高效水溶性稠油降黏劑的優(yōu)選及性能評價*

王 凱，周文勝，王泰超，劉 晨，耿艷宏，潘 岳，魏子揚，黎 慧

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083，2.中海油研究總院，北京 100028；3.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京，100028；4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；5.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

地球上的稠油資源非常豐富，據(jù)相關統(tǒng)計，世界上天然瀝青、超稠油、稠油的地質(zhì)儲量約為1×1012t［1-2］，超過了常規(guī)原油。我國稠油資源很豐富，已探明石油儲量的15%數(shù)20%為稠油，探明和控制儲量大約是1600 Mt，居世界第四位［3-5］。稠油的顯著特點是黏度高，因此對稠油的開采綜合技術要求高，難度大、成本高。目前，稠油大規(guī)模開采的前提是降黏，傳統(tǒng)的降黏方法（稀釋法、加熱法）均存在著不同程度的缺陷，新興的降黏方法（電磁波降黏法、微生物降黏法等）的技術尚不成熟?；瘜W降黏技術是國內(nèi)外研究的熱點，目前主要是利用油溶性降黏劑降黏，該技術在河南油田、勝利油田等油田均有應用［6-7］。雖然油溶性降黏劑降黏技術在簡化工藝、提高效率、節(jié)能環(huán)保等方面具有獨特優(yōu)勢，但該技術還存在一些問題：油溶性降黏劑的選擇性強，適用范圍窄，且油溶性降黏劑降黏能力有限。為了解決油溶性降黏劑技術存在的問題，本文報道一種高效水溶性稠油乳化降黏劑，相比于油溶性降黏劑，該降黏劑降黏效果穩(wěn)定，降黏幅度大（降黏率高于95%），在一定程度上克服了油溶性降黏選擇性強、降黏能力有限的缺陷；此外，該降黏劑可直接加入，后處理簡單，被認為是較經(jīng)濟的降黏方法，適用于稠油油田的開發(fā)利用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

水溶性降黏劑AR-815（S-1，陰離子型）、POI/PL-1（S-2，陰離子/非離子型）、DHF（S-3，陰離子型）、AE-169（S-4，非離子型）、RO-1（S-5，非離子型），上海助劑廠；十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、AOS（α-烯烴磺酸鹽）、甜菜堿（均為工業(yè)品），上海助劑廠；Na2CO3、MgCl2、NaCl、CaCl2、Na2SO4、KCl，均為分析純，國藥集團；實驗用油為遼河稠油，室溫下為不流動的黑色軟固體，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量分別為36.6%和5.4%，80℃下脫氣脫水原油的黏度為5870 mPa·s；實驗用水為遼河油田現(xiàn)場注入水，礦化度4100 mg/L，pH值7.84。

DV2T型旋轉(zhuǎn)黏度計（美國Brookfield公司），玻璃微觀刻蝕模型，JXF-12 均相反應器（煙臺市招遠松嶺儀器設備有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 降黏率測定

將脫氣脫水原油在80℃下恒溫至易于流動，量取一定量的原油，按油水體積比7∶3 加入不同質(zhì)量分數(shù)的水溶性降黏劑水溶液，在80℃下攪拌6 min，采用Brookfield 旋轉(zhuǎn)黏度計在0.6 r/min 轉(zhuǎn)速下測定混合體系的黏度，稠油的降黏率R按式（1）計算：

其中，μi—原始油的黏度，mPa·s；μr—降黏后原油的黏度，mPa·s。

1.2.2 水溶性降黏劑耐溫性評價

將配好的水溶性降黏劑水溶液置于JXF-12 均相反應器的高壓容器中，恒溫（150℃、180℃、200℃）下攪拌3 d；取出后冷卻，在80℃下將水溶性降黏劑溶液與原油按油水體積比7∶3充分混合后恒溫攪拌6 min，測定混合體系的黏度，計算稠油的降黏率。

1.2.3 水溶性降黏劑耐鹽性評價

按照遼河油田地層水離子組成在相同離子濃度比下配制不同礦化度的礦化水（1000、4316、7000、10000、15000 mg/L）；在80℃下將稠油和用不同礦化水配制的水溶性降黏劑溶液按照體積比7∶3混合，測定混合體系的黏度，計算稠油的降黏率。

