稠油催化降黏技术开发研究进展

随着常规油气资源的过量开发和快速消耗,稠油等低品位油气资源的高效开采越来越受到人们的重视.稠油由于其黏度大和流动性差导致开采效率低下、开发困难.因此,降低稠油黏度并提高其流动性是稠油高效开采的技术关键.1982年HYNE首次报道了金属催化剂在稠油水热降黏中的结果,Ni、Cu等金属催化剂的加入可以有效降低稠油黏度.此后,水热催化降黏的方法得到了长足的发展,目前催化剂的类型主要包括矿物质催化剂、水溶性催化剂、油溶性催化剂、分散性催化剂、超强酸催化剂等.在水热催化反应中稠油的4个组分(沥青、胶质、烷烃、芳香烃)会发生变化,特别是S、N等杂原子含量的变化对稠油的黏度和品质有着重要的影响.本文作者针对稠油的开采工艺、水热催化降黏剂的种类和特点、水热反应的机理等进行了评述,并对今后的研究方向进行了展望.     

离子液体对稠油的改质降黏作用影响因素研究

合成了烷基咪唑型离子液体\[BMIM\]\[AlCl₄\],研究了稠油含硫量、含水量、过渡金属盐、温度等对离子液体进行稠油改质降黏作用的影响。实验结果表明,稠油含一定硫量是进行稠油改质降黏的必要条件。用\[BMIM\]\[AlCl₄\]离子液体对稠油进行有效的改质降黏时,稠油含水量应小于10%。环烷酸镍(NiNaph）与离子液体复配使用对稠油改质降黏具有增效作用。用质量分数为5%的\[BMIM\]\[AlCl₄\]离子液体在一定条件下处理新疆稠油,可使稠油降黏率达到60%,沥青质降低78%。用\[BMIM\]\[AlCl₄\] 离子液体对新疆稠油进行改质降黏的最佳温度为65℃~85℃。     

几种聚合物降黏剂制备及其降黏效果评价

针对特超稠油流动性差、开采难度大的问题，以马来酸酐、C12～18不饱和酸、丙烯酰胺和苯乙烯为原料合成了油溶性聚合物降黏剂MAOS、MAS和两亲型聚合物降黏剂TEO9AS、C18AA,采用红外光谱对其结构进行了表征，比较了聚合物的降凝、降黏性能，测试了两亲聚合物的表面活性。实验结果表明：聚合物TEO9AS的临界胶束浓度为0.1g/L,γ_CMC为29.54 mN/m,当溶液达到0.03%(w)时界面张力可达到10^-1 mN/m数量级；单独的油溶性聚合物和两亲型聚合物均具有较好降凝和降黏效果，油溶性聚合物加量越大，黏度越低。在加量为0.5%时，含有MAS和MAOS的稠油黏度分别为24353 mPa·s和44744 mPa·s,降黏率分别为91.00%和83.47%,两亲型聚合物TEO9AS的降黏率为80.22%。聚合物降黏剂与碱复配后可以大幅降低稠油黏度，尤其是两亲型聚合物TEO9AS与0.8%碱复合时黏度达到206 mPa·s,降黏率达到99.99%。表明两亲型聚合物与碱的混合具有很好的降黏协同效果，这一技术的开发为稠油常温开采提供了技术支撑。     

特稠油乳化降黏机理研究

研究了胜利油田罗家高硫特稠油的黏度及其极性四组分、有机杂原子、金属元素的关联。结果表明，该稠油的高黏度主要与三个因素有关：（1） 含有高分子量的胶质和沥青质组分；（2） 硫的质量分数很高；（3） 金属元素V、Fe、Ni形成配位络合物增加了沥青质的内聚力。同时考察了所筛选的降黏剂的效果，降黏剂明显降低了油水界面张力，使得稠油的黏度降低。比较了添加降黏剂前后沥青质的电子探针照片的变化，推测降黏剂分子借助强的形成氢键的能力和渗透、分散作用进入沥青质片状分子之间，破坏了沥青质分子平面重叠的聚集体，使聚集结构变得疏松，表明聚集有序性降低是稠油降黏的主要机理。     

超声波辅助稠油层内催化水热裂解实验研究

将超声波应用到稠油催化水热裂解实验中,研究了超声波辅助催化水热裂解对胜利油田孤东稠油物化性质的影响。结果表明,超声波辅助作用下稠油的降黏率达到86.2%,与催化水热裂解相比,稠油的平均相对分子质量进一步减小,饱和烃和芳香烃组分含量增加,胶质和沥青质组分含量减少,稠油组分的氢碳原子比增加,杂原子含量减小。动态模拟实验中超声波辅助层内催化水热裂解效果显著,稠油采收率达到53.91%,降黏率达到80.5%。由此表明,超声波辅助催化水热裂解具有可行性,超声波与催化剂协同作用促进了水热裂解反应,一定程度上改善了稠油的品质。     

