì)催化劑是反應的核心，實現(xiàn)催化劑在油藏中充分分散的注入工藝和大規(guī)模油藏加熱方法是改質(zhì)反應降黏效果的保障。

稠油催化改質(zhì)反應的原理是在地層條件下，稠油中的大分子在高溫和催化劑作用下發(fā)生化學鍵的斷裂變成小分子，一方面通過減少C22以上烷烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量，增加C21以下烷烴、芳香烴等輕質(zhì)組分含量，降低原油平均分子量；另一方面是發(fā)生脫硫、脫氮反應，降低原油中雜原子含量減弱其分子間作用力，以此實現(xiàn)稠油的大幅度不可逆降黏[1?13]。對稠油改質(zhì)降黏機理的研究是催化劑研發(fā)的基礎，目前室內(nèi)實驗實際發(fā)生的降黏化學反應缺乏關鍵理論數(shù)據(jù)支撐，因此目前改質(zhì)催化劑的結構設計大多只能依靠經(jīng)驗或嘗試，而不能從分子反應角度有針對性地設計高效催化劑。相信稠油改質(zhì)降黏理論研究的突破會大幅度提升催化劑性能。

圖1 蒸汽吞吐方式實施地下改質(zhì)技術機理示意圖Fig.1 Mechanism schematic diagram of heavy oil in?situ upgrading technologies implemented by steam huff and puff

1.2 改質(zhì)催化劑

目前，稠油改質(zhì)常用的催化劑可分為三類：水溶性催化劑、油溶性催化劑和納米級催化劑。各類催化劑成分、溶解性以及制備工藝的不同，將決定其催化改質(zhì)的性能和應用成本的差異。

（1）水溶性催化劑

Clark等[1?6]最早提出水熱裂解反應過程中，水溶性過渡金屬鹽可促進稠油中含硫化合物發(fā)生分解，生成烴類、CO2、H2和H2S 等。Fe、Ni、Zn、Mn 等水溶性過渡金屬無機鹽催化劑和過渡金屬羧酸鹽類、磺酸鹽類的油溶性催化劑被廣泛應用于稠油改質(zhì)降黏實驗中。張潔等[14]和范洪富等[15]研究了一系列水溶性過渡金屬配合物催化劑的改質(zhì)降黏效果，降黏率可達70%以上。水溶性催化劑的優(yōu)點是價格低廉，能很好地融入水相便于混合注入。但此類催化劑水溶性的特點決定其多作用于油水界面，與油相不能充分融合，導致催化效率較低。

（2）油溶性催化劑

油溶性催化劑主要為有機酸與Fe、Ni、Co、Va等過渡金屬離子形成的有機酸鹽。樊澤霞等[16?17]發(fā)現(xiàn)油溶性催化劑比同類水溶性催化劑的催化效率更高。成浪等[18]和馮旭陽等[19]研究了油溶性催化劑對原油的改質(zhì)降黏效果，其中馮旭陽等[19]使用0.4%（質(zhì)量）的磺化型有機酸鐵催化劑在220℃條件下反應24 h，降黏率可達96.3%，對比反應前后膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量降低約10.7%。油溶性催化劑比同類水溶性催化劑的催化活性高，同時油溶性催化劑可以更好地溶解在原油中，與油層亦具有良好的配伍性，極大提升了催化效率，成本相對較低。但溶解了油溶性催化劑的原油會增加后續(xù)原油處理和煉化的難度，同時這類催化劑很難通過水相注入到油藏中，通常需要加入助溶（分散）劑，對注入工藝要求較高。針對油溶性催化劑在注入中出現(xiàn)的問題，有學者在其催化劑分子結構或注入體系中做出了優(yōu)化。Tang 等[20?21]合成了一種高分子聚合物雙功能降黏催化劑，通過聚合物負載過渡金屬離子改善了催化劑溶解性，催化劑可以改質(zhì)降黏的同時還具備良好的物理降黏功能。聚合物催化劑梳型的分子結構可以有效分散膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中的芳香片層，減少其堆積和聚集。吳川等[22]合成了一種雙親型催化劑，通過核磁共振等多種手段綜合分析改質(zhì)前后原油樣品，發(fā)現(xiàn)雙親型催化劑同時具有促進裂解和抑制聚合反應的作用，從而實現(xiàn)稠油降黏效果。黃佳等[23]采用油溶性催化劑環(huán)烷酸鐵與水溶性催化劑硝酸鐵復配成為雙親催化改質(zhì)體系，雙親體系增加了改質(zhì)體系的溶解性，利用協(xié)同作用將油溶性催化劑的改質(zhì)降黏率由56.29%提高至97%。但催化劑雙親結構的穩(wěn)定性難以控制，會出現(xiàn)親油親水不平衡，雙親復配體系在油藏運移過程中容易發(fā)生組分分離，體系中油溶性和水溶性催化劑間的濃度變化會影響改質(zhì)效果。

