HDCS技術中各因素對超稠油性質的影響

劉 偉，李兆敏，孫曉娜，李賓飛

(1.成都理工大學，四川 成都 610059;2.中國石油大學，山東 青島 266580)

引 言

勝利油田王莊鄭411塊為深薄層超稠油油藏，地面脫氣原油密度為1.0433 g/cm3，油藏溫度(68℃)下地面脫氣原油密度大于1.2×105mPa·s，油藏埋深為1400～1600 m，油層有效厚度約為6～8 m。該區塊自2006年開始經過蒸汽吞吐、SAGD等多種技術的現場試驗，但由于原油黏度大且埋深較深，導致蒸汽注入壓力過高，降低了蒸汽干度，無法實現該區塊的有效開發。在前期研究的基礎上，該區塊運用HDCS技術，實現了超稠油油藏的有效動用，并進入到全面開發階段［1－2］。該區塊利用HDCS技術有效降低了原油黏度和注氣壓力，但由于這屬于1種多元復合吞吐技術，其中各因素在降低原油黏度、改善原油性質方面所發揮的作用、降黏機理和各因素間是否存在協同作用等問題目前尚未明確，因此，有必要掌握HDCS技術中各因素的降黏機理及對超稠油性質的影響，明確其在鄭411區塊超稠油開發中的作用，以對其他類似油藏的有效開發提供一定的借鑒和思路。

原油的流變特性主要取決于原油中氣體和固體物質的含量以及固體物質在原油中的分散程度。原油中的液態組分通常可劃分為烷族、環烷族和芳香族3種類型，固體組分主要是石蠟、瀝青質和膠質［3－4］。稠油與含蠟原油組成上的明顯不同為稠油體系中蠟含量極低(鄭411區塊原油含蠟量為1.59%)，膠質、瀝青質含量較高。稠油高黏度的實質并非石蠟的存在，而是其本身分子(特別是瀝青質、膠質分子)在體系各種力相互作用下所形成的復雜大分子結構［5］。Pfeiffer［6］和 Yen.T.F［7］研究發現稠油體系是1種膠體系統，該認識已得到公認，其中瀝青質為分散相或膠束相，膠質為溶膠劑，油分(飽和分和芳香分)為分散介質或膠束間相，瀝青質通過膠質的分散作用形成液性瀝青溶膠，其中對稠油黏度影響較大的是膠質、瀝青質含量及其結構。目前廣泛采用SARA四組分(飽和分、芳香分、膠質和瀝青質)來表示原油的膠體結構［8］。本文主要通過超稠油的原油組分、化學結構參數及黏度等的變化來分析其降黏機理。

1 實驗原理及方案

實驗通過蒸汽、二氧化碳、降黏劑與鄭411區塊特超稠油的不同組合，評價其單獨或協同降黏的效果。利用柱色譜法分別測定不同組合方案后原油的黏度、四組分含量及膠質、瀝青質分子質量變化情況，然后利用核磁共振測試其中瀝青質的結構參數，以分析其降黏機理。

該方案共設計對比實驗7組(1～7號)，各組組成分別如下:1號原始油樣;2號原油加油溶性降黏劑;3號原油加柴油;4號原油加蒸汽;5號原油加二氧化碳;6號原油加二氧化碳和蒸汽;7號原油加蒸汽、二氧化碳和油溶性降黏劑。反應時間均為120 min，黏度均在60℃下測得。

2 實驗裝置及藥品

實驗藥品:鄭411區塊采出原油，地面脫氣原油60℃下黏度為145169 mPa·s;SLKF系列油溶性復合降黏劑;二氧化碳氣體，純度為99.999%;93號柴油;正庚烷，分析純;甲苯，分析純;石油醚為60～90℃;無水乙醇，化學純;中性氧化鋁，層析用，100～200目。

實驗裝置:油浴鍋、超級恒溫水浴、真空干燥箱、馬弗爐、漏斗、錐形瓶、吸附柱、FYXD0325/400永磁旋轉攪拌高壓釜、VPO K－7000分子質量測定儀、Bruker Avance－500型核磁共振波普儀等。

3 實驗結果與分析

3.1 不同實驗條件下超稠油組分及分子質量變化

鄭411區塊超稠油不同條件下的黏度及四組分變化情況見表1、2。

表1 不同實驗條件下超稠油黏度變化情況

由表1可以看出，4號方案原油與蒸汽作用后，黏度略有升高，其余方案均不同程度降低了超稠油的黏度。由于黏度均為在60℃條件下測得，蒸汽對超稠油的熱力降黏作用并沒有充分體現，且由于油水乳化，導致了其黏度略有升高［9］。

鄭411區塊超稠油與降黏劑、柴油和二氧化碳作用后，其黏度分別降低了56.10%、51.53%和16.60%;超稠油分別與二氧化碳+蒸汽、二氧化碳+蒸汽+降黏劑作用后，其黏度也分別降低了60.12%和84.38%。

表2 不同實驗條件下超稠油組含量變化情況

雖然2號、3號和5～7號方案中鄭411區塊超稠油黏度均不同程度的降低，但上述方案中稠油四組分含量及膠質瀝青質分子質量變化趨勢則有所不同，這也反映了其黏度變化機理的不同。

