含蠟普通稠油低溫冷采降黏劑的研制及性能

高 敏，江建林，喬富林

（中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083）

稠油在世界油氣資源中占有較大的比例，隨著各國對原油需求量的增加及輕質(zhì)油開采儲量的減少，以及油氣開采技術(shù)的提高，稠油在開發(fā)中所占的比重也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，稠油（包括油砂及天然瀝青）的儲量約為1×1011t［1］，約占全球石油總量的70%。由于稠油黏度高、流動性較差，造成稠油開采難度加大。降低稠油黏度、改善稠油流動性是解決稠油開采、集輸?shù)年P(guān)鍵?；瘜W(xué)降黏法是較為常用的稠油開采方法之一，由于原油中正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布的多元性和膠質(zhì)瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降黏劑對原油有很強(qiáng)的選擇性。乳化降黏是在表面活性劑作用下，使稠油的油包水（W/O）型乳狀液轉(zhuǎn)變成水包油（O/W）型乳狀液，從而達(dá)到降黏的目的。乳化降黏劑對稠油具有較好的乳化性，降黏效率高，在稠油開采和輸送過程中得到廣泛應(yīng)用［2］。常用的稠油乳化降黏劑主要為陰離子型和非離子型表面活性劑［3-6］，近年來還研發(fā)了各種新型稠油降黏劑，如高分子表面活性劑、氟表面活性劑和生物表面活性劑［7-9］。多種表面活性劑與各類助劑復(fù)配，可擴(kuò)大適用范圍，提高降黏效果［10-12］。與蒸汽吞吐等稠油開采技術(shù)相比，采用乳化降黏劑的降黏開采技術(shù)具有能耗低、設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)［13］。近年來，我國在采用乳化降黏對原油進(jìn)行開采和輸送方面取得了較大進(jìn)展。趙慶輝等［14］針對中國石油遼河油田分公司杜84 塊超稠油區(qū)塊的油層特點(diǎn)、油品性質(zhì)等因素，篩選出適合于超稠油區(qū)塊的最佳降黏劑CSL-1，該降黏劑具有耐高溫性能，在300 ℃下降黏特性不失效，適合蒸汽吞吐井的井底降黏。劉斌等［15］開發(fā)的LB-1 型降黏劑，在添加量為0.2%～0.3%（w）時，對稠油的降黏率可達(dá)到93%以上，礦場應(yīng)用結(jié)果表明，加注降黏劑后單井日產(chǎn)油量由12 m3增至42 m3，達(dá)到了節(jié)能降耗和增產(chǎn)的目的。但現(xiàn)有的傳統(tǒng)化學(xué)降黏劑針對油藏溫度低（40 ℃以下）且蠟含量較高（5%（w）以上）的稠油乳化效果差，降黏效率低，無法實(shí)現(xiàn)冷采條件下含蠟稠油的高效降黏。

本工作制備了適合含蠟普通稠油的改性植物油脂型低溫冷采降黏劑，考察了降黏劑的乳化能力，并與常用市售降黏劑進(jìn)行了對比，研究了降黏劑對稠油的降黏界限，對降黏劑的模擬驅(qū)油效果進(jìn)行評價。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

含蠟普通稠油：中國石化河南油田分公司的L區(qū)塊稠油、XH 區(qū)塊稠油、EX 區(qū)塊稠油；改性植物油脂型降黏劑：自制；氫氧化鈉助劑：分析純，北京化學(xué)試劑公司；傳統(tǒng)市售降黏劑（TX-100）：純度99%（w），北京伊諾凱科技有限公司；配制降黏劑溶液所用水：對應(yīng)區(qū)塊的地層水；大豆油：醫(yī)藥級，北京伊諾凱科技有限公司；N，N-二甲基胺：純度97%（w），北京伊諾凱科技有限公司；磺化試劑CHPS：純度95%（w），上海麥克林生化科技股份有限公司。

1.2 降黏劑的制備方法

在稠油物性分析的基礎(chǔ)上，以大豆油為原料，通過兩步化學(xué)反應(yīng)制備改性植物油脂型降黏劑，合成路線如圖1 所示。

圖1 改性植物油脂型降黏劑的合成路線Fig.1 Synthetic route of modified vegetable oil viscosity reducer.

