稠油降粘開采技術(shù)及研究進(jìn)展

皮之洋,金 蕾,李得軒,余夢琪

(長江大學(xué),湖北 武漢 430100)

稠油是指地層條件下，粘度大于50mPa·s或在油層溫度下脫氣原油粘度為1000～10000mPa·s的高粘度重質(zhì)原油。世界上的稠油資源極為豐富，儲(chǔ)量遠(yuǎn)超過常規(guī)原油。但稠油的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高，導(dǎo)致其粘度高，流動(dòng)性差。解決稠油開采和管輸問題的關(guān)鍵是降低稠油粘度，改善稠油流動(dòng)性、降低摩阻[1]。

目前，國內(nèi)外用于稠油降粘的技術(shù)較多，根據(jù)降粘原理、工藝的不同大致可劃分為物理降粘、化學(xué)降粘、 微生物降粘以及復(fù)合降粘技術(shù)。其中物理降粘技術(shù)又可以分為熱采法、摻稀油法、超聲波法等多種技術(shù)。化學(xué)乳化降粘技術(shù)以其具有方法簡單、經(jīng)濟(jì)、所需能量少等優(yōu)勢特點(diǎn)越來越受到歡迎[2]。微生物和復(fù)合降粘又為稠油開采提供新的思路。

1 稠油降粘方法研究

1.1 物理降粘

1.1.1 熱采法

稠油對溫度的敏感性比常規(guī)原油強(qiáng)，粘度隨溫度升高而急劇下降。熱采法是利用了原油的粘溫性質(zhì)向油層提供熱能，降低原油粘度的一種方法。一是溫度高于析蠟點(diǎn)時(shí)，蠟晶處于溶解狀態(tài)，利于原油在儲(chǔ)層中的流動(dòng)；二是由于溫度的升高破壞了膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的氫鍵和鍵間的相互作用。傳統(tǒng)的熱處理法有火燒油層法、電加熱法和注蒸汽及注熱水法。近幾年發(fā)現(xiàn)的方法有水平井交替蒸汽驅(qū)技術(shù)(HASD)、井底排水技術(shù)(DWS)、水平壓裂輔助蒸汽驅(qū)(FAST)和蒸汽與非凝析氣推進(jìn)(SAGP)技術(shù)[3]。

火燒油層是在油層中燃燒部分原油從而產(chǎn)生熱量，在多個(gè)井之間將空氣或氧氣在高壓條件下注入油層，并點(diǎn)燃部分原油，通過不斷加熱油藏巖石和流體，使原油蒸餾、裂解，并被驅(qū)向生產(chǎn)井的采油方式。

蒸汽驅(qū)是將向注氣井中注蒸汽的熱力開采方法。見效、費(fèi)用回收周期較長。

1.1.2 摻稀油法

利用相似相溶的原理，在原油中加入作為稀釋劑的稀原油(天然氣凝析油、原油餾分油、輕質(zhì)原油還有苯、柴油等)，稠油粘度會(huì)降低，流動(dòng)雷諾數(shù)增加。摻稀油后的稠油粘度規(guī)律符合下面的公式：

lglgμ油=xlglgμ稀+(1-x)lglgμ稠

式中：μ油、μ稀、μ稠分別為混合油、稀油、稠油在相同溫度時(shí)的粘度，單位為mPa·s；x為稀油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此可以通過控制稀油加入的量即可達(dá)到理想效果。

稀油能降低混合油密度，降低井筒靜壓損失，但混合后油質(zhì)也會(huì)有影響。摻稀油降粘有幾點(diǎn)影響因素:混合溫度應(yīng)高于混合油的凝固點(diǎn) 3～5℃,稀原油摻入前先脫水并且摻入的稀油與稠油的相對密度、粘度差異越大越好。摻入的量還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)可行性，因此不適用稀油含量少的區(qū)塊油藏。

1.1.3 超聲波法

西方一些發(fā)達(dá)國家在超聲波領(lǐng)域的研究已取得成果，國內(nèi)專家也將超聲波運(yùn)用到降粘實(shí)驗(yàn)的研究。超聲波在液體媒質(zhì)傳播過程中傳遞能量產(chǎn)生空化作用、乳化作用、機(jī)械振動(dòng)作用以及熱效應(yīng)起到降粘的作用，使原油組分改變。稠油經(jīng)過超聲波處理之后，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變化，稠油粘度降低，但缺點(diǎn)是降粘率不高、僅應(yīng)用于近井地帶[4]。

1.1.4 其他方法

超臨界CO2降黏原理與摻稀油類似。CO2容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，密度接近液體而粘度接近氣體——很低。

CO2溶解后能稀釋稠油，同時(shí)破壞膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，降低粘度，CO2驅(qū)實(shí)驗(yàn)研究已形成一定規(guī)模[5]。