1.2.4 微觀驅(qū)油實驗

采用優(yōu)選的水溶性降黏劑及表面活性劑復配體系，在80℃下進行混合液的微觀驅(qū)油實驗，觀察并記錄剩余油分布情況。實驗所用玻璃刻蝕模型的長、寬、厚為5 cm×5 cm×0.5 cm，注入端模擬注入井，產(chǎn)出端模擬生產(chǎn)井。具體實驗步驟如下：將模型飽和水；飽和油；水驅(qū)至含水98%；注0.3 PV的復合降黏體系；再后續(xù)水驅(qū)至含水98%。

2 結(jié)果與討論

2.1 降黏劑濃度對降黏效果的影響

圖1 濃度對5種水溶性降黏劑降黏效果的影響

不同濃度水溶性降黏劑溶液與稠油按體積比7∶3混合后形成的乳狀液的黏度和稠油降黏率如圖1所示。降黏劑的最佳加量和對應的降黏率列于表1。對于S-1 水溶性降黏劑，隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，乳狀液的黏度先降低后增高，質(zhì)量分數(shù)為0.5%時所形成的乳狀液的黏度最低，降黏率最高，為99.35%。S-1水溶性表面活性劑質(zhì)量分數(shù)較高時在油滴表面發(fā)生了雙層吸附，另外，S-1的相對分子質(zhì)量較大，也是其發(fā)生降黏率反轉(zhuǎn)的另一個原因［8-9］。對于水溶性降黏劑S-2數(shù)S-5，隨降黏劑質(zhì)量分數(shù)的增大，所形成的乳狀液的黏度減小，當質(zhì)量分數(shù)達到某一值后，乳狀液的黏度基本不變，降黏率趨于穩(wěn)定。這是因為濃度增大時，降黏劑發(fā)揮了有效的乳化降黏作用，使混合體系從油包水乳狀液逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗腿闋钜?；當水溶性降黏劑濃度繼續(xù)增大，達到臨界膠束濃度后，水溶性表面活性劑在油滴表面的吸附達到飽和，繼續(xù)增加濃度對水包油乳狀液的黏度沒有影響。

表1 不同降黏劑最佳濃度及降黏率（油水比7∶3）

2.2 水溶性降黏劑的耐溫性

分別將質(zhì)量分數(shù)0.5%的S-1、0.25%的S-2、0.75%的S-3、0.5%的S-4 和0.3%的S-5 溶液在不同溫度（150℃、180℃、200℃）下放置3 d，然后按油水比7∶3 與稠油混合均勻，在80℃下考察降黏劑對稠油的降黏率，并與高溫處理前降黏劑對稠油的降黏率作比較，結(jié)果如圖2所示。由圖2可得，經(jīng)過3 d的高溫處理后后，水溶性降黏劑S-1、S-4、S-5 在200℃范圍內(nèi)均具有較好的耐溫性，而高溫處理破壞了S-2和S-3水溶性表面活性劑的部分分子結(jié)構(gòu)，使高溫處理后的降黏劑降黏效果明顯下降。

2.3 水溶性降黏劑的耐鹽性

按照遼河油田地層水資料配制模擬地層水，并按相同離子濃度比配制不同礦化度的水（1000、4316、7000、10000、15000 mg/L），然后分別配制質(zhì)量分數(shù)0.5%的S-1、0.25%的S-2、0.75%的S-3、0.5%的S-4和0.3%的S-5溶液，按油水體積比7∶3將降黏劑溶液與稠油均勻混合，80℃下不同降黏劑對稠油的降黏率隨礦化度的變化情況見圖3所示。由圖3可知，當?shù)貙铀牡V化度升高時陰離子型表面活性劑S-3降黏效果急劇下降，陰離子型表面活性劑S-1水溶性降黏劑在礦化度高于7000 mg/L后也出現(xiàn)明顯的下降趨勢，S-1、S-3 的耐鹽性較差。陰離子-非離子型S-2、非離子型S-4 和非離子型S-5 的降黏效果基本不受礦化度的影響，具有良好的耐鹽性能。

圖2 高溫處理對水溶性降黏劑降黏效果的影響

圖3 降黏劑對稠油的降黏率隨礦化度的變化

2.4 復配效果評價

綜合上述實驗結(jié)果，S-4與S-5的耐溫耐鹽效果較。分別將S-4 和S-5 與幾種不同類型的表面活性劑復配，復配體系對稠油的降黏率、復配體系在200℃高溫處理后對稠油的降黏率以及用礦化度15000 mg/L 的礦化水配制的復配體系對稠油的降黏率見表2。從表2可知，0.3%S-5+0.5%AOS 復配體系對稠油的降黏效果最好，降黏率可達到99.64%。該復配體系的耐溫性很好，200℃下恒溫3 d后對稠油的降黏率基本保持不變；此外該復配體系的耐鹽性也很好，在礦化度高于15000 mg/L 時，降黏率仍可達到99.35%。