（3）納米級催化劑

納米型催化劑是借助其特有的巨大比表面積特性，使其具備催化改質(zhì)作用的同時還具有強表面吸附性、雙親性、強滲透性等納米級顆粒的尺寸效應，其中納米鎳的催化改質(zhì)效果最為突出，是納米型催化劑主要研究方向之一[11]。李彥平等[24]利用液相還原法制備了雙功能型鎳、鈀及鎳鈀合金納米晶催化劑，經(jīng)過一系列正交實驗發(fā)現(xiàn)最佳改質(zhì)反應條件：反應溫度240℃、催化劑濃度0.2%（質(zhì)量）、供氫劑濃度5%（質(zhì)量）和反應時間24 h，降黏率最高可達91.3%。周明輝等[25]通過微乳液法制備并表征了納米過渡金屬催化劑，并在室內(nèi)開展了納米催化劑輔助的超稠油注空氣改質(zhì)吞吐實驗，氧化改質(zhì)降黏率最高達99.86%；還研究了表面活性劑對微米級催化劑改質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)額外添加表面活性劑可以將改質(zhì)溫度從300℃降至240℃，改質(zhì)速率提高47%，注空氣驅(qū)的產(chǎn)油量提升40%。納米型催化劑能夠充分與水相和油相接觸，反應效率高，非均相的納米顆粒在采出之后便于分離，可以實現(xiàn)催化劑的循環(huán)使用。納米金屬催化劑的制備廣泛采用基于液相的方法，具體有模板法、結晶法、還原法、微乳液法等多種方法[26?30]，其中適宜大規(guī)模生產(chǎn)的是微乳液法，一般采用油溶性金屬鹽在水中微乳化分散后加入還原劑形成納米級金屬單質(zhì)。納米級催化劑對制備條件和藥劑選擇要求苛刻，工業(yè)化應用過程中難以保證注入體系的均勻性和穩(wěn)定性，成本高，配注工藝要求高。

評價改質(zhì)催化劑性能的關鍵指標為反應溫度和降黏率，反應溫度越低、降黏率越高則地下改質(zhì)反應效率越高，采油效果越好。表1 根據(jù)催化劑類型、改質(zhì)反應溫度和降黏效果整理了目前國內(nèi)外相關學者的研究成果，可供同行業(yè)根據(jù)實際需求進行選擇和參考。雖然各實驗條件和催化劑種類不同，無法直接比較，但為了更好地展示各類催化劑的改質(zhì)效果，將實驗原油黏度大于2000 mPa·s 的室內(nèi)研究成果繪制成圖2，其中藍色虛線示意水溶性催化劑的平均降黏率，而綠色虛線示意油溶/納米型催化劑的主流改質(zhì)效果隨溫度變化趨勢，可見實驗溫度在240℃以上時，油溶性和納米級催化劑降黏率平均可達96%以上。其中馮旭陽等[19]、吳川等[22]和周明輝等[25]的室內(nèi)實驗可以在240℃以下實現(xiàn)96%以上的降黏率，改質(zhì)效果相對較好。