磁處理降粘技術(shù)近年發(fā)展較快，磁場靠近抗磁性的稠油時(shí)，磁化作用誘導(dǎo)產(chǎn)生磁矩，抑制蠟晶形成，使膠質(zhì)瀝青質(zhì)近程有序排列，降低粘度。缺點(diǎn)是磁處理作用時(shí)間短暫，誘導(dǎo)磁矩隨時(shí)間延長而衰減，大約4小時(shí)后，稠油性質(zhì)恢復(fù)[6]。

1.2 化學(xué)降粘

1.2.1 改質(zhì)降粘

普通稠油分子間的作用力較大，改質(zhì)降粘就是通過催化裂化、熱加工等除碳加氫過程可以將重油分子打斷成小分子。這種方法降粘效果較好，但處理量小。分子篩催化劑具有活性高、抗毒性好、壽命長、成本低的特點(diǎn)，是值得關(guān)注的稠油裂化催化劑。改質(zhì)降粘技術(shù)在稠油開采技術(shù)中相對成熟，稠油經(jīng)改質(zhì)后獲得的副產(chǎn)品渣油可以用來加熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行蒸汽吞吐等。

1.2.2 納米性乳化降粘

納米材料的特殊性質(zhì)可以作為乳化降粘助劑，具有很強(qiáng)的乳化原油和改變油層巖石潤濕性的能力，稠油含有大量蠟質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子有機(jī)物及少量重金屬，而納米粒子的加入可以破壞蠟質(zhì)原有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；并且通過和降粘劑的復(fù)配可在膠質(zhì)，瀝青質(zhì)的表面形成溶劑化層，阻止了蠟晶之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和膠質(zhì)，瀝青質(zhì)的堆砌結(jié)構(gòu)的形成，調(diào)整稠油的析蠟點(diǎn)、蠟質(zhì)結(jié)晶速度，從而降低了原油粘度。在表面活性劑上加入一些改性納米材料進(jìn)行復(fù)配，水、油、表面活性劑和助表面活性劑一起形成具有熱穩(wěn)定性和各向同行的納米乳液。所以納米性乳化降粘劑在延長稠油油井生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)油量領(lǐng)域具有一定的發(fā)展前景。

張宏民[7]采用硅烷偶聯(lián)劑KH550和十八酸在溶劑乙醇中與納SiO2進(jìn)行兩步反應(yīng)，制備了納米KH550-C18/SiO2復(fù)合材料降粘劑。改性后的納米復(fù)合材料團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減輕，在有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出很好的分散穩(wěn)定性，由親水疏油變?yōu)槭杷H油，有機(jī)成分的接枝率達(dá)25.9%，具備了在稠油中應(yīng)用的前提。

1.2.3 自乳化降粘

自乳化降粘驅(qū)油是針對普通稠油的一種比較新的開采技術(shù)，其降粘、驅(qū)油機(jī)理是在一定溫度條件下，依靠地層滲流，在乳化過程中不需外界做功，只靠乳化劑本身作用，與地下油藏稠油發(fā)生自乳化作用，或者將油包水型乳狀液轉(zhuǎn)變成粒徑小于巖石孔道直徑(通常為1～50μm)O/W型乳狀液，大幅度降低稠油粘度，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，使分散的球狀液滴更容易被驅(qū)替出來，在孔隙中阻力減小。乳狀液增強(qiáng)稠油在地層中的流動(dòng)性，使原油可以在無毛管壓力的情況下被開采出，從而提高稠油采收率、采油速率及綜合經(jīng)濟(jì)效益。自乳化降粘驅(qū)油由于無需劇烈攪拌，因此易于施工。

康萬利等[8]對不同乳化降粘劑的乳化效果進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果表明,自發(fā)乳化降粘劑NS既具有親水基，又具有親油基，可以在油藏固相界面吸附，減少內(nèi)摩擦力，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的條件下，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為45℃,適合埋藏淺的稠油區(qū)塊，可將油水界面張力降至10-3mN/m數(shù)量級以下,并可完全自發(fā)乳化等體積的永平油田稠油，測得降粘率達(dá)99.74%。

