離子液體對(duì)稠油的改質(zhì)降黏研究進(jìn)展*

趙 睿，陳倫俊，吳永彬，羅池輝，孟祥兵

（1.新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 前言

世界石油資源總量豐富，但常規(guī)原油只占30%，而稠油（包括普通稠油、特稠油、超稠油或?yàn)r青，以下統(tǒng)稱“稠油”）占比達(dá)70%［1］。保守估計(jì)，60%以上的稠油需要采用就地方法開(kāi)采。注蒸汽開(kāi)發(fā)是稠油開(kāi)采的主要技術(shù)，被業(yè)界廣泛使用，但注蒸汽開(kāi)發(fā)屬于高能耗、能量密集型開(kāi)采方式，井筒、油藏及蓋底層的熱損失較大，影響開(kāi)發(fā)效果，且地面處理集輸復(fù)雜。在能源消費(fèi)總量居高不下，環(huán)境約束進(jìn)一步增強(qiáng)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，注蒸汽開(kāi)發(fā)面臨安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性等一系列問(wèn)題的挑戰(zhàn)。當(dāng)前綠色化學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為倡導(dǎo)發(fā)展的新領(lǐng)域，這為稠油開(kāi)發(fā)帶來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

水熱裂解是目前稠油井下就地改質(zhì)非常有效的新方法［2］，經(jīng)水熱裂解后，稠油的黏度降低、平均分子質(zhì)量減小，飽和烴、芳香烴含量增加，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量減少，能夠?qū)崿F(xiàn)稠油的不可逆改質(zhì)降黏。但油藏條件下稠油裂解對(duì)反應(yīng)條件要求苛刻，一般溫度需在200℃以上，給這種技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)困難，解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵之一是研制出高質(zhì)量的催化劑［3］。近年來(lái)，離子液體（ILs）作為一種新型的綠色表面活性劑在稠油催化改質(zhì)中的應(yīng)用得到了廣泛研究。離子液體是在100℃或低于100℃時(shí)為液體，且完全由離子組成的化合物，屬于有機(jī)鹽類，可通過(guò)其陽(yáng)離子、取代基和陰離子的變化而實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)性質(zhì)的變化。潛在的二元及三元離子液體至少有1×106種［4］。相對(duì)傳統(tǒng)溶劑的液相區(qū)（多在75℃數(shù)200℃），離子液體基本無(wú)蒸汽壓，從室溫直至400℃均為液相，具有非常廣泛的操作應(yīng)用區(qū)間［5］。由于離子液體不具有傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的高揮發(fā)性、毒性、易燃性特點(diǎn)，從適用性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性各方面來(lái)講均是比較理想的綠色溶劑。通過(guò)調(diào)研，本文系統(tǒng)總結(jié)了離子液體的發(fā)展歷程，主要物理化學(xué)性質(zhì)及其在作為稠油降黏劑、分散劑、表面活性劑以及原位改質(zhì)降黏驅(qū)替幾個(gè)方面的研究進(jìn)展，提出離子液體在稠油原位改質(zhì)降黏開(kāi)發(fā)中作為綠色溶劑的應(yīng)用研究存在問(wèn)題與發(fā)展建議，以期為稠油可持續(xù)綠色開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 離子液體的發(fā)展歷程

Jenkins對(duì)離子液體的概念、發(fā)展過(guò)程中的里程碑事件、性質(zhì)及應(yīng)用作了較為系統(tǒng)的闡述［6］。離子液體提出至今，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：

（1）20 世紀(jì)60 年代的概念提出及初步探索階段。1961 年在法拉第學(xué)會(huì)組織的學(xué)術(shù)會(huì)議上首次提出離子液體（ionic liquid）的概念，此后合成了離子油二氯銅酸三乙基銨［Et3NH］［CuCl2］，該物質(zhì)在25℃下穩(wěn)定存在，為室溫離子液體。該階段明確了離子液體的基本概念，并針對(duì)其作為潛在的有機(jī)反應(yīng)介質(zhì)的價(jià)值作了初步探索。

（2）20 世紀(jì)70 年代初至90 年代中期的實(shí)驗(yàn)發(fā)展階段。低溫熔鹽介質(zhì)中均相催化的第一個(gè)實(shí)例出現(xiàn)：開(kāi)展了室溫下熔融鹽介質(zhì)中弗里德?tīng)柟に囃榛磻?yīng)的研究，通過(guò)不同的［C4Py］［Cl］與AlCl3混合比例獲得了廣泛的熔融體系。隨后，開(kāi)展了大量合成工藝試驗(yàn)，并提出新的室溫離子液體——氯鋁酸鹽二烷基咪唑，引入離子液體-酶體系。該階段對(duì)合成工藝和離子液體類型作了大量探索。