双亲催化剂作用超稠油水热裂解降黏机理研究

合成双亲催化剂,200℃与超稠油反应后,降黏率达96.26%。通过气相色谱仪、元素分析仪、分子量测定仪、红外光谱仪及核磁共振波谱仪对反应前后稠油的物化性质进行分析。结果表明,反应后稠油胶质与沥青质含量减小,稠油分子量下降,沥青质分子量降低幅度最大;稠油及其重质组分的氢碳原子比增加,硫的含量减小。稠油发生水热裂解反应的同时,存在沥青质的聚合反应,沥青质的裂解在降黏反应中起到了关键的作用;双亲催化剂促进了水热裂解反应,同时抑制了聚合反应;双亲型催化降黏剂携带的具有活性催化功能的离子协同高温水作用于分子中的C-S、C-N、C-O、C-C及C=S、C=O、C=N、C=S等键,使其发生系列链的断裂、加氢、开环、成环、脱硫等反应,促进了稠油黏度的降低,稠油及其重质组分的氢碳原子比增加,稠油的品质得到一定程度的改善。     

油藏矿物和化学剂强化稠油水热裂解降黏研究

采用大庆、辽河两种稠油,研究了油藏矿物、硫酸镍催化剂以及四氢萘供氢剂对其水热裂解反应的影响。结果表明,与单纯水热裂解相比,油藏矿物的加入能使两种稠油的平均相对分子质量减小,饱和烃和芳香烃组分含量增加,胶质和沥青质组分含量减少,稠油的降黏率分别从7.41%和12.95%增加到16.05%和25.29%,油藏矿物对稠油水热裂解反应具有催化作用;将硫酸镍和四氢萘加入反应体系后,稠油平均相对分子质量进一步降低,族组分中饱和烃和芳香烃进一步增加,胶质和沥青质组分进一步减少,稠油黏度明显降低,降黏率可高达84.39%。     

水溶性有机钴(Ⅱ)盐催化的稠油低温清洁水热裂解

为了开发新型稠油低温清洁水热裂解催化体系,合成了系列钴盐催化剂,用于低温下催化稠油热裂解,利用高温高压反应釜模拟井下热采条件,在反应温度为180℃、反应时间为24h、催化剂Co-3加量为0.5%,稠油降黏率可达到84.5%.稠油组分分析表明:水热裂解催化反应后,胶质、沥青质等重质组分含量减少;TGA和GC显示稠油经水热催化裂解反应后,轻质组分含量明显增加.     

基于油藏实际的稠油层内水热催化裂解机理研究

开展了稠油层内水热催化裂解技术在胜利油田的先导实验,五口井平均周期单井增油653 t,稠油初期降黏率达79.8%,措施14周后降黏率仍大于62%。利用Brookfield DV-Ⅲ黏度计、ElementarVario EL III元素分析仪、Knauer K-700蒸气压渗透仪、Agilent 6890N气相色谱仪和EQUINOX 55傅里叶变换红外光谱仪等,对措施前后稠油的物化性质进行分析。结果表明,层内水热催化裂解后稠油黏度及平均分子量减小、轻烃含量增加、重质组分含量减少、氢碳原子比增加、杂原子含量减小。稠油层内裂解反应受催化剂体系、高温水及储层矿物因素控制,催化剂是促进稠油裂解的主要因素,供氢剂及分散剂等助剂有助于提高裂解效果,高温水的酸碱性质及储层矿物对稠油具有催化裂解作用。多因素协同作用下使稠油发生脱侧链、分子链异构、断链、加氢、开环、成环、脱硫等系列反应,使得稠油大分子分解成小分子物质,降低了稠油黏度,改善了稠油品质,证实该技术在现场应用中具有可行性。     

纳米Fe_3O_4催化剂在稠油水热裂解降黏中的应用

通过高温热解法和低温双相回流法制备了四种不同尺寸的纳米Fe_3O_4催化剂,并将其应用于辽河油田稠油水热裂解降黏实验中。结果表明,制备过程中加入重烷基苯磺酸钠(HABS)表面活性剂能够有效提高Fe_3O_4催化剂在稠油水热裂解体系中的分散性,以高温热解法制备出的HABS修饰的9 nm Fe_3O_4催化剂降黏效果最佳。当稠油量为250 g时,按m(稠油)∶m(催化剂)∶m(油层水)质量比为100∶0.3∶30加入催化剂和油层水,加入0.75 g正作为己烷供氢体,在240℃下反应24 h,辽河油田稠油黏度从86200 mPa·s下降到2065 mPa·s,降黏率高达到97.6%。反应机理分析显示,纳米Fe_3O_4催化剂攻击稠油长链上键能最低C-S键,使其断键,重组分转化为轻组分。     