1.3 微生物降粘

微生物降粘技術(shù)是指微生物代謝過程中會(huì)產(chǎn)生表面活性劑或有機(jī)酸，這些物質(zhì)可以降低稠油的粘度和凝固點(diǎn)，改善原油的性質(zhì)和溶解能力，有利于原油的流動(dòng)。微生物以碳?xì)浠衔餅槭硨⒋蠓肿咏到鉃橹卸替湡N，產(chǎn)生生物聚合物將固結(jié)的原油分散成滴狀；另一方面，微生物中產(chǎn)氣菌生成CO2、N2、H2等氣體，溶解后使原油膨脹降粘并降粘。該技術(shù)成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)施方便、后續(xù)處理環(huán)保可行，是一種非常重要的新興三次采油技術(shù)。但微生物驅(qū)存在局限性：只對普通油藏效果較好，而對膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量比較高的超稠油或者是特稠油油藏降粘開采效果并不理想，因?yàn)榻到庾饔脹]有充分發(fā)揮；微生物產(chǎn)生的表面活性劑和聚合物本身有沉淀的危險(xiǎn)性；菌種的篩選和培養(yǎng)條件不容易把握；微生物結(jié)構(gòu)在高溫、鹽度較大、高重金屬離子條件下易于遭到破壞。

1.4 復(fù)合降粘

稠油復(fù)合降粘技術(shù)就是綜合利用上述物理，化學(xué)，微生物等降粘技術(shù)，將兩種或兩種以上技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。其中，熱/化學(xué)降粘技術(shù)主要是利用蒸汽和表面活性劑，蒸汽提供的熱明顯的降低了稠油的粘度，在化學(xué)劑的作用下進(jìn)一步提高采收率同時(shí)有利于蒸汽的注入和擴(kuò)散；微生物/化學(xué)降粘技術(shù)則是由于微生物作用使油藏生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，注入化學(xué)劑共同作用使流體性質(zhì)明顯改善，有效地提高了原油采收率；降粘劑/降凝劑復(fù)配技術(shù)復(fù)配原因是降粘劑和降凝劑由于溫度的影響對降粘效果有很大不同，因此具有互補(bǔ)優(yōu)勢，普適性得到提高；油溶/乳化復(fù)合降粘技術(shù)主要是利用乳化劑將油溶性降粘劑包圍，形成類乳液，當(dāng)破乳后油溶性降粘劑與稠油作用，從而降低粘度。

2 稠油降粘劑及機(jī)理研究

2.1 水溶性降粘劑

作用機(jī)理：采用水溶性良好的表面活性劑溶于水配制成一定濃度的水溶液，添加到稠油中，借助溫度和壓力的變化產(chǎn)生的攪拌，如溶解氣從稠油中釋放出來時(shí)產(chǎn)生的渦流作用、泵的渦流作用、整個(gè)油井流體在油管內(nèi)的混合流動(dòng)作用[9]，達(dá)到乳化降粘效果。乳化降形成的液滴流動(dòng)到孔道窄口時(shí)遇阻變形，前后端液面曲率不相等，形成"賈敏效應(yīng)"，液滴對于高滲透地帶起到封堵作用，迫使后續(xù)水驅(qū)改向，在一定程度上改善油藏非均質(zhì)性；乳化降粘劑能降低油水界面張力，提高洗油效率。

常用的水溶性乳化降粘劑有陰陽離子型、非離子型，且各自適用的功能特點(diǎn)不同。離子型降粘劑具有發(fā)泡性低、易形成低粘度乳狀液等優(yōu)點(diǎn);非離子型降粘劑能抵抗高礦化度。通常它們之間的復(fù)配體系使用得更多、廣泛。李芳田等[10]經(jīng)過復(fù)配和篩選,制得陰離子/非離子表面活性劑復(fù)配體系。既可以提高非離子型的濁點(diǎn)(表面活性劑析出，溶液變渾濁時(shí)的溫度)和陰離子型的抗鹽性，又可減少原料，形成穩(wěn)定的 O/W 型乳狀液所需降粘劑的總量少。當(dāng)復(fù)配體系加量0.3%時(shí)，對東辛油田不同區(qū)塊稠油(含水量25%)的降粘率達(dá)95%以上，沉降脫水率達(dá)90%以上。

2.2 油溶性降粘劑

作用機(jī)理：油溶性乳化降粘劑能形成穩(wěn)定的O/W 乳狀液，破乳后起到降粘的作用， 而且分子中的氫鍵滲透、分散進(jìn)入膠質(zhì)和瀝青質(zhì)片狀分子體系。油溶性降粘劑是在降凝劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它在結(jié)構(gòu)上引入了極性較大或具有表面活性的側(cè)鏈，阻止小聚集體和蠟晶的產(chǎn)生。

王婉青等[11]總結(jié)了以下幾種類型的油溶性乳化降粘劑：縮合物型，這類化合物是最早的油溶性降粘劑，主要用于潤滑油降凝降粘。不飽和單體共聚物或均聚物型，主要是二元共聚類和三元共聚類。高分子表面活性劑型，這類化合物分子量大，既有聚合物的特點(diǎn)，又有一定的表面活性。