（3）20 世紀(jì)90 年代中期至90 年代末期的商業(yè)化發(fā)展階段。1996 年起采用商業(yè)化合成工藝大規(guī)模應(yīng)用離子液體，達(dá)到1500噸/年，并開(kāi)始推廣離子液體和清潔技術(shù)的理念，提出“設(shè)計(jì)器（designer）”的概念作為離子液體的解決方案，并提出清潔技術(shù)途徑，激發(fā)了室溫離子液體的廣泛研究。1999年離子液體實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。

（4）2000 年至今的推廣應(yīng)用與深化發(fā)展階段。這階段關(guān)于離子液體的理論化學(xué)研究方面開(kāi)始加強(qiáng)，如離子液體的熱化學(xué)及相關(guān)材料研究，離子液體作為燃料在氧化劑中發(fā)生自燃反應(yīng)等。該階段離子液體的研究與工業(yè)化應(yīng)用聯(lián)系越來(lái)越緊密，由于符合發(fā)展綠色化學(xué)和清潔技術(shù)的新理念，其在有機(jī)催化、萃取分離、生物催化、電化學(xué)等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。

2 研究進(jìn)展與認(rèn)識(shí)

2.1 離子液體獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)［7］

理論上講，通過(guò)不同離子的組合可設(shè)計(jì)不同的離子液體，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前至少有2000 種以上的離子液體。梁濤［8］根據(jù)已有離子液體研究文獻(xiàn)，從不同角度出發(fā)，總結(jié)了離子液體分類。按照是否為AlCl3型，分為AlCl3型、非AlCl3型和其他特殊型3類；按照陽(yáng)離子種類分為烷基季銨離子［NRXH4-X］+類、烷基季磷離子［PRXH4-X］+類、烷基咪唑［R1R2R3Im］+類和烷基吡啶［RPy］+類4 類；按照陰離子種類分為金屬類（AlCl3-、CuCl2-等）和非金屬類（NO2-、PO4-等）；按照Lewis 酸性分為可調(diào)酸性（Al-Cl3型等）和中性（BF4-、PF6-等）2種；按照水溶性可分為親水型、憎水型和雙親型3類。離子液體的熔點(diǎn)、密度、黏度、表面張力是離子液體發(fā)揮稠油改質(zhì)降黏作用的幾個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)，熔點(diǎn)確保離子液體在實(shí)際應(yīng)用中的液相可操作空間，密度、黏度、表面張力則影響離子液體與其他溶劑及地層流體配伍性和作用機(jī)理。

（1）熔點(diǎn)。目前認(rèn)為1，3-二甲基-2-苯基咪唑溴離子液體的熔點(diǎn)最高（283℃），而［Me3CC（O）CHC（O）（CF2）2CF3］的熔點(diǎn)最低（-96℃）［9-10］。離子液體的熔點(diǎn)決定于其晶體強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性越低、陰陽(yáng)離子電荷分布越均勻、分子間作用力越弱，離子液體的熔點(diǎn)越低。離子液體的熔點(diǎn)通常受雜質(zhì)的影響較大，目前數(shù)據(jù)庫(kù)有熔點(diǎn)數(shù)據(jù)1400 多個(gè)。此外，離子液體的相對(duì)分子質(zhì)量增加以及電荷聚集都能增加熔點(diǎn)，增加烷基支鏈也可提高熔點(diǎn)，但離子液體的功能與熔點(diǎn)并無(wú)直接關(guān)系。

（2）密度。幾乎所有離子液體的密度都大于1 g/cm3，少部分的密度甚至接近或大于2 g/cm3。就離子液體的可設(shè)計(jì)性而言，密度相對(duì)容易調(diào)整，在合成過(guò)程中受溫度變化或雜質(zhì)（如水、鹵化物、溶劑等）的影響較小。研究認(rèn)為［11］，陰離子對(duì)密度影響較為明顯，增加陰離子碳鏈單元會(huì)降低離子液體的密度。

（3）黏度。室溫下離子液體的黏度范圍較大，與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑相比要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，一般在十到幾千甚至上萬(wàn)mPa·s。高黏度的離子液體和其他低黏度的離子液體混合，可以降低離子液體的黏度。離子液體的黏度也受溫度和雜質(zhì)的影響。溫度和雜質(zhì)含量的稍微變化均能引起離子液體黏度的明顯變化。本質(zhì)上，離子液體的黏度主要由范德華力、氫鍵和庫(kù)侖力相互作用的組合決定。