1.3 開采效果的影響因素

地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應規(guī)模和稠油改質(zhì)降黏效果，因為二者決定了稠油的發(fā)生改質(zhì)降黏的總量和平均黏度。參與改質(zhì)降黏的原油越多、平均原油黏度越低，地下改質(zhì)技術的開采效果越明顯。

1.3.1 地下改質(zhì)反應規(guī)模影響因素 地下改質(zhì)反應的規(guī)模是指油藏中發(fā)生參與催化和降黏反應的稠油總量，是衡量稠油地下改質(zhì)開采技術成功的關鍵指標。在相同油藏條件下，油層中改質(zhì)反應規(guī)模越大，也就是參與改質(zhì)降黏原油總量越多，增產(chǎn)效果越明顯。地下改質(zhì)反應規(guī)模主要受改質(zhì)催化劑與原油接觸效率和改質(zhì)催化反應溫度腔大小決定。

表1 國內(nèi)外稠油地下改質(zhì)催化相關研究室內(nèi)實驗效果Table 1 Laboratory experiment results of underground catalytic modification at home and abroad

圖2 國內(nèi)外地下改質(zhì)催化相關研究室內(nèi)實驗溫度和降黏率統(tǒng)計Fig.2 Statistics of laboratory temperature and viscosity reduction of underground catalytic modification

（1）改質(zhì)催化體系與原油接觸 效率注入的改質(zhì)體系與地層深部的原油充分接觸才能發(fā)揮其催化改質(zhì)作用，這是發(fā)生地下改質(zhì)催化反應的基礎條件，化學劑注入量和油層非均質(zhì)性決定了改質(zhì)催化體系的波及范圍。目前的礦場試驗多采用吞吐的注入和生產(chǎn)方式[11]，僅能保證油水界面和化學劑波及區(qū)內(nèi)的原油與催化改質(zhì)劑充分接觸，注入化學劑如何能深入油藏內(nèi)部充分分散在未波及區(qū)內(nèi)的富集原油中是地下改質(zhì)技術以及傳統(tǒng)化學驅(qū)技術共同面臨的難題。油溶性和納米級催化劑在油相中的溶解、擴散作用和先進的配注工藝有利于提高改質(zhì)催化劑與原油的接觸效率。

（2）地下改質(zhì)催化反應溫度腔 稠油改質(zhì)催化反應需要較高的基礎溫度，油藏加熱后以基礎溫度為界，大于和等于這個溫度的油層范圍可以定義為地下改質(zhì)催化反應溫度腔，此腔的大小決定了油層中發(fā)生改質(zhì)催化反應的范圍。地下改質(zhì)反應溫度腔的大小取決于催化改質(zhì)劑的反應溫度門檻和油藏加熱方式。相同的油藏加熱條件下，改質(zhì)催化反應溫度門檻越低，地下改質(zhì)催化反應溫度腔范圍相對越大，同時提升油藏溫度的難度越低，消耗能量越少。油藏的加熱熱源主要為蒸汽、電磁和微波等，其中蒸汽的加熱能力最強，最高溫度可達270℃，電磁加熱約為150℃。直井加熱與水平井加熱相比，后者的超長水平段建立的加熱溫度范圍更大。因此，可以通過降低改質(zhì)催化劑反應溫度門檻和水平井加熱的方法擴大地下改質(zhì)催化反應溫度腔。

1.3.2 改質(zhì)降黏效果影響因素 Clark 等學者[6,38?53]研究了改質(zhì)反應條件對降黏效果的影響，在不同類型催化劑和不同實驗條件下，統(tǒng)一認為供氫劑、反應時間和溫度均對降黏率有很大影響，影響規(guī)律研究結果也比較一致，具體的影響規(guī)律見理論示意圖3。