表2 S-4、S-5與不同表面活性劑復配的降黏效果

2.5 微觀驅(qū)油實驗結(jié)果

選取效果顯著的0.3%S-5+0.5%AOS 體系進行微觀驅(qū)油實驗，結(jié)果如圖4所示。可以看出，一次水驅(qū)后采出一定量的原油，但是采收率有限，孔道具有很高的剩余油飽和度；經(jīng)過0.3%S-5+0.5%AOS復配體系驅(qū)替后，剩余油飽和度顯著減少，原油的采收率非常高，僅僅在孔道的邊緣和大孔道的中心有少許殘余油存在（如圖4-c所示）。由微觀驅(qū)替實驗可看出，復配驅(qū)替后的采收率較單獨水驅(qū)明顯提高。

圖4 微觀驅(qū)油實驗

3 高效水溶性降黏劑的降黏機理探討

稠油乳化降黏機理的研究主要集中在原油乳狀液理論和最佳密堆積理論。大量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子物質(zhì)存在于原油當中，當與水相遇時容易形成油包水型乳狀液，致使原油黏度大幅增加，一般用Richarson公式來表示乳狀液的黏度［10］：

式中，μ為乳狀液表觀黏度，mPa·s；μ0為外相液體黏度，mPa·s；ψ為內(nèi)相液體體積分數(shù)，%；k 為取決于ψ的常數(shù)，當ψ≤0.74 時 k 的值取 7，當ψ＞0.74 時 k 值為8。從式（2）可以看出，對于油包水型乳狀液，乳狀液表觀黏度與油的黏度正相關。由于油為外相，其黏度遠大于1，所以公式（2）為指數(shù)增函數(shù)。實驗表明，隨含水率的增加（一般大于15%），ψ增大，致使含水原油乳狀液的表觀黏度遠遠超過脫水原油的黏度，與最佳密度堆積理論相符；而對于水包油型乳狀液，由于乳狀液的黏度與水的黏度正相關，其黏度隨乳化原油量的增加而增加。而水在80℃下的黏度僅為0.36 mPa·s，遠遠小于原油的黏度，故公式（1）為指數(shù)減函數(shù)，含水越高，原油乳狀液黏度越小，因此，如果能設法將W/O 乳狀液轉(zhuǎn)換成O/W乳狀液，那么乳狀液的黏度將大幅度降低，利于原油開采，提高采收率。

最佳密度堆積原理［11-12］建立的基礎為立體幾何學。對于含水原油來說，含水率小于26%時形成穩(wěn)定的油包水型乳狀液；當含水率大于74%時形成穩(wěn)定的水包油型乳狀液；含水率在26%數(shù)74%之間，屬于乳狀液的非穩(wěn)定區(qū)域，W/O型和O/W型乳狀液都有可能形成。由于原油中存在天然的油包水型乳化劑，所以原油的一般存在形式是油包水型乳狀液，其黏度遠大于原油的黏度。乳化降黏原理即添加一種表面活性劑，或者充分利用稠油中所含有的能與堿反應生成的表面活性劑（其活性大于原油中天然乳化劑的活性）的有機酸，使W/O 型乳狀液轉(zhuǎn)變成O/W型乳狀液，從而達到降黏的目的。表面活性劑結(jié)構(gòu)中同時存在親水基和親油基，當在W/O型原油乳狀液中添加親水性較強的表面活性劑時，油水界面張力大大降低，使乳狀液容易被破壞、轉(zhuǎn)相，形成O/W或部分O/W型乳狀液，從而改善原油乳狀液的流變性［13］。

4 結(jié)論

陰離子/非離子型水溶性降黏劑POI/PL-1（S-2）、陰離子型水溶性降黏劑DHF（S-3）的稠油的降黏率受溫度影響較大，水溶性降黏劑AR-815（S-1）、S-3對稠油的降黏率受礦化度的影響較大，非離子型水溶性降黏劑AE-169（S-4）和非離子型水溶性降黏劑RO-1（S-5）具有良好的耐溫耐鹽性。

0.5%AOS+0.3%S-5 復配體系對稠油的降黏效果最好，降黏率可達99.64%。復配體系的耐溫耐鹽性好，200℃下恒溫放置3 d后的復配體系降黏效果沒有太大影響；礦化度高于15000 mg/L 時，復配體系對稠油的降黏率仍維持在99%以上。該復配體系可顯著提高原油采收率。