（4）表面張力。表面張力大小取決于液體的結(jié)構(gòu)和取向［12］。離子液體的表面張力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)目前主要局限于咪唑基類、烷基銨基質(zhì)子類和氨基離子液體。離子液體的表面張力一般在1.55數(shù)65.0 mN/m之間，絕大多數(shù)離子液體的表面張力小于水，離子液體的表面張力隨著烷基鏈長(zhǎng)的增加而降低。

2.2 離子液體對(duì)稠油的改質(zhì)降黏作用

稠油族組成按照分子極性分為飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，各類物質(zhì)中又包含O、N、S 和少量金屬雜原子［13］。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)是導(dǎo)致稠油高黏度的主要原因，稠油的改質(zhì)降黏本質(zhì)上需要打破此類大分子和分子重組，改變分子構(gòu)成、原子排列方式和破壞原子鍵作用等來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)稠油降黏方法一般采用注熱法和稀釋法，其中，注熱法存在熱效率低、能耗大、安全環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益差的問(wèn)題；而稀釋法存在溶劑揮發(fā)性、毒性、易燃性以及操作區(qū)間小、高成本的問(wèn)題。而離子液體可從功能化分子層面實(shí)現(xiàn)原油不可逆降黏。

范洪富等［3］合成并應(yīng)用過(guò)渡金屬鹽改性離子液體［bmim］Br·FeCl3對(duì)稠油進(jìn)行改質(zhì)降黏試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)離子液體濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油降黏率影響很大，且堿性的離子液體對(duì)稠油改質(zhì)效果較好。80℃條件下經(jīng)離子液體處理后稠油的降黏率可達(dá)61.7%，處理后稠油中的飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)含量增加，瀝青質(zhì)含量減少。此外，通過(guò)［Et3NH］［AlCl4］對(duì)稠油改質(zhì)降黏作用的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡金屬鹽改性離子液體對(duì)稠油的改質(zhì)具有催化作用［14］，稠油的相對(duì)分子量變化規(guī)律與［bmim］Br·FeCl3對(duì)稠油改質(zhì)降黏試驗(yàn)的結(jié)果一致。在離子液體作用下，稠油族組分發(fā)生明顯變化，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為飽和烴和芳香烴，同時(shí)生成少量瀝青質(zhì)，而瀝青質(zhì)又轉(zhuǎn)化為輕烴和膠質(zhì)。鄒長(zhǎng)軍等［15］進(jìn)行了離子液體改質(zhì)機(jī)理分析，認(rèn)為稠油的催化改質(zhì)主要是由于稠油結(jié)構(gòu)中C—S鍵的斷裂降低了重組分的相對(duì)分子質(zhì)量，這與Li 等［16］關(guān)于烴類分子鍵能的認(rèn)識(shí)一致。過(guò)渡金屬原子配位效應(yīng)引起的C—R（R=S，N，O）鍵斷裂是中間碳自由基吸附自由氫原子的主要途徑。在烴類分子所有化學(xué)鍵中，C—S 鍵具有最低的鍵離解能，意味著C—S 鍵最具催化活性。張秀珍等［1］合成了［bmim］Cl、［bmim］FeCl4和Et3NHCl-NiCl23 種離子液體，分析了其在不同用量、不同溫度和作用時(shí)間下對(duì)新疆哈淺22 號(hào)稠油的改質(zhì)降黏效果。發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬改性的［Bmim］FeCl4在一定量的條件下可使稠油有效降黏，降黏率34.12%以上，其改質(zhì)降黏后稠油組分變化趨勢(shì)與范洪富等［3，14］的研究結(jié)果大體相同。以上研究均證實(shí)了離子液體使稠油中重質(zhì)組分減少、輕質(zhì)組分增加而導(dǎo)致稠油發(fā)生不可逆降黏。這些研究主要從稠油分子構(gòu)成、輕重組分間的相互轉(zhuǎn)化和化學(xué)鍵變化方面揭示了離子液體改質(zhì)降黏機(jī)理。前已述及，瀝青質(zhì)是導(dǎo)致稠油黏度高的主要原因，而分子間的內(nèi)部摩擦力是影響稠油黏度的動(dòng)力因素，離子液體從物理構(gòu)成和分子運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了稠油改質(zhì)降黏。