2.2.3 常用乳化降粘劑

據(jù)吳信朋[12]、劉忠運(yùn),李莉娜[13]等，乳化降粘劑朝著復(fù)配、耐溫性、聚合物型、易脫水型方向發(fā)展。

(1) 復(fù)配型乳化降粘劑是根據(jù)協(xié)同作用原理以復(fù)配型配方為多。非離子型和陰離子型降粘劑可以復(fù)配增強(qiáng)表面活性，納米材料可以作為助劑與降粘劑復(fù)配等。

(2) 耐溫型乳化降粘劑，對深井稠油的開采 (如塔河稠油,輪古稠油)、注蒸汽+乳化降粘劑開采工藝，要求降粘劑耐高溫不容易降解；對于直接乳化降粘開采的油區(qū)，因低溫而要求降粘劑具有耐低溫的特性。部分耐溫型乳化降粘劑耐高溫260～300℃，耐低溫15℃。

(3) 聚合物型乳化降粘劑，共/縮聚物是由表面活性劑和具有某些特點(diǎn)的基團(tuán)而合成的，是一些能發(fā)揮特定功能的新型乳化降粘劑，且效果明顯。

(4) 易脫水型乳化降粘劑發(fā)展勢頭很好。為易于脫水，一般乳化降粘劑需要達(dá)到以下幾個(gè)要求：①易于破乳，否則后續(xù)污水處理工藝流程復(fù)雜；②在一定時(shí)間后乳狀液會(huì)自動(dòng)沉降脫水，速度快；③熱敏性，在改變溫度后即可脫水。

3 稠油降粘性能評價(jià)方法

3.1 靜態(tài)降粘

稠油降粘評價(jià)方法主要在燒杯、試管中計(jì)算乳化降粘達(dá)到平衡時(shí)的粘度。計(jì)算公式如下：

f=μo-μ/μo

式中，f為降粘率;μo為稠油油樣粘度;μ為加入降粘劑后稠油乳液的粘度。該技術(shù)可以定性評價(jià)室內(nèi)容器條件下降粘劑的稠油降粘效果，但是完全脫離了油藏實(shí)際情況。實(shí)際油藏流體的多孔介質(zhì)環(huán)境與Q/SHCG65-2013《稠油降粘劑技術(shù)要求》的條件不同，所以靜態(tài)評價(jià)方法使用起來不夠準(zhǔn)確。化學(xué)驅(qū)普通稠油動(dòng)態(tài)降粘評價(jià)方法則解決了以上技術(shù)問題。

3.2 動(dòng)態(tài)降粘

在靜態(tài)降粘評價(jià)方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)降粘評價(jià)裝置,通過控制注入壓力，監(jiān)測流量變化，根據(jù)達(dá)西定律，測定油水乳狀液在多孔介質(zhì)中的粘度。

相關(guān)技術(shù)參數(shù)控制在壓力為0～0.3MPa，溫度范圍:室溫～90℃，轉(zhuǎn)速范圍：0～1000r/min，儲(chǔ)液容積：300mL，填砂管尺寸：直徑2.5cm，高5cm，易于實(shí)現(xiàn)。

此外，郭蘭磊等[14](專利E21B43/22)公開了一種化學(xué)驅(qū)普通稠油動(dòng)態(tài)降粘評價(jià)方法，該評價(jià)方法選用冪律流體模型，通過混合模擬油與降粘劑溶液(體積比)，確定非牛頓指數(shù)n和不同含水飽和度條件下水相的相滲透率，通過室內(nèi)滲流物理模擬試驗(yàn)確定降粘劑與普通稠油混合體系滲流速率v與壓差ΔP，計(jì)算多孔介質(zhì)中流體的稠度系數(shù)K和毛管等效半徑r，計(jì)算剪切速率和油水混合流體的表觀粘度η，確定普通稠油動(dòng)態(tài)降粘率。該化學(xué)驅(qū)普通稠油動(dòng)態(tài)降粘評價(jià)方法能夠彌補(bǔ)靜態(tài)降粘的不足。

4 結(jié)論

(1) 稠油降粘開采技術(shù)方式呈多樣化發(fā)展：物理降粘包括熱采法、摻稀油法、超聲波法等，化學(xué)降粘包括改質(zhì)降粘和乳化降粘等，微生物降粘也能起到一定作用，復(fù)合降粘則是綜合應(yīng)用多種原理。

(2) 水溶性乳化降粘劑能形成O/W乳狀液，另一方面油溶性乳化降粘劑分散膠質(zhì)、瀝青質(zhì)聚集體，都能降低稠油粘度。

(3) 稠油降粘評價(jià)方法尚不完善，在靜態(tài)降粘評價(jià)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的動(dòng)態(tài)降粘驅(qū)油評價(jià)在逐步發(fā)展中。