稠油降粘開采技術及研究進展

皮之洋,金 蕾,李得軒,余夢琪

(長江大學,湖北 武漢 430100)

稠油是指地層條件下，粘度大于50mPa·s或在油層溫度下脫氣原油粘度為1000～10000mPa·s的高粘度重質原油。世界上的稠油資源極為豐富，儲量遠超過常規原油。但稠油的膠質、瀝青質含量較高，導致其粘度高，流動性差。解決稠油開采和管輸問題的關鍵是降低稠油粘度，改善稠油流動性、降低摩阻[1]。

目前，國內外用于稠油降粘的技術較多，根據降粘原理、工藝的不同大致可劃分為物理降粘、化學降粘、 微生物降粘以及復合降粘技術。其中物理降粘技術又可以分為熱采法、摻稀油法、超聲波法等多種技術。化學乳化降粘技術以其具有方法簡單、經濟、所需能量少等優勢特點越來越受到歡迎[2]。微生物和復合降粘又為稠油開采提供新的思路。

1 稠油降粘方法研究

1.1 物理降粘

1.1.1 熱采法

稠油對溫度的敏感性比常規原油強，粘度隨溫度升高而急劇下降。熱采法是利用了原油的粘溫性質向油層提供熱能，降低原油粘度的一種方法。一是溫度高于析蠟點時，蠟晶處于溶解狀態，利于原油在儲層中的流動；二是由于溫度的升高破壞了膠質、瀝青質的氫鍵和鍵間的相互作用。傳統的熱處理法有火燒油層法、電加熱法和注蒸汽及注熱水法。近幾年發現的方法有水平井交替蒸汽驅技術(HASD)、井底排水技術(DWS)、水平壓裂輔助蒸汽驅(FAST)和蒸汽與非凝析氣推進(SAGP)技術[3]。

火燒油層是在油層中燃燒部分原油從而產生熱量，在多個井之間將空氣或氧氣在高壓條件下注入油層，并點燃部分原油，通過不斷加熱油藏巖石和流體，使原油蒸餾、裂解，并被驅向生產井的采油方式。

蒸汽驅是將向注氣井中注蒸汽的熱力開采方法。見效、費用回收周期較長。

1.1.2 摻稀油法

利用相似相溶的原理，在原油中加入作為稀釋劑的稀原油(天然氣凝析油、原油餾分油、輕質原油還有苯、柴油等)，稠油粘度會降低，流動雷諾數增加。摻稀油后的稠油粘度規律符合下面的公式：

lglgμ油=xlglgμ稀+(1-x)lglgμ稠

式中：μ油、μ稀、μ稠分別為混合油、稀油、稠油在相同溫度時的粘度，單位為mPa·s；x為稀油的質量分數。因此可以通過控制稀油加入的量即可達到理想效果。

稀油能降低混合油密度，降低井筒靜壓損失，但混合后油質也會有影響。摻稀油降粘有幾點影響因素:混合溫度應高于混合油的凝固點 3～5℃,稀原油摻入前先脫水并且摻入的稀油與稠油的相對密度、粘度差異越大越好。摻入的量還需要綜合考慮經濟可行性，因此不適用稀油含量少的區塊油藏。

1.1.3 超聲波法

西方一些發達國家在超聲波領域的研究已取得成果，國內專家也將超聲波運用到降粘實驗的研究。超聲波在液體媒質傳播過程中傳遞能量產生空化作用、乳化作用、機械振動作用以及熱效應起到降粘的作用，使原油組分改變。稠油經過超聲波處理之后，分子結構發生不可逆的變化，稠油粘度降低，但缺點是降粘率不高、僅應用于近井地帶[4]。