樊澤霞等［17］合成了烷基咪唑型離子液體［Bmim］［AlCl4］，針對(duì)新疆塔里木油田的稠油研究了含硫量、含水量、過(guò)渡金屬鹽、溫度等對(duì)稠油改質(zhì)降黏作用的影響。發(fā)現(xiàn)一定的含硫量是稠油改質(zhì)降黏的必要條件，這和鄒長(zhǎng)軍等［15］、Li 等［16］關(guān)于C—S鍵斷裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，稠油含水量小于10%是有效降黏的基本條件。并揭示了作用機(jī)理：離子液體催化活性點(diǎn)主要在咪唑環(huán)的氫質(zhì)子上，當(dāng)離子液體遇水后，水分子和咪唑環(huán)上的氫質(zhì)子易形成氫鍵，其相互作用大于一般的氫鍵，從而會(huì)使離子液體失活。因此作者建議油藏中稠油含水量大于10%時(shí)應(yīng)使用油溶性離子液體，該結(jié)論為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合理設(shè)計(jì)離子液體種類提供了參考。此項(xiàng)研究從稠油含硫和含水對(duì)降黏的影響方面進(jìn)一步證實(shí)了稠油降黏的C—S 鍵斷裂和氫鍵形成機(jī)理，并初步討論了稠油含水量在大于一定值時(shí)的離子液體適用原則?？紤]到不同稠油因形成的地質(zhì)條件和后期改造作用存在差異，含硫量也不同，因此主導(dǎo)機(jī)理可能存在差異；此外，稠油含水也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)，這對(duì)離子液體的降黏應(yīng)用提出更多挑戰(zhàn)，這些都需要進(jìn)一步深入研究。

Hu 等［18］研究了烷基尾長(zhǎng)、陽(yáng)離子頭電荷密度和反離子電荷密度對(duì)離子液體性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)離子液體具有高負(fù)離子電荷密度和低陽(yáng)離子電荷密度是抑制瀝青質(zhì)沉淀的有效方法。Boukherissa等［19］研究發(fā)現(xiàn)，含硼酸頭基團(tuán)的離子液體可使原油的黏度降低80%左右（由16000 mPa·s 降至3000 mPa·s），并認(rèn)為其原因在于硼酸基團(tuán)的路易斯酸部分與瀝青質(zhì)分子的極性相互作用限制了瀝青質(zhì)聚集體的生長(zhǎng)。Chévez Miyauchi 等［20］研究了由長(zhǎng)支鏈烷基尾和硼酸頭組成的聚異丁烯丁二酰亞胺對(duì)墨西哥原油黏度的影響，結(jié)果顯示，與混合99.5%的原油和0.5%二甲苯相比，混合0.2%的該離子液體、0.3%的二甲苯和99.5 %的墨西哥原油的降黏率提高了11%。他們將此效果歸因于π-π鍵相互作用以及功能化分子與瀝青質(zhì)之間氫鍵的形成。離子液體可能是通過(guò)氫鍵的形成與瀝青質(zhì)結(jié)合，或通過(guò)產(chǎn)生阻止瀝青質(zhì)分子聚集的空間干擾，從而抑制瀝青質(zhì)的聚集，實(shí)現(xiàn)原油降黏。Subramanian等［21］嘗試通過(guò)功能化分子與瀝青質(zhì)相互作用，實(shí)現(xiàn)在分子層面改變?cè)托再|(zhì)的目的，采用墨西哥、加拿大、委內(nèi)瑞拉的稠油考察了離子液體的烷基鏈長(zhǎng)、抗衡離子電荷密度、頭基等對(duì)稠油降黏率的影響，發(fā)現(xiàn)離子液體的尾長(zhǎng)與原油降黏之間存在非單調(diào)關(guān)系，尾長(zhǎng)較大（C8數(shù)C12）、電荷密度較高、吡啶頭基團(tuán)的離子液體的降黏效果更好。稠油黏度的降低均歸因于離子液體和瀝青質(zhì)之間特殊的非共價(jià)相互作用。眾所周知，瀝青質(zhì)是原油的極性組分，是造成稠油高黏度的主要因素［22］。離子液體和瀝青質(zhì)分子間存在諸如芳香族和酸堿相互作用、電荷轉(zhuǎn)移作用，這些作用干擾了瀝青分子聚集，從而有效降低瀝青質(zhì)的粒徑，最終實(shí)現(xiàn)稠油降黏。這些研究進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了離子液體性質(zhì)對(duì)于稠油降黏的影響，并從功能化分子層面和分子鍵相互作用方面加深了離子液體在稠油降黏方面的機(jī)理認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)高效可靠的離子液體提供依據(jù)。