离子液体催化改质稠油实验研究

研究了离子液体对稠油黏度、组成和平均分子量的影响。结果表明,离子液体对稠油具有较好的改质降黏作用。稠油经离子液体处理后,其饱和烃、芳香烃、胶质质量分数增加,沥青质质量分数明显下降,从而导致稠油的黏度降低,平均分子量减小。研究结果还表明,过渡金属盐改性离子液体对稠油的改质具有催化作用。     

水溶性配合物催化的稠油低温热裂解研究

在一种新型稠油低温裂解催化体系中合成了两个系列10个过渡金属配合物催化剂。该反应体系中水对原油热降解反应有一定的影响,合适的用量水/油(质量比)为0.3。部分合成水溶性催化剂180℃下对稠油热裂解具有明显的催化作用,催化剂N5的降凝作用效果最好,经催化水热降解改质反应后原油的凝点降低11.4℃;催化剂N2和N5的催化降黏效果较好,降黏率可达70%以上,催化剂N5的最佳用量为0.5%;热重分析和气相色谱分析显示原油热催化降解反应后轻质组分明显增加。     

自由基引发剂强化稠油催化水热裂解降黏行为

本文考察了自由基引发剂对胜利油田单56区块稠油样品催化水热裂解反应过程的协同强化作用.在反应温度为220℃,添加0.2 wt%的引发剂——过氧化二叔丁基,使水热裂解后的降黏率由不加引发剂时的61.4%升高到72.7%.此外,在引发剂存在、150℃条件下,降黏率可达到69.0%,表明引发剂的加入可显著提高较低反应温度下的水热裂解效果.对反应前后油样进一步分析发现,反应样品中饱和分、芳香分、胶质和沥青质平均分子量均下降;饱和分、芳香分含量增加,而胶质、沥青质含量下降;胶质、沥青质中氢碳原子比增加,含硫量减少,含氮量变化不大;表明重质组分在水热裂解过程中发生了裂解反应、尤其是含硫官能团在水热裂解中发生了反应;反应样品沥青质及胶质芳香环系的缩合程度降低.实验结果表明,反应过程中稠油重质组分发生了裂解,而且胶质的裂解程度更大,轻质组分含量增加,导致稠油黏度降低、流动性提高,在一定程度上改善了稠油的品质;引发剂可以在较低温度下产生自由基,从而使水热裂解反应在较低反应温度下有效进行.     

纳米Ni催化剂在超稠油水热裂解降黏中的应用研究

采用甲基环己烷水正辛醇AEO9形成的微乳液体系制备纳米金属Ni催化剂,并利用该催化剂催化辽河超稠油的水热裂解反应。研究结果表明, 280℃时纳米金属Ni能够促进超稠油的水热裂解反应。与原超稠油相比,反应后样品的硫质量分数由0.45%降到0.23%,胶质、沥青质质量分数分别降低了15.83%、15.33%;GC-MS分析结果表明,甲基环己烷在改质过程中能够脱氢生成甲苯;C、H元素分析结果表明,反应后样品中胶质、沥青质的H/C原子比增加,说明从甲基环己烷上脱下的氢能够转移到超稠油中。表面活性剂AEO9、水和油,在改质结束后的降温过程中,形成了稳定的油包水型乳液,起到乳化降黏作用;而添加的甲基环己烷、正辛醇均能起到稀释降黏作用;在上述降黏作用的协同影响下,反应后样品50℃时的黏度由原来的139800mPa·s降至2400mPa·s,由此表明,纳米Ni催化剂对辽河超稠油水热裂解降黏的催化效果显著。     