實(shí)驗(yàn)步驟：取大豆油100 g、N，N-二甲基胺10 g 于三口燒瓶中，在100 ℃下加熱反應(yīng)4 h 后，停止加熱，冷卻至室溫，即可得到中間體；取中間體100 g、磺化試劑CHPS 20 g 于三口燒瓶中，加入60 g 乙醇和水的混合溶劑，在80 ℃下回流反應(yīng)12 h，即可制得改性植物油脂型降黏劑產(chǎn)物。

1.3 分析方法

采用德國賽默飛世爾科技有限公司HAAKE MARS Ⅲ型流變儀進(jìn)行黏度的測定。測定前，試樣先在測定溫度下恒溫20 min 左右。

采用上海光學(xué)儀器六廠BM-19 型光學(xué)顯微成像儀觀測乳液狀態(tài)，測量乳狀液中液滴大小及分布。

1.4 乳化降黏實(shí)驗(yàn)方法

稱取7 g 稠油試樣，在常溫下加入3 g 含降黏劑的地層水溶液，玻璃棒攪拌10 min 或搖動5～10 min，直接觀察乳化情況，或采用顯微鏡觀察試樣在顯微鏡下分布狀態(tài)，水為連續(xù)相則為O/W 型乳狀液，油為連續(xù)相則為W/O 型乳狀液。通過改變實(shí)驗(yàn)中稠油試樣和降黏劑的量，評價不同油/水質(zhì)量比下降黏劑的乳化降黏效果。

1.5 模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用油為L 區(qū)塊、XH 區(qū)塊和EX 區(qū)塊稠油，實(shí)驗(yàn)用水為對應(yīng)區(qū)塊產(chǎn)出水，相關(guān)參數(shù)見表1。模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟：1）將直徑為2.5 cm、長度為7.1 cm的圓柱體人造巖心烘干，稱重；2）測定巖心的氣測滲透率，抽真空、飽和地層水，然后接入驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程；3）將巖心中飽和原油，老化24 h；4）以1 mL/min 的流量水驅(qū)巖心，記錄不同時間的出油量、出水量，直至含水95%（w）以上；5）注入降黏劑驅(qū)油體系；6）以1 mL/min 的流量二次水驅(qū)巖心，記錄不同時間的出油量、出水量，直至出口端含水95%（w）以上，計算不同時間的采收率和含水率。

表1 實(shí)驗(yàn)用水及稠油性質(zhì)Table 1 Experimental water and heavy oil property

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR 表征結(jié)果

中間體和降黏劑的FTIR 譜圖見圖2。

圖2 中間體（i）和產(chǎn)物（ii）的FTIR 譜圖Fig.2 FTIR spectra of intermediate(i) and product(ii).

從圖2 可看出，中間體在3 380 cm-1處存在寬峰，歸屬于反應(yīng)產(chǎn)生的丙三醇O—H 鍵的伸縮振動，由此說明發(fā)生了酰胺化反應(yīng)。在2 930 cm-1和2 857 cm-1處存在尖峰，歸屬于飽和C—H 鍵的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。在1 650，1 463，618 cm-1處的3 個尖峰，分別歸屬于酰胺Ⅰ帶（C=O）、Ⅱ帶（N—H）和Ⅳ帶（O=C—N），表明中間體酰胺鍵的生成。相比中間體，降黏劑在1 259 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，歸屬于磺酸基團(tuán)S=O 鍵的伸縮振動，表明成功制備了降黏劑。

2.2 降黏劑性能評價

2.2.1 降黏劑對稠油的乳化行為

考察了降黏劑的乳化能力，并與常用市售降黏劑進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。從表2 可看出，所制備的降黏劑對于三個區(qū)塊稠油均具有好的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)16 ℃或40 ℃下稠油的乳化降黏，可形成低黏度的均勻O/W 型乳液體系，且在16 ℃下靜置24 h 后，也能夠保持低黏度的乳液狀態(tài)。而市售降黏劑TX-100，僅能實(shí)現(xiàn)L 區(qū)塊稠油的乳化降黏，而對XH 區(qū)塊和EX 區(qū)塊稠油的乳化能力較弱，形成了顆粒較粗的分散體系或無法乳化分散稠油。