2.3 離子液體對(duì)稠油中瀝青質(zhì)的分散作用

瀝青質(zhì)具有低H/C 比、高芳香性、高極性的特點(diǎn)，分子間相互作用很大，極易發(fā)生聚集。關(guān)于瀝青質(zhì)分子間的相互作用，主要有兩種觀點(diǎn)，即π-π鍵作用主導(dǎo)和多種相互作用的累積效應(yīng)［23］。研究表明［24］，電荷轉(zhuǎn)移、氫鍵和偶極相互作用是瀝青質(zhì)沉積的主要分子間作用力。分散劑的作用機(jī)理主要是通過(guò)溶液中的微晶表面吸附形成表面分散劑層，其與瀝青質(zhì)分子間具有更穩(wěn)定的作用，由此破壞瀝青質(zhì)分子間的相互作用，進(jìn)而分散瀝青質(zhì)聚集和降低瀝青質(zhì)沉積。分散劑的效率一般取決于其結(jié)構(gòu)和極性。

離子液體是近年來(lái)新的瀝青質(zhì)分散劑研究方向和熱點(diǎn)。Boukherissa 等［25］研究了離子液體作為瀝青質(zhì)分散劑的效果，發(fā)現(xiàn)離子液體在非極性環(huán)境中具有良好的溶解度和電子給受體性質(zhì)。通過(guò)用含有硼酸或丙烯基的側(cè)鏈取代經(jīng)典的1-甲基-3-烷基咪唑溴得到1-丙基硼酸-3-烷基咪唑溴化物和1-丙烯基-3-烷基咪唑溴化物，離子液體對(duì)瀝青質(zhì)聚集的抑制作用明顯增強(qiáng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，離子液體的側(cè)烷基鏈的長(zhǎng)度至少需要8個(gè)碳原子才能實(shí)現(xiàn)瀝青質(zhì)配合物的空間穩(wěn)定化。Smith 等［26］研究認(rèn)為，瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)中堿性位和酸性位的平衡也是應(yīng)該考慮的基本性質(zhì)。離子液體必須易溶于原油，并通過(guò)調(diào)整側(cè)鏈中的陽(yáng)離子、陰離子和極性基團(tuán)來(lái)控制形成氫鍵或電荷轉(zhuǎn)移的能力。Zeeshan 等［27］通過(guò)建立模型對(duì)6種陽(yáng)離子和40種陰離子構(gòu)成的240種離子液體進(jìn)行了瀝青質(zhì)聚集抑制性能篩選和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)在室溫下含有雜原子的芳族陽(yáng)離子與含有空間位阻效應(yīng)的陰離子的離子液體效果較好。這些研究從離子液體的組成、結(jié)構(gòu)和極性方面對(duì)離子液體作為分散劑的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了有益探索。

表面活性劑作為一種分散劑，具有良好的降低界面張力和改變潤(rùn)濕性的能力，是化學(xué)驅(qū)提高采收率的有效注劑。Bera 等［28］從離子液體作為表面活性劑在提高采收率中應(yīng)用方面做了系統(tǒng)闡述，其技術(shù)方面的主要優(yōu)點(diǎn)概括如下：1）具有較好的熱化學(xué)穩(wěn)定性；2）具有廣泛的溶解度和混溶性；3）具有非腐蝕性和可回收性；4）是可調(diào)節(jié)分子，對(duì)于提高采收率而言，可以根據(jù)實(shí)際條件靈活設(shè)計(jì)；5）能夠自發(fā)形成穩(wěn)定膠束而不需要額外的助表面活性劑。此外，基于離子液體的微乳液也具有比較獨(dú)特的性質(zhì)。隨著含鹽量的增加，微乳液的分散狀態(tài)逐步變化，從油/水型乳化液過(guò)渡到單獨(dú)分散，最后變?yōu)樗?油型乳液。

