風城淺層超稠油油藏原位催化改質降黏技術

呂柏林 馬鵬 盧迎波 胡鵬程 王瑞

關鍵詞：超稠油；蒸汽吞吐；催化改質；降黏；提高采收率

0 引言

風城淺層超稠油油藏平均埋深420 m，地層溫度僅15 ℃，50 ℃ 原油黏度16 500 mPa · s，油層平均厚度11.5 m，油層呈現薄互多層的特點，單層厚度僅3.2 m。采用蒸汽吞吐方式開發(fā)，由于原油流動性差、地層存水高、蒸汽熱效率低，多輪次蒸汽吞吐后開發(fā)效果急劇下降。近年來陸續(xù)開展了微生物降黏［1］、多介質輔助吞吐［2］、電加熱［3］及水熱催化降黏等措施，效果均不佳。

稠油開發(fā)的本質是解決原油黏度問題，目前常見的降黏技術分為可逆降黏和不可逆降黏［4］?？赡娼叼な窃谡羝麩崃叼さ幕A上，加入降黏劑、表面活性劑等物質，降低界面張力從而達到降黏的效果［5］；不可逆降黏是通過微生物降解、催化裂解等手段，將原油中的長碳鏈組分斷裂成短碳鏈組分，以達到降黏效果［6］。催化裂解采用的催化劑主要以無機鹽為主，鄧劉揚等［7］模擬了注蒸汽條件下鎳鹽和鐵鹽等對稠油的水熱裂解催化作用，發(fā)現在反應一定時間后稠油黏度可降低 70% 以上，為稠油開采提供了新思路。崔盈賢等［8］利用有機酸錳催化劑和甲苯供氫劑對埕北稠油進行催化改質實驗，降黏率可達71.5%。吳川等［9］利用甲苯、甲酸等供氫劑與催化劑共同對稠油催化改質，實現了降低稠油黏度、增加稠油流動性的目的。趙小盈等［10］通過在原油中加入催化劑和供氫劑，降低原油裂解反應閾值溫度，使原油在200～300 ℃ 發(fā)生催化裂解反應，促使長碳鏈組分斷鏈形成穩(wěn)定不可逆的短碳鏈組分，大幅度降低了原油黏度，提高了原油品質。

根據稠油與催化劑是否具有互溶性可將催化劑分為水溶性催化劑、油溶性催化劑和納米分散性催化劑［11］。水溶性催化劑難溶于非極性的油層物質，顯著削弱了催化反應的效率；納米分散性催化劑由于納米顆粒極易團聚，導致催化劑失效［12］；油溶性催化劑可以在油層中達到更高的分散度，并與原油互溶，降黏效果最好［13］。本次實驗采用油溶性催化劑，其成分是環(huán)烷酸錳、二烷基二硫代磷酸氧鉬混合物，供氫劑選擇可溶于原油的四氫化萘。在風城油田Z18 井區(qū)1 口井開展了現場試驗，結果表明，采出油中低碳組分明顯提高，原油黏度大幅度下降，降黏效果顯著。

1 實驗材料和儀器

1.1 實驗材料

N3O2 型氮雜冠醚鈷配合物、鎳18-冠-6 氮雜冠醚絡合物的混合物，按照1∶3 質量比配制，來源于中國石油天然氣集團公司勘探開發(fā)研究院；四氫化萘，純度99.5%，濟南世紀通達化工有限公司提供；稠油樣品，黏度18 253 mPa · s（50 ℃），密度0.95 g/cm3（20℃），酸值5.8 mgKOH/g，取自風城Z18 井區(qū)超稠油二號處理站脫水原油；砂樣，粒徑80～250 μm，取自風城Z18 井區(qū)B16 井修井沖砂返出樣，并清理掉砂樣表面鉆井液和油污。