（1）供氫劑 催化裂解反應中，供氫劑的加入可顯著提高改質(zhì)反應降黏率[40?42]，也可保障反應后實現(xiàn)不可逆降黏。水熱裂解反應中水被認為是供氫劑，因此反應過程中的油水比會影響降黏效果。于波[38]認為水質(zhì)量分數(shù)在40%以內(nèi)，含水量的增加會加劇水熱裂解反應。更為高效的四氫化萘、甲烷、甲酸、甲酸甲酯、二氫蒽、醇類和環(huán)烷基直餾柴油等陸續(xù)被應用為改質(zhì)反應的供氫劑，一般供氫劑的使用濃度為2%～7%（質(zhì)量）。劉永建等[42]以有機鎳為催化劑，以甲酸為供氫劑，280℃條件下反應24 h，甲酸的加入濃度0、3%和7%對應的降黏率分別為64.7%、71.7%和87.0%，可見供氫劑的加入對催化改質(zhì)效果影響。雖然供氫劑種類繁多，但考慮成本、施工難度等因素，水仍是應用最廣泛的供氫劑。

（2）反應時間 在某一反應時間內(nèi)，改質(zhì)反應程度會隨著時間的增加而逐漸加劇，將這一時間定義為充分反應時間，它與催化劑濃度、改質(zhì)溫度和催化劑種類關系緊密。充分反應時間內(nèi)，反應時間越長降黏率越高。趙法軍[43]實驗證明240℃稠油和水的熱裂解充分反應時間在24 h 以內(nèi)，最佳反應時間為18～36 h。唐曉東等[31]在365℃條件下，使用0.12%（質(zhì)量）的石油酸鐵作為催化劑，充分反應時間為40 min。李彥平等[24]在240℃條件下，使用0.2%（質(zhì)量）NiO納米晶催化劑，充分反應時間約為16 h。

（3）反應溫度 催化劑充分發(fā)揮作用需要一個反應門檻溫度，它與催化劑本身密切相關，反應溫度必須大于這一溫度才能產(chǎn)生大幅度降黏效果。同樣存在一個充分反應溫度，實驗溫度在反應門檻溫度和充分反應溫度之間，反應溫度越高越有利于稠油改質(zhì)降黏；實驗溫度大于充分反應溫度，則原油黏度下降不明顯。表1中詳細列出了不同類型催化劑的稠油催化改質(zhì)實驗溫度，最常用的室內(nèi)實驗溫度為240℃。但考慮到現(xiàn)有技術對油藏的加熱能力和地質(zhì)條件，蒸汽加熱結束油層中200℃以上溫度范圍很難維持2 d 以上的時間，因此，中低溫（低于200℃）條件下的改質(zhì)降黏率應該成為催化改質(zhì)劑篩選的重要條件。

圖3 改質(zhì)降黏效果影響因素示意圖[18,35,41,43]Fig.3 Schematic diagram of influence factors of the heavy oil upgrading and viscosity reduction[18,35,41,43]

綜上，稠油地下改質(zhì)技術經(jīng)過30 余年的發(fā)展，在技術機理和改質(zhì)催化劑性能方面取得了較好的進展，其中油溶性和納米級催化劑室內(nèi)實驗降黏率平均可達到96%以上，供氫劑加入和反應時間、溫度等反應條件的優(yōu)選可以進一步保障改質(zhì)降黏效果。地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應規(guī)模和稠油降黏效果，因此，地下改質(zhì)催化反應溫度腔的大小和催化改質(zhì)降黏率將是評價技術應用效果的關鍵指標。