Sui 等［29］利用動(dòng)態(tài)接觸角、原子力顯微鏡和頻振動(dòng)光譜研究了離子液體水溶液和純離子液體中瀝青質(zhì)和石英之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)離子液體［Emim］［BF4］的水溶液提高了瀝青質(zhì)從石英表面退析的平衡程度，而在純離子液體中幾乎看不到變化。實(shí)驗(yàn)還揭示了親水型離子液體在不同情形下對(duì)瀝青質(zhì)從石英礦物表面分離所起的作用。加入親水型離子液體的溶液可以通過(guò)降低石英與瀝青質(zhì)之間的黏結(jié)力而促使瀝青質(zhì)脫離，在水性溶液中離子液體中的陽(yáng)離子（［Emim］+）吸附在石英和瀝青質(zhì)表面并聚集，形成一個(gè)帶正電的類亥姆霍茲層，進(jìn)而增加了瀝青質(zhì)和石英之間的斥力。這項(xiàng)研究從微觀層面探索了離子液體在不同存在狀態(tài)下對(duì)于瀝青質(zhì)分子與石英之間相互作用的影響，并從水溶性角度認(rèn)識(shí)了離子液體脫瀝青機(jī)理。

Yahya 等［30］研究了室溫條件下不同碳鏈長(zhǎng)度（n=0、2、4、6、8、10、12）及不同濃度（1000數(shù)8000 mg/L）的咪唑類離子液體油砂分離效率及碳鏈長(zhǎng)度對(duì)稠油與砂粒間相互作用的影響，結(jié)果顯示1-十二烷基-3-甲基咪唑氯化物［DODmim］［Cl］濃度在4000 mg/L以上時(shí)（已達(dá)到臨界膠束濃度）具有最高的油砂剝離率，約80%；而不含碳鏈長(zhǎng)度n=0的1-甲基咪唑氯化物［Mmim］［Cl］的油砂分離率最低，僅為5.7%。結(jié)果表明，碳鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)的離子液體，其凈zeta電位電荷越大，表面張力越小，油砂剝離效率越高。碳鏈長(zhǎng)度越長(zhǎng)的離子液體的臨界膠束濃度小，可進(jìn)一步降低界面張力，從而實(shí)現(xiàn)更高的稠油采收率。這項(xiàng)研究從離子液體的結(jié)構(gòu)和電位變化方面探索了離子液體在降低表面張力方面的作用和機(jī)理。

以上研究揭示，離子液體作為瀝青質(zhì)分散劑具有較大的應(yīng)用潛力，但由于種類眾多，其組成、結(jié)構(gòu)、性能和作用機(jī)理仍需系統(tǒng)深入的研究，以形成最優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則。

2.4 離子液體提高稠油采收率

在離子液體提高采收率驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方面，Mohsenzadeh等［31］研究了與離子液體類似的深共晶溶劑（DES）的采油性能，發(fā)現(xiàn)提高采收率性能對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳濃度，DES 可以有效提高采收率。Bin-Dahbag 等［32］利用離子液體進(jìn)行了巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在初始含油飽和度下，最終采收率提高了60%數(shù)70%。此外Pereira 等［33］還進(jìn)行了離子溶液與普通鹽溶液驅(qū)替的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)注入2%的離子液體溶液可比單獨(dú)注入鹽水溶液提高兩倍的采收率。這些研究均體現(xiàn)出離子液體在提高采收率方面的應(yīng)用潛力。然而在實(shí)驗(yàn)條件方面考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用較少。

Abdelfatah 等［34］做了更貼近現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，將非揮發(fā)性的離子溶液和水驅(qū)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了稠油的高采收率。采用加拿大阿爾伯達(dá)瀝青礦（22℃時(shí)稠油的黏度152000 mPa·s）開(kāi)展了兩種情形下的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)：1）離子溶液連續(xù)驅(qū)替；2）離子溶液和水段塞式驅(qū)替。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出非常好的驅(qū)替效果。連續(xù)驅(qū)替時(shí)不同注入速度（0.5數(shù)1 mL/min）下的采收率接近100%，且采出流體的黏度較低（約90數(shù)135 mPa·s），便于地面集輸處理。段塞式注入驅(qū)替也顯示出極大潛力，在注入無(wú)量綱體積（離子液體體積/儲(chǔ)量）僅僅0.44 的情況下，采收率就達(dá)到13%。此外，實(shí)驗(yàn)還考慮了易突破或注入受阻時(shí)的情形，在整個(gè)系統(tǒng)被加熱到80℃后再注入時(shí)，采收率可達(dá)到88%，表明油藏在經(jīng)過(guò)低強(qiáng)度熱處理后，仍可以采用離子液體驅(qū)替開(kāi)發(fā)。這一結(jié)論為離子液體應(yīng)用于已注蒸汽開(kāi)發(fā)后的油藏進(jìn)一步提高采收率提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰揭示了膠體分散機(jī)理，離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%及50%時(shí)，瀝青質(zhì)呈明顯分散狀態(tài)；同時(shí)，通過(guò)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，吸附在黏土表面的離子液體可以促進(jìn)黏土在儲(chǔ)層中的膨脹和沉淀，從而最大限度地減少黏土的運(yùn)移，這一結(jié)論對(duì)于推動(dòng)離子液體在稠油驅(qū)替開(kāi)采中提高采收率具有重要意義。