(1)超稠油與降黏劑作用后，膠質和瀝青質含量分別下降了350和1115，膠質和瀝青質分子質量也分別降低了25.55%和26.80%，說明SLKF油溶性降黏劑對鄭411區塊超稠油中的膠質、瀝青質具有解締作用;柴油對鄭411區塊超稠油的降黏效果非常明顯，但其中膠質、瀝青質的含量及分子質量基本沒有變化，而且在四組分含量測定過程中柴油在300℃之前已經被蒸餾掉，不會影響測量結果，可以看出柴油的降黏作用主要依靠其對超稠油的稀釋，而對超稠油的化學性質基本沒有影響;原油與蒸汽作用后黏度有所增加，但原油四組分及膠質、瀝青質分子質量基本沒有變化，說明蒸汽對原油的化學性質基本沒有影響，黏度變化可能是因為原油經過蒸汽作用后混入了少量的水，產生了原油乳化造成的［9］;原油與二氧化碳作用后黏度稍有降低，但原油四組分及膠質、瀝青質分子質量基本沒有變化，說明二氧化碳對原油的化學性質基本沒有影響，黏度變化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，同時由于溫度和壓力較低，原油原始黏度較大，二氧化碳靠自身擴散作用較難溶入原油，原油黏度變化不大。

(2)稠油+二氧化碳+蒸汽相互作用后，原油黏度降低了60.12%，但原油四組分及膠質、瀝青質分子質量基本沒有變化，說明二氧化碳和蒸汽對原油的化學性質基本沒有影響，黏度變化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，由于溫度和壓力較高，二氧化碳在較高壓力下容易擴散溶解到原油中，原油黏度下降幅度要高于單獨與蒸汽或二氧化碳作用。

(3)稠油與二氧化碳+蒸汽+降黏劑相互作用后，原油黏度降低幅度最大，為84.38%，原油膠質、瀝青質含量明顯降低，同時膠質、瀝青質分子質量也有較大幅度降低，而且比降黏劑與原油單獨作用時效果明顯，說明蒸汽、二氧化碳以及降黏劑的作用是相互促進的，蒸汽的熱力降黏作用使得原油黏度變小，較低黏度的原油有利于二氧化碳和降黏劑的擴散，提高了降黏效果。

3.2 核磁共振分析結果

通過核磁共振波譜法測定瀝青質結構參數。配合油樣的碳氫原子比，可計算油樣的芳香度:

式中:fA為油樣的芳香度;C為油樣中碳原子數;H為油樣中氫原子數;HT為與芳香碳直接相連的氫原子數;Hα為與芳香環的α碳直接相連的氫原子數;Hβ為芳香環的β碳上的氫以及β以遠的CH2及CH基上的氫原子數;Hγ為芳香環的γ位以及γ以遠的CH3基上的氫原子數。

通過式(1)計算得出fA，結果見表3。

表3 核磁共振氫譜測定瀝青質4類氫的分布

假定整個環系均為渺位縮合，且環烷環都是六圓環與芳香環并合，則瀝青質的其他結構參數可根據式(2)～(7)求得:

式中:CT、CA、CN、CP、H1分別為平均分子中的總碳數、芳香碳數、環烷碳數、烷基碳數和總氫數;RT、RA、RN相應為平均分子中的總環數、芳香環數和環烷環數。

根據表3所得數據，按式(2)～(7)計算瀝青質其他結構參數，結果見表4。

表4 瀝青質結構參數

由表4可知:加入降黏劑后，瀝青質分子中fA有所上升，總碳數、芳香碳數、環烷碳數、烷基碳數、芳香環和環烷環數均有所降低，這說明降黏劑具有解締瀝青質的作用，能分離超稠油瀝青質中的部分結構，導致芳香環數量上升;二氧化碳、蒸汽和降黏劑復配使用時，以上參數降低程度最大，說明3種因素協同作用對瀝青質結構的影響最大;而其他形式的處理方式基本不影響稠油瀝青質結構，驗證了柴油、二氧化碳和蒸汽對稠油瀝青質無解締作用。

4 結論

(1)降黏劑、二氧化碳和柴油對鄭411區塊超稠油均有較為明顯的降黏效果，但其降黏機理不同。降黏劑與鄭411區塊超稠油作用后，可以解締瀝青質，導致超稠油中膠質、瀝青質含量和分子質量均呈下降趨勢，瀝青質分子中芳香度上升;且降黏劑與二氧化碳和蒸汽復配使用時，其可以產生協同作用，明顯降低原油黏度，對瀝青質結構的影響也最大。

(2)二氧化碳對鄭411區塊超稠油的降黏機理主要是依靠二氧化碳的溶解，且溫度升高時，二氧化碳溶解性變好，降黏效果也更為明顯。柴油和二氧化碳及蒸汽對稠油的化學性質沒有影響。

(3)油溶性降黏劑對鄭411區塊超稠油的降黏效果明顯，瀝青質含量和分子質量下降幅度較大，對于瀝青質含量較高的超稠油油藏，可以充分利用油溶性降黏劑解締瀝青質大分子的特性，有效降低注氣壓力，提高注氣干度。

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