2 地下改質(zhì)技術應用及效果

國內(nèi)外學者開展了不同類型催化劑和不同反應條件下的大量室內(nèi)實驗研究，理論上驗證了此技術的可行性，但在復雜的地質(zhì)和工藝條件的限制下技術的應用仍困難重重。20 世紀末稠油地下改質(zhì)開采技術逐漸形成應用專利和開展礦場試驗，取得了由理論研究邁入實際應用的關鍵突破。目前，Conoco Phillips、Chevron 等國外公司申請了稠油地下催化改質(zhì)相關應用專利，具體內(nèi)容見表2，主要實施方式為蒸汽驅(qū)和輔助SAGD，屬于溶劑輔助的地下催化改質(zhì)，但未見相關現(xiàn)場試驗應用報道。稠油改質(zhì)降黏技術的礦場試驗開展相對較少，為了便于實現(xiàn)油藏加溫，試驗區(qū)均是選擇實施過蒸汽熱采后的油藏直接進行技術轉(zhuǎn)換。產(chǎn)出原油的降黏效果已經(jīng)驗證了技術在油藏中應用的可行性，但受成本和工藝條件限制尚無法進一步擴大應用。下面將從油藏加熱方式、試驗井生產(chǎn)方式和試驗效果三方面綜合對比新疆、遼河、勝利和加拿大Suncor Dover區(qū)塊開展的四個礦場試驗。

（1）油藏加熱方式：受技術和工藝條件限制，目前稠油地下改質(zhì)開采以蒸汽加熱的方式為主。遼河油田和勝利油田采用蒸汽吞吐的方式；加拿大Suncor Dover 區(qū)塊采用電磁波生熱的方式[58]。綜合來講，蒸汽加熱方式對于開展過蒸汽熱采的油藏實施起來難度更低，更有利于油藏溫度控制；電磁波等物理加熱方式受工藝限制平均加熱溫度僅為100～150℃，雖然加熱范圍相對較低但生產(chǎn)成本更低，熱能利用率更高，更環(huán)保。

（2）生產(chǎn)方式：國內(nèi)的新疆、遼河和勝利油田的礦場試驗均采用了單井吞吐的方式，選擇的生產(chǎn)井在試驗前也都進行了多個輪次的蒸汽吞吐，地面改造和技術轉(zhuǎn)換較容易。加拿大Suncor Dover 區(qū)塊則是采用了雙水平井的生產(chǎn)模式，上部水平井進行電磁加熱和改質(zhì)劑的注入，下部的水平井依靠改質(zhì)降黏后的原油重力泄油后開采[58]，是在SAGD（蒸汽輔助重力泄油）基礎上進行的技術轉(zhuǎn)換。

表2 國外地下催化改質(zhì)專利情況Table 2 Patent status of underground catalytic modification abroad

（3）試驗效果：在2005—2011 年間，遼河稠油地下催化水熱裂解現(xiàn)場試驗，在曙光油田和歡喜嶺油田先后進行了30多口井的現(xiàn)場試驗，典型實驗井產(chǎn)出稠油黏度下降達到80%，單井平均增油達到550 t，累計增油5933.9 t。2008～2017年，勝利油田進行了改質(zhì)降黏輔助蒸汽吞吐開采，原油原始黏度達到20050 mPa·s（50℃），措施后黏度降到3920 mPa·s（50℃），降黏率80.4%[11]，平均日產(chǎn)油由措施前的8.1 t 上升至平均13.7 t，截止到2019 年該井日產(chǎn)油10.0 t，取得了良好的降黏增油效果。

3 地下改質(zhì)技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

通過上述礦場試驗初步驗證了稠油地下改質(zhì)技術應用的可行性，取得了一定的降黏和增產(chǎn)效果，但距離工業(yè)化應用尚有很大差距。目前，制約稠油地下改質(zhì)技術工業(yè)化應用的關鍵在于開采成本高和催化改質(zhì)反應規(guī)模相對較低，二者直接決定采油技術應用的經(jīng)濟效益和增油效果。下面將從應用成本和地下催化改質(zhì)反應規(guī)模兩方面分析技術面臨的挑戰(zhàn)。