3 問(wèn)題與思考

目前離子液體在稠油原位改質(zhì)降黏中的應(yīng)用仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究尺度，在離子液體對(duì)于稠油改質(zhì)降黏方面已經(jīng)做了多方面的探索，開(kāi)展了離子液體的合成實(shí)驗(yàn)，基本明確了離子液體改質(zhì)降黏的分子層面作用機(jī)理和離子液體改質(zhì)降黏效果的影響因素，并初步探討了離子液體有效發(fā)揮改質(zhì)降黏作用所需要的條件。但是，對(duì)于實(shí)際油藏，地層流體組成往往變化較大，儲(chǔ)層巖礦構(gòu)成復(fù)雜，如細(xì)粒黏土顆粒等廣泛存在于孔隙空間，離子液體如何與地層流體和巖礦發(fā)生作用以及離子液體在實(shí)際條件下的改質(zhì)降黏機(jī)理與影響因素仍需深入探索。

已開(kāi)展的研究主要集中于以離子液體作為稠油降黏劑、分散劑方面的應(yīng)用研究，并在商業(yè)化應(yīng)用方面作了探索。此外，在離子液體與儲(chǔ)層黏土礦物相互作用以及與溶液協(xié)同作用方面開(kāi)展了初步研究，并結(jié)合一些原位催化改質(zhì)的操作條件對(duì)離子液體開(kāi)采稠油的驅(qū)替方式及提高采收率效果進(jìn)行了初步研究。這些研究進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)了離子液體對(duì)稠油原位改質(zhì)的作用機(jī)理及影響因素。離子液體的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出非常好的提高采收率效果，極具商業(yè)化應(yīng)用潛力。但是，研究較少涉及離子液體回收循環(huán)利用的問(wèn)題，同時(shí)缺少油藏工程角度的研究。

離子液體稠油改質(zhì)降黏開(kāi)采從室內(nèi)推向現(xiàn)場(chǎng)，還需綜合考慮稠油開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀及問(wèn)題，明確以下應(yīng)用目標(biāo)和重點(diǎn)研究方向：

（1）明確離子液體原位改質(zhì)降黏技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外稠油開(kāi)采的成熟技術(shù)主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD、火驅(qū)等幾項(xiàng)技術(shù)，此外還有正在試驗(yàn)發(fā)展中的溶劑萃取、電磁加熱、納米催化改質(zhì)等前沿技術(shù)。注蒸汽開(kāi)采仍是主導(dǎo)技術(shù)，且主要應(yīng)用于淺層、中深層稠油油藏，其開(kāi)發(fā)效果對(duì)油層厚度、蓋層完整性、油藏非均質(zhì)性、邊底水等因素較為敏感?，F(xiàn)有熱采技術(shù)無(wú)法經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)采的部分資源，如淺薄層稠油油藏、邊底水稠油油藏、深層稠油油藏等有望通過(guò)離子液體原位驅(qū)替得到有效動(dòng)用。注蒸汽開(kāi)發(fā)后的油藏面臨含水高、油汽比低、采出程度低的問(wèn)題，如何進(jìn)一步提高采收率一直是稠油熱采開(kāi)發(fā)的一大難題。離子液體由于其性質(zhì)調(diào)配的靈活性和多樣性以及綠色無(wú)污染和可循環(huán)利用的特點(diǎn)，為稠油提高采收率提供了一個(gè)新的方向。

（2）建立離子液體原位改質(zhì)降黏開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件界限，為開(kāi)展先導(dǎo)試驗(yàn)油藏篩選和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。稠油熱采油藏經(jīng)過(guò)多輪次吞吐或轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)后，儲(chǔ)層流體性質(zhì)、巖石礦物、巖石潤(rùn)濕性等參數(shù)均發(fā)生變化，這對(duì)應(yīng)用離子液體進(jìn)一步提高采收率帶來(lái)挑戰(zhàn)。例如，離子液體與地層流體和巖礦的配伍性等，應(yīng)在強(qiáng)化室內(nèi)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，密切結(jié)合油藏條件，通過(guò)物理模擬及數(shù)值模擬研究，建立一套指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的理論界限。這需要進(jìn)一步完善室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從更復(fù)雜的分子層面和更貼近現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)條件出發(fā)，深入認(rèn)識(shí)離子液體與油藏流體及巖石礦物作用機(jī)理。