胜利超稠油的乳化降黏机理研究

研究了胜利油田滨南超稠油单56-4X4高黏的内在原因。油品性质分析结果表明,影响其高黏度的主要因素有两个:胶质、沥青质的总含量超过30%;有机杂原子O、N、S及过渡金属Ni等形成的配位络合物增加了沥青质分子的内聚力。实验筛选出的降黏剂OP-10对该超稠油降黏率高达99.59%。通过FT-IR、SEM、分子量和偶极矩等分析对比了降黏剂作用前后胶质、沥青质的结构性质变化,结果表明,OP-10使胶质、沥青质的氢键缔合作用减弱,部分拆散沥青质的堆积结构,从而使胶质、沥青质的分子量和偶极矩减小,分析得到降黏剂分子能渗透及分散胶质、沥青质的堆砌聚集体。偏光显微镜对乳状液及蜡晶微观形态的分析表明,降黏剂OP-10使超稠油乳状液由W/O型反相为O/W型而起到降黏作用;使蜡晶的聚集形态由细小均匀转变为尺寸较大的絮凝体,破坏蜡晶的三维网络结构,促进稠油黏度的下降。     

基于广义阴阳表面活性剂体系对不同黏度区间原油的普适性降黏作用

采用脂肪酸-脂肪胺混合的广义阴阳体系,分别通过水相引入与油相引入两种方式对黏度分布在0.05-155 Pa?s范围内的4种原油进行乳化降黏。针对不同地区原油的组成特点与黏度成因,调整复配体系中脂肪酸-脂肪胺的分子结构,采用不同手段构筑乳状液:对于黏度较低的普通稠油,采用水相引入脂肪酸-脂肪胺复配体系的方法;而对于胶质、沥青质含量极高的超稠油,采用油相引入脂肪酸-脂肪胺复配体系黏的方法。两种方法的降黏率均达到95%-99%,获得较为理想的降黏效果。     

稠油催化裂解前后咔唑类化合物的变化及其催化降黏机理的研究

在稠油族组成分离中,采用低毒试剂正己烷、二氯甲烷、无水乙醇及其混合溶剂,将反应前后已除去沥青质的稠油分离为饱和烃、芳烃和含氮化合物。优化并确立了各步分离条件,用GC-MS对各组分进行检测,了解水热催化裂解降黏前后各组分的变化,剖析了胶质中咔唑类化合物的变化。并结合¹HNMR、元素分析等分析手段,证明稠油经水热催化裂解反应后,重质组分中的含氮组分发生了变化,生成了部分咔唑类化合物, 同时,重质组分的组成和结构也发生了一定程度的改变,其超分子结构在一定程度上遭到破坏,生成二环、三环低环数芳烃和小分子量直链烃。这些变化使得稠油黏度降低。
     

水热裂解开采稠油技术研究的进展

从水热裂解反应、催化作用下的水热裂解反应、反应机理及水热裂解开采稠油现场应用实验等四个方面综述了国内外水热裂解开采稠油技术的研究进展。并对此技术的研究成果及未来发展进行了探讨，认为水热裂解开采稠油技术具有很高的潜在价值，是未来经济高效开采稠油的新途径。当前水热裂解开采稠油技术的主要研究方向是深入研究高温水的特性及其作用；对更多稠油中可能参与水热裂解反应的不同组分，选用合适的模型化合物进行模拟实验或其它方法，建立这些组分的反应热力学和动力学模型库；然后，根据具体稠油中所含的组分，设计水热裂解反应的路线，选择合适的催化剂，促使反应向稠油改质降粘的方向进行。其中，最关键的还是针对不同稠油研制成本低、活性和选择性高、反应条件宽的催化剂，并筛选或研制协同效果好的助剂，进而研究催化剂及其助剂在油层中与稠油作用的机理，设计合理的现场实施技术和工艺。     

流化床热解煤焦油的降黏研究

对循环流化床热电气焦油多联产热解所得煤焦油流动性差的问题采取了一系列的降黏研究。通过X射线衍射测试可以排除室温下蜡结晶影响煤焦油黏度的可能,对比了煤焦油和煤沥青的黏度和族组分差异,考察了喹啉不溶物对软化点的影响,结果表明,采取馏分油降黏是合理的。分别添加四种馏分油对煤焦油进行了降黏实验,通过色谱质谱联机分析馏分油的成分,认为既含亲水基又含憎水基的分子具有很好的降黏效果,而且含量越多降黏效果越好。通过添加四种单组分化合物的降黏实验和分析,进一步验证了所得到的降黏理论,而且可以判断同时含有亲水基和憎水基的分子降黏效果优于只含憎水基不含亲水基的分子。     

稠油在水蒸汽作用下组成变化研究

报道了在水蒸汽作用下辽河油田稠油发生的化学变化,研究结果表明,稠油在水蒸汽作用下,其组成中饱和烃`芳香烃含量增加,胶质沥青质含量减少,粘度下降28%以上.气相色谱分析结果表明,稠油经水蒸汽作用后,其累积炭原子数少于C25的已经达到50.97%,远远超过处理前的17.93%.这为进一步实现稠油井下催化降粘开采提供了依据.