（1）地下改質(zhì)開采成本主要來自注入的化學劑和油藏加熱。①改質(zhì)劑注入體系通常包括催化劑、供氫劑和分散助劑，需要形成相對穩(wěn)定的分散注入體系才能保障稠油改質(zhì)效果，這額外地增加了注劑的配注工藝要求以及設備、人工成本。據(jù)筆者估算，目前地下改質(zhì)單井試驗成本約為單井蒸汽吞吐的2～3 倍，目前低油價條件下短期內(nèi)很難進行工業(yè)化應用。②現(xiàn)有的礦場試驗仍大多采用蒸汽加熱油藏的方式提供反應所需的基礎溫度，無法擺脫傳統(tǒng)蒸汽熱采方式的低效和高能耗的缺點。在地下改質(zhì)反應基礎溫度的要求下和復雜的地質(zhì)條件下，在油層深部實現(xiàn)改質(zhì)反應基礎范圍最大化是一個非常大的難題，現(xiàn)有的設備工藝很難實現(xiàn)，需要多學科交叉和多技術融合，形成一種適用于油藏改質(zhì)反應的油藏加熱方式。

（2）催化改質(zhì)反應規(guī)模取決于催化劑與原油的接觸效率和改質(zhì)反應溫度腔大小。①復雜的地質(zhì)條件和油藏較高的開發(fā)程度決定了直接注入的改質(zhì)體系通常會沿著高滲通道快速通過油層?，F(xiàn)場的施工注入過程中，如何擴大催化改質(zhì)劑的波及體積，使其高效接觸和分散在富集區(qū)原油中是地下改質(zhì)開采技術在現(xiàn)場應用遇到的瓶頸問題。改善催化劑性能的同時還需研發(fā)穩(wěn)定的注入體系和針對性的注入方式，使得注劑能深入油藏內(nèi)部與原油充分融合。②以降黏率大于90%定義為高效改質(zhì)降黏的界限，目前高效改質(zhì)降黏的反應溫度下限約為260℃，但現(xiàn)有的油藏加熱技術很難在油層中長期維持200℃以上的高溫環(huán)境，因此很大程度上限制了催化改質(zhì)劑在油藏中的作用范圍。

4 地下改質(zhì)技術發(fā)展方向

稠油地下改質(zhì)開采技術應用雖然面臨著很大的挑戰(zhàn)，但必須積極尋求解決之道，實現(xiàn)工業(yè)化應用才能使其成為稠油開采的下一代接替技術，有效緩解目前稠油油藏開發(fā)的“高能耗、高汽油比”的生產(chǎn)壓力。本文嘗試從降低開采成本和提高油藏反應規(guī)模兩個角度，提出技術發(fā)展方向及研究思路建議。

（1）降低開采成本。①在于加大催化劑的研發(fā)力度，首先是研發(fā)高活性、低用量的催化改質(zhì)體系。然后通過稠油油藏逐漸增大的技術轉(zhuǎn)型需求推動相關化學劑的工業(yè)化生產(chǎn)。改善注入性的磺酸鹽類油溶性催化體系、可回收循環(huán)使用的納米過渡金屬氧化物催化劑均是催化劑的研發(fā)方向。②在于轉(zhuǎn)換油藏加熱方式，因為傳統(tǒng)的蒸汽加熱方式熱能利用率低，不可避免地產(chǎn)生后續(xù)水處理的成本。從20世紀50年代開始，國內(nèi)外有很多學者致力于實現(xiàn)低成本的物理方法加熱油藏，宋建平等[59?61]提出的電脈沖采油技術，孫仁遠等[62?63]開展的超聲波加熱采油技術，王穎等[64?70]開展的微波降黏技術，丁雨溪等[71?74]開展的電磁加熱技術，均可和地下改質(zhì)降黏技術相結合，提供稠油改質(zhì)反應所需要的基礎溫度。通過物理方法加熱油藏可以真正實現(xiàn)高效、綠色開采。