（3）開(kāi)展油藏工程與地面工程一體化研究。離子液體的原位改質(zhì)降黏面臨高黏度的超稠油油藏原始條件下的流體可注入性及注入方式、現(xiàn)有井網(wǎng)適應(yīng)性、注采井驅(qū)替通道的有效建立、與常規(guī)溶劑協(xié)同應(yīng)用可行性等復(fù)雜問(wèn)題，需要深入研究。這些問(wèn)題的解決需要開(kāi)展油藏工程與地面工程一體化研究，通過(guò)開(kāi)展多元注采參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、離子液體地面注入與回收再利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)離子液體原位驅(qū)替開(kāi)采稠油，同時(shí)，也是進(jìn)一步開(kāi)展離子液體常溫開(kāi)采稠油的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

（4）加強(qiáng)與油田開(kāi)發(fā)新技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用。袁士義等［35］提出了“配套應(yīng)用、攻關(guān)試驗(yàn)、超前儲(chǔ)備”三代主體技術(shù)滾動(dòng)接替的發(fā)展路線和技術(shù)方向，并建議加強(qiáng)納米智能驅(qū)、原位改質(zhì)、同井注采等顛覆性技術(shù)的基礎(chǔ)理論方法研究。離子液體作為綠色化學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主導(dǎo)的新一代稠油原位改質(zhì)降黏開(kāi)采技術(shù)，無(wú)疑具有巨大的應(yīng)用潛力，應(yīng)作為超前儲(chǔ)備技術(shù)加快研發(fā)。研究表明［36］，多種降黏劑及各類助劑復(fù)配使用既可擴(kuò)大適用范圍，也可提高降黏效果。在考慮目前開(kāi)發(fā)稠油油藏現(xiàn)狀及成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)注重與常規(guī)溶劑、納米催化改質(zhì)等技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用研究，建立低能耗、易注入、高性能、易回收的高效開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)稠油資源效益和開(kāi)發(fā)效益。

4 結(jié)論與建議

（1）離子溶液對(duì)稠油改質(zhì)降黏方法實(shí)質(zhì)上是一種類似于溶劑的開(kāi)采方法，通過(guò)調(diào)節(jié)離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)與油藏流體特性相匹配，在分子層面充分發(fā)揮離子液體與油藏流體的相互作用，利用改質(zhì)降黏和改變油藏潤(rùn)濕性，達(dá)到提高稠油采收率的目的。

（2）相比常規(guī)稠油開(kāi)采方式，離子液體對(duì)稠油的改質(zhì)降黏避免了熱注入、二氧化碳排放、揮發(fā)性和毒性風(fēng)險(xiǎn)；此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的稠油熱采和溶劑萃取工藝，離子液體具有采收率高、采出油攜帶固體顆粒少、離子液體損失少、循環(huán)利用率高的特點(diǎn)，是綠色有機(jī)溶劑首選。

（3）目前已對(duì)離子液體在稠油開(kāi)發(fā)方面做了許多實(shí)驗(yàn)探索，但在機(jī)理研究方面仍需要做更深入的分子模擬工作，針對(duì)不同性質(zhì)的稠油油藏系統(tǒng)開(kāi)展流體組分、物性及其離子液體之間的相互作用規(guī)律研究，充分了解離子液體與瀝青質(zhì)、儲(chǔ)層巖礦之間的相互作用機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的功能分子設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（4）離子液體在稠油強(qiáng)化開(kāi)采過(guò)程中，一般采用與溶劑一起作為添加劑或加入溶液中作為功能性化學(xué)物質(zhì)兩種方式。今后研究應(yīng)用中需要加強(qiáng)離子液體與常規(guī)溶劑、納米催化改質(zhì)等技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用研究，以達(dá)到更好的稠油開(kāi)采效果。

（5）目前研究主要限于實(shí)驗(yàn)室分析，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和經(jīng)濟(jì)性較少。應(yīng)加快推動(dòng)離子液體如何有效應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)的研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中充分結(jié)合油藏實(shí)際條件（原始油藏或已開(kāi)發(fā)油藏）、油田現(xiàn)場(chǎng)操作條件，如離子液體注入和采出回收的地面配套工藝、離子液體的注入方式、離子液體注采參數(shù)的油藏工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬表征等問(wèn)題。