1.1.4 其他方法

超臨界CO2降黏原理與摻稀油類似。CO2容易達到超臨界狀態，密度接近液體而粘度接近氣體——很低。

CO2溶解后能稀釋稠油，同時破壞膠質瀝青質分子結構，降低粘度，CO2驅實驗研究已形成一定規模[5]。

磁處理降粘技術近年發展較快，磁場靠近抗磁性的稠油時，磁化作用誘導產生磁矩，抑制蠟晶形成，使膠質瀝青質近程有序排列，降低粘度。缺點是磁處理作用時間短暫，誘導磁矩隨時間延長而衰減，大約4小時后，稠油性質恢復[6]。

1.2 化學降粘

1.2.1 改質降粘

普通稠油分子間的作用力較大，改質降粘就是通過催化裂化、熱加工等除碳加氫過程可以將重油分子打斷成小分子。這種方法降粘效果較好，但處理量小。分子篩催化劑具有活性高、抗毒性好、壽命長、成本低的特點，是值得關注的稠油裂化催化劑。改質降粘技術在稠油開采技術中相對成熟，稠油經改質后獲得的副產品渣油可以用來加熱鍋爐產生蒸汽進行蒸汽吞吐等。

1.2.2 納米性乳化降粘

納米材料的特殊性質可以作為乳化降粘助劑，具有很強的乳化原油和改變油層巖石潤濕性的能力，稠油含有大量蠟質、膠質、瀝青質等大分子有機物及少量重金屬，而納米粒子的加入可以破壞蠟質原有的三維網狀結構；并且通過和降粘劑的復配可在膠質，瀝青質的表面形成溶劑化層，阻止了蠟晶之間的網狀結構和膠質，瀝青質的堆砌結構的形成，調整稠油的析蠟點、蠟質結晶速度，從而降低了原油粘度。在表面活性劑上加入一些改性納米材料進行復配，水、油、表面活性劑和助表面活性劑一起形成具有熱穩定性和各向同行的納米乳液。所以納米性乳化降粘劑在延長稠油油井生產周期、提高產油量領域具有一定的發展前景。

張宏民[7]采用硅烷偶聯劑KH550和十八酸在溶劑乙醇中與納SiO2進行兩步反應，制備了納米KH550-C18/SiO2復合材料降粘劑。改性后的納米復合材料團聚現象明顯減輕，在有機溶劑中表現出很好的分散穩定性，由親水疏油變為疏水親油，有機成分的接枝率達25.9%，具備了在稠油中應用的前提。

1.2.3 自乳化降粘

自乳化降粘驅油是針對普通稠油的一種比較新的開采技術，其降粘、驅油機理是在一定溫度條件下，依靠地層滲流，在乳化過程中不需外界做功，只靠乳化劑本身作用，與地下油藏稠油發生自乳化作用，或者將油包水型乳狀液轉變成粒徑小于巖石孔道直徑(通常為1～50μm)O/W型乳狀液，大幅度降低稠油粘度，變滑動摩擦為滾動摩擦，使分散的球狀液滴更容易被驅替出來，在孔隙中阻力減小。乳狀液增強稠油在地層中的流動性，使原油可以在無毛管壓力的情況下被開采出，從而提高稠油采收率、采油速率及綜合經濟效益。自乳化降粘驅油由于無需劇烈攪拌，因此易于施工。

康萬利等[8]對不同乳化降粘劑的乳化效果進行評價，結果表明,自發乳化降粘劑NS既具有親水基，又具有親油基，可以在油藏固相界面吸附，減少內摩擦力，在質量分數為2%的條件下，實驗溫度設置為45℃,適合埋藏淺的稠油區塊，可將油水界面張力降至10-3mN/m數量級以下,并可完全自發乳化等體積的永平油田稠油，測得降粘率達99.74%。