（2）提高催化改質(zhì)體系應用效率。①提高改質(zhì)體系與原油的接觸效率。通過改善注入方式和工藝，解決油層非均質(zhì)性和采出程度較高部位造成的注入劑無效循環(huán)或無效堆積?？梢越梃b針對水驅(qū)開發(fā)后期實施的深度調(diào)剖和加密井的方式，讓注入劑避開滲流優(yōu)勢通道，波及原油富集區(qū)域。②擴大地下催化改質(zhì)反應規(guī)模，其一可以選擇合適的生產(chǎn)方式，利用水平井的長水平段在油藏中制造一個較大范圍的地下改質(zhì)反應溫度腔，是改質(zhì)反應規(guī)模最大化的生產(chǎn)方式，是技術未來的應用方向。另外可以降低催化改質(zhì)反應溫度門檻（200℃以下），因為相同加熱條件下，反應溫度越低，地下改質(zhì)反應溫度腔相對越大，增油效果越明顯，改質(zhì)成功率也更高。

稠油地下改質(zhì)技術目前正處于發(fā)展初期，最有潛力成為下一代主體開采技術。需求和創(chuàng)新驅(qū)動技術發(fā)展，相信在稠油油藏開發(fā)形勢的緊迫壓力下，在國內(nèi)外學者的共同努力下，此項技術有望在不遠的未來取得革命性突破。

5 結 論

（1）稠油地下改質(zhì)開采技術核心在于改質(zhì)催化反應，其關鍵在于改質(zhì)催化劑的選擇，目前催化劑類型主要分為水溶性催化劑、油溶性催化劑、雙親型催化劑和納米級催化劑。其中水溶性催化劑便于混合注入、成本相對較低，但催化效果相對較差，平均降黏率僅為74.7%；油溶性催化劑催化效率相對較高，降黏率可達90%以上，但對注入工藝要求較高，同時會增加油品后續(xù)處理成本；雙親型催化劑在油相和水相中均具有很好的溶解性，但分子結構的穩(wěn)定性差；納米型催化劑反應效率高，降黏率可達90%以上，但成本相對較高。

（2）地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應規(guī)模和稠油降黏效果，地下改質(zhì)反應規(guī)模主要受改質(zhì)催化劑與原油接觸效率和改質(zhì)催化反應溫度腔大小決定；稠油降黏效果除改質(zhì)催化劑以外，供氫劑、反應時間和溫度均對降黏率有很大影響。

（3）稠油改質(zhì)降黏技術的礦場試驗在新疆油田、遼河油田、勝利油田和加拿大油砂Suncor Dover區(qū)塊開展。試驗結果初步驗證了稠油地下改質(zhì)開采技術在油藏中應用的可行性，但尚不具備擴大應用的能力。國內(nèi)礦場試驗多采用蒸汽加熱油藏，通過單井吞吐的方式進行生產(chǎn)；Suncor Dover采用電磁波生熱加熱油藏，通過雙水平井的方式進行生產(chǎn)。

（4）目前，降低應用成本和提高催化改質(zhì)反應規(guī)模是實現(xiàn)稠油地下改質(zhì)技術工業(yè)化應用必須面對的重大挑戰(zhàn)。降低開采成本的關鍵在于控制催化改質(zhì)劑價格，研發(fā)廉價改質(zhì)催化劑和催化劑分離重復使用是主要的解決途徑，另外，通過使用相對綠色、高效的物理加熱油藏方式可進一步降低應用成本。大幅度提高地下改質(zhì)反應效率，必須實現(xiàn)地下改質(zhì)反應規(guī)模最大化，可以通過建立相應的注采方式增加注入體系與原油的接觸效率、擴大地下改質(zhì)反應溫度腔和降低催化改質(zhì)劑的反應溫度門檻來實現(xiàn)。