表2 降黏劑對不同區(qū)塊稠油的乳化效果Table 2 Emulsification effect of viscosity reducer on heavy oil in different blocks

固定降黏劑含量為0.5%（w），觀察不同油/水質(zhì)量比下，L 區(qū)塊稠油在加入降黏劑后的乳狀液狀態(tài)，結(jié)果見圖3。從圖3 可看出，不同油/水質(zhì)量比下，降黏劑的乳化性能均較好，油滴分散均勻且為細(xì)小顆粒。隨著油/水質(zhì)量比的減小，乳液液滴分散得更疏松，且視野里會出現(xiàn)更大尺寸的乳液液滴。

圖3 不同油/水質(zhì)量比下降黏劑對L 區(qū)塊稠油的乳化照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of emulsification of heavy oil in block L by viscosity reducer under different oil/water mass ratio.

2.2.2 不同區(qū)塊稠油的降黏界限

針對L 區(qū)塊稠油，考察了降黏劑含量和油/水質(zhì)量比對稠油降黏效果的影響，結(jié)果見圖4。從圖4 可看出，在15～40 ℃溫度范圍內(nèi)，當(dāng)降黏劑含量降至0.2%（w）時，降黏率將下降至90%以下；當(dāng)油/水質(zhì)量比上升至7∶3 時，降黏劑對L 區(qū)塊稠油的降黏率有所下降，但仍可實(shí)現(xiàn)降黏率超過95%。因此，降黏劑對L 區(qū)塊稠油的降黏界限為：降黏劑含量大于等于0.3%（w），油/水質(zhì)量比小于等于7∶3.

圖4 降黏劑含量和油/水質(zhì)量比對L 區(qū)塊稠油降黏效果的影響Fig.4 Effect of viscosity reducer content and oil/water mass ratio on viscosity reduction of heavy oil in block L.

針對XH 區(qū)塊稠油，考察了降黏劑含量和油/水質(zhì)量比對稠油降黏效果的影響，結(jié)果見表3。從表3 可看出，在15～50 ℃溫度范圍內(nèi)，降黏劑含量為0.1%～0.5%（w）、油/水質(zhì)量比為6∶4～8∶2條件下，降黏劑可實(shí)現(xiàn)98.5%以上的稠油降黏率。表明降黏劑對XH 區(qū)塊稠油的適應(yīng)性極佳，只要滿足降黏劑含量大于等于0.1%（w）、油/水質(zhì)量比小于等于8∶2，對XH 區(qū)塊稠油可實(shí)現(xiàn)降黏率超過98.5%。

表3 降黏劑含量和油/水質(zhì)量比對XH 區(qū)塊稠油降黏效果的影響Table 3 Effect of viscosity reducer content and oil/water mass ratio on viscosity reduction of heavy oil in block XH

針對EX 區(qū)塊稠油，考察了降黏劑含量對稠油降黏效果的影響，結(jié)果見表4。從表4 可看出，在 15～45 ℃溫度范圍內(nèi)，在降黏劑含量為1.0%（w）時，可實(shí)現(xiàn)98%以上的降黏率。因此，降黏劑對EX 區(qū)塊稠油的降黏界限為：降黏劑含量大于等于1.0%（w），油/水質(zhì)量比小于等于6∶4。表明降黏劑對EX 區(qū)塊的適應(yīng)性略差，這是由于EX 區(qū)塊稠油性質(zhì)較特殊，膠質(zhì)含量較低、蠟含量較高。為了降低降黏劑的使用量，本工作采用添加助劑的方法對降黏劑體系進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在降黏劑中引入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的氫氧化鈉助劑，實(shí)現(xiàn)了降黏劑含量降至0.5%（w），仍可達(dá)到98%以上的降黏率（圖5）。因此對于高含蠟的EX 區(qū)塊稠油，優(yōu)選降黏劑與氫氧化鈉助劑復(fù)配使用的復(fù)合降黏體系。

表4 降黏劑含量對EX 區(qū)塊稠油降黏效果的影響Table 4 Effect of viscosity reducer content on viscosity reduction of heavy oil in block EX

圖5 助劑對EX 區(qū)塊稠油降黏效果的影響Fig.5 Effect of assistant on viscosity reduction of heavy oil in block EX.Condition：oil/water mass ratio 6∶4.