1.3 微生物降粘

微生物降粘技術是指微生物代謝過程中會產生表面活性劑或有機酸，這些物質可以降低稠油的粘度和凝固點，改善原油的性質和溶解能力，有利于原油的流動。微生物以碳氫化合物為食將大分子降解為中短鏈烴，產生生物聚合物將固結的原油分散成滴狀；另一方面，微生物中產氣菌生成CO2、N2、H2等氣體，溶解后使原油膨脹降粘并降粘。該技術成本低、適應性強、實施方便、后續處理環保可行，是一種非常重要的新興三次采油技術。但微生物驅存在局限性：只對普通油藏效果較好，而對膠質瀝青質含量比較高的超稠油或者是特稠油油藏降粘開采效果并不理想，因為降解作用沒有充分發揮；微生物產生的表面活性劑和聚合物本身有沉淀的危險性；菌種的篩選和培養條件不容易把握；微生物結構在高溫、鹽度較大、高重金屬離子條件下易于遭到破壞。

1.4 復合降粘

稠油復合降粘技術就是綜合利用上述物理，化學，微生物等降粘技術，將兩種或兩種以上技術結合應用。其中，熱/化學降粘技術主要是利用蒸汽和表面活性劑，蒸汽提供的熱明顯的降低了稠油的粘度，在化學劑的作用下進一步提高采收率同時有利于蒸汽的注入和擴散；微生物/化學降粘技術則是由于微生物作用使油藏生態環境發生變化，注入化學劑共同作用使流體性質明顯改善，有效地提高了原油采收率；降粘劑/降凝劑復配技術復配原因是降粘劑和降凝劑由于溫度的影響對降粘效果有很大不同，因此具有互補優勢，普適性得到提高；油溶/乳化復合降粘技術主要是利用乳化劑將油溶性降粘劑包圍，形成類乳液，當破乳后油溶性降粘劑與稠油作用，從而降低粘度。

2 稠油降粘劑及機理研究

2.1 水溶性降粘劑

作用機理：采用水溶性良好的表面活性劑溶于水配制成一定濃度的水溶液，添加到稠油中，借助溫度和壓力的變化產生的攪拌，如溶解氣從稠油中釋放出來時產生的渦流作用、泵的渦流作用、整個油井流體在油管內的混合流動作用[9]，達到乳化降粘效果。乳化降形成的液滴流動到孔道窄口時遇阻變形，前后端液面曲率不相等，形成"賈敏效應"，液滴對于高滲透地帶起到封堵作用，迫使后續水驅改向，在一定程度上改善油藏非均質性；乳化降粘劑能降低油水界面張力，提高洗油效率。

常用的水溶性乳化降粘劑有陰陽離子型、非離子型，且各自適用的功能特點不同。離子型降粘劑具有發泡性低、易形成低粘度乳狀液等優點;非離子型降粘劑能抵抗高礦化度。通常它們之間的復配體系使用得更多、廣泛。李芳田等[10]經過復配和篩選,制得陰離子/非離子表面活性劑復配體系。既可以提高非離子型的濁點(表面活性劑析出，溶液變渾濁時的溫度)和陰離子型的抗鹽性，又可減少原料，形成穩定的 O/W 型乳狀液所需降粘劑的總量少。當復配體系加量0.3%時，對東辛油田不同區塊稠油(含水量25%)的降粘率達95%以上，沉降脫水率達90%以上。

2.2 油溶性降粘劑

作用機理：油溶性乳化降粘劑能形成穩定的O/W 乳狀液，破乳后起到降粘的作用， 而且分子中的氫鍵滲透、分散進入膠質和瀝青質片狀分子體系。油溶性降粘劑是在降凝劑基礎上發展起來的一項新技術，它在結構上引入了極性較大或具有表面活性的側鏈，阻止小聚集體和蠟晶的產生。

王婉青等[11]總結了以下幾種類型的油溶性乳化降粘劑：縮合物型，這類化合物是最早的油溶性降粘劑，主要用于潤滑油降凝降粘。不飽和單體共聚物或均聚物型，主要是二元共聚類和三元共聚類。高分子表面活性劑型，這類化合物分子量大，既有聚合物的特點，又有一定的表面活性。

2.2.3 常用乳化降粘劑