1.2 實驗儀器

FYXD0.3 20/350 永磁旋轉攪拌高壓釜，大連通產高壓釜容器制造有限公司提供；NDJ-5S 數字黏度計，上海佑科儀器儀表有限公司提供；氣相色譜-質譜儀，美國安捷倫科技有限公司提供；蒸汽發(fā)生器，山東瓦力節(jié)能科技有限公司提供；微量滴定管、色譜柱，成都市科龍化工試劑廠提供；ISCO 驅替泵，奧萊博（武漢） 科技有限公司提供；恒溫箱、壓力傳感器、數據采集軟件、巖心夾持器、活塞、高壓管線等儀器；填砂管兩根，內徑45 mm、長度60 cm。

2 實驗方法

2.1 催化劑降黏實驗

稱取200 g 脫水原油加入永磁旋轉攪拌高溫高壓反應釜中，再加入10 g 催化劑后攪拌均勻，將反應釜密封后抽真空，調節(jié)控制面板參數，將系統升溫至100 ℃，反應24 h，反應完成后待釜體冷卻至室溫取出油樣，測量油樣黏度，并計算降黏率。反應前后黏度使用NDJ-5S 數字黏度計在50 ℃ 下測定。按照此方法依次測量120、140、160、180、200、220℃ 條件下原油黏度，并計算降黏率［10］。降黏率計算公式為

2.2 催化劑與供氫劑降黏實驗

稱取200 g 脫水原油，將其加入永磁旋轉攪拌高溫高壓反應釜中，再加入10 g 催化劑和30 g 供氫劑，攪拌均勻，將反應釜密封后抽真空，調節(jié)控制面板參數，將系統升溫至100 ℃，反應24 h，反應完成后待釜體冷卻至室溫取出油樣，測量油樣黏度，并計算降黏率。按照此方法依次測量反應溫度在120、140、160、180、200、220 ℃ 條件下原油黏度，并計算降黏率。

2.3 催化劑和供氫劑輔助蒸汽驅實驗

實驗步驟［14］：（1） 將風城油井采出砂樣品填入填砂管，同等條件填實，確保兩個填砂管物性接近；（2） 抽真空后飽和水，計算填砂巖心孔隙體積；（3） 在95 ℃ 低流速下將巖心飽和油，計算巖心含油飽和度，靜置 24 h ，充分老化； （4） 催化劑與供氫劑按1∶3 質量比例配制成質量分數為30% 催化改質溶液；（5） 連接實驗裝置（圖1），開始蒸汽驅實驗，設置蒸汽發(fā)生器進液速度為5 mL/min，蒸汽溫度設定為200～260 ℃，注藥劑溶液速度1.5 mL/min，2 個填砂管出口端含水均達到98% 以上時驅替實驗結束；（5） 在采出端收集采出液并進行油水分離，測定采出油黏度、族組成及色譜。

3 實驗結果分析

3.1 降黏效果分析

實驗結果顯示：100～220 ℃ 條件下單獨使用催化劑降黏率25%～50%，且隨著溫度升高，降黏效果逐漸提升［15］，當溫度達到160 ℃ 以上時，不可逆降黏率可達到40% 以上（表1）。

加入供氫劑后，隨著溫度升高，改質降黏效果越來越好，160 ℃ 時降黏率增至60.6%，降黏效果明顯，當溫度升至220 ℃，原油黏度降至1 500 mPa · s以下，原油流動性明顯增強。因此，在高溫條件下，催化劑和供氫劑同時使用降黏效果更好（表2）。

蒸汽驅實驗顯示，蒸汽驅采收率38.5%，采出油黏度僅下降了1.6%；加入催化改質劑后，采收率達65.5%，提高了27 個百分點，采出油黏度從18 253mPa · s 降至2 098 mPa · s，降黏率88.5%（表3）。

3.2 原油凝固點和組分分析

驅替實驗產出原油族組分和色譜分析結果顯示，蒸汽驅后原油組分、凝固點與驅替前基本一致。加入催化劑和供氫劑后，原油凝固點由14 ℃ 降至?50 ℃，飽和烴含量由38.1% 升至63.8%，芳香烴含量由20.0% 降至15.6%， 膠質含量由20.3% 降至12.3%，瀝青質含量由21.6% 降至8.3%，原油組分輕質化明顯［16］（表4）。