2.3 降黏劑模擬驅(qū)油效果評價

選用圓柱體J-1 和J-2 人造巖心（參數(shù)見表5），考察了降黏劑對于L 區(qū)塊和XH 區(qū)塊稠油的驅(qū)替效果，結(jié)果見圖6。稠油乳化降黏模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟為：首先將巖心飽和稠油，一次水驅(qū)后至含水率大于95%（w）后，注入0.5 PV 的0.4%（w）降黏劑，然后進(jìn)行二次水驅(qū)，至巖心出口含水率達(dá)95%（w）以上，模擬驅(qū)油實(shí)驗(yàn)溫度恒定為35 ℃。從圖6 可看出，一次水驅(qū)至含水率達(dá)95%（w）以上趨于平穩(wěn)，之后巖心注入降黏劑段塞，含水率出現(xiàn)明顯下降，對應(yīng)注入壓力和采收率均顯著上升，說明降黏劑對于L 區(qū)塊和XH 區(qū)塊稠油均具有明顯的驅(qū)油效果。

圖6 降黏劑驅(qū)油體系對L 區(qū)塊（a）和XH 區(qū)塊（b）稠油的模擬驅(qū)替效果Fig.6 Simulation displacement effect of viscosity reducer flooding system on heavy oil in block L(a) and block XH(b).

表5 人造巖心的測量參數(shù)Table 5 Measurement parameters of artificial core

對比了降黏劑對L 區(qū)塊和XH 區(qū)塊的驅(qū)替效果，結(jié)果見表6。從表6 可看出，由于XH 區(qū)塊稠油黏度較高，L 區(qū)塊稠油的一次水驅(qū)的采收率高于XH 區(qū)塊。注入0.5 PV 的降黏劑段塞后，L 區(qū)塊稠油采出液的含水率下降值（16.67 百分點(diǎn)）高于XH 區(qū)塊的下降值（7.89 百分點(diǎn)）；L 區(qū)塊稠油二次水驅(qū)后提高采收率達(dá)14.67 百分點(diǎn)，高于XH 區(qū)塊稠油（9.17 百分點(diǎn)）。

表6 降黏劑驅(qū)采收率及含水變化Table 6 Change of recovery ratio and water content by viscosity reducer flooding

觀察巖心出口端產(chǎn)出液，注入降黏劑后，出口端的產(chǎn)出液明顯呈現(xiàn)乳化狀態(tài)，靜置48 h 油水分層后的照片如圖7 所示。從圖7 可看出，一次水驅(qū)至含油量顯著下降后，注入降黏劑驅(qū)段塞，產(chǎn)出液中油量又明顯增加。綜上所述，低溫條件下，降黏劑對于L 區(qū)塊和XH 區(qū)塊稠油均具有顯著的驅(qū)油效果，對于黏度較低的L 區(qū)塊稠油采收率提高幅度更大。

圖7 巖心出口端產(chǎn)出液靜置分層后的照片F(xiàn)ig.7 Photos of produced fluid at the outlet after stratification.

3 結(jié)論

1）成功研制了改性植物油脂型降黏劑，使用此降黏劑在低溫條件下（15～40 ℃）能夠較好地乳化分散含蠟普通稠油，形成低黏度均勻分散的穩(wěn)定O/W 乳液體系。

2）對于L 區(qū)塊、XH 區(qū)塊和EX 區(qū)塊稠油，降黏劑實(shí)現(xiàn)低溫區(qū)稠油降黏率大于95%的降黏界限條件分別為：降黏劑含量大于等于0.3%（w），油/水質(zhì)量比小于等于7∶3；降黏劑含量大于等于0.1%（w），油/水質(zhì)量比小于等于8∶2；降黏劑含量大于等于1.0%（w），油/水質(zhì)量比小于等于6∶4。對于EX 區(qū)塊稠油，可通過引入氫氧化鈉助劑將降黏劑使用量降至0.5%（w）。

3）降黏劑對L 區(qū)塊和XH 區(qū)塊稠油均具有顯著的驅(qū)油效果，模擬驅(qū)油采收率分別提高了14.67，9.17 百分點(diǎn)。