采出油色譜對比顯示，在催化劑和供氫劑作用下，C5～C24 組分質量分數上升，C25 及以上組分質量分數下降，原油輕質化明顯。因此，催化劑和供氫劑在高溫條件下可將原油中長碳鏈組分斷鏈形成短碳鏈組分，不可逆降黏效果明顯［17］（表5，圖2）。

4 現場應用

4.1 研究區(qū)概況

為確保超稠油原位催化改質礦場試驗效果，選井主要考慮2 個方面。一是注蒸汽溫度達到250 ℃以上。因此篩選油藏埋深達到500 m 以上、滲透率600×10?3 μm2 左右的Z18 井區(qū)南部區(qū)域，該區(qū)域以蒸汽吞吐方式投入開發(fā)，其中一次注汽、燜井、開井生產稱為一個周期，周期產油量為一個蒸汽吞吐周期日產油量之和。蒸汽吞吐開發(fā)注汽壓力達到10MPa，注汽溫度達到300 ℃［18］。二是井網獨立、井況良好。該區(qū)域B16 井油層厚度11.5 m，射孔厚度9 m，原油黏度22 640 mPa · s，含油飽和度65.5%，單井動用地質儲量8 691 t，實施前已蒸汽吞吐生產8 個周期，累計產油1 394 t，采出程度16.4%。由于原油黏度高，第8 周期產油量已降至115 t，油汽比降至0.06，日產油降至0.9 t/d。

4.2 施工過程

配液：將4 t 催化劑加入16 t 供氫劑中，充分攪拌溶解得到油相溶液20 t；將20 t 油相溶液加入40t 水中，充分攪拌混合，得到60 t 催化改質劑體系。

施工步驟：（1） 小修提出井內結構，下入帶喇叭口光油管；（2） 使用硬管線連接泵車與井口，泵車另一側連接罐車；（3） 啟動泵車，開始注入催化改質體系溶液，施工限壓8 MPa；（4） 注完后用5 m3 清水進行頂替；（5） 完成后開始注蒸汽。

注入參數：注入蒸汽量2 000 m3，注汽壓力10.5MPa，注汽溫度310 ℃，注汽速度140 t/d，注汽結束后燜井5 d，開井生產。

4.3 施工效果

實施催化改質降黏工藝后周期生產時間延長106 d，產液量增加1 672 d，產油量增加了387 t，油汽比提高了0.34，采注比提高了1.61。50 ℃ 產出油黏度從22 640 mPa · s 降至21 mPa · s，降黏率達到99.1%，樣品放置100 d 后測試原油黏度23 mPa · s，基本不變，原油發(fā)生了不可逆降黏（表6）。

對比第8、9 周期開井60 d 內生產數據，第8 輪平均日產油1.7 t/d，開井前10 d 生產效果較好，日產油達到8.9 t/d，第10 d 后由于地層溫度下降，原油黏度上升，原油流動性變差，生產急劇變差；第9 輪平均日產油6.2 t/d，比第8 輪提高4.5 t/d，開井第10 d后產油量仍然較高，說明地層溫度下降后，原油依然具有較好的流動性。

分析認為，現場試驗降黏效果更好主要是由于催化劑和供氫劑在高溫條件下長時間參與催化改質反應，使反應更充分，稠油降黏率更高，油品改善更大。

5 結論

（1） 反應釜高溫實驗表明，220 ℃ 下使用催化劑可將超稠油降黏率提高至50.2%，復合使用供氫劑輔助蒸汽驅后降黏率提高至88.5%。

（2） 根據原油族組分和色譜分析結果，超稠油催化改質后芳香烴、膠質、瀝青質組分以及原油凝固點均大幅度下降，原油發(fā)生輕質化轉變。

（3） 礦場試驗表明，超稠油吞吐井中實施原位改質催化降黏措施，周期產油量、油汽比得到大幅度提高，產出原油發(fā)生不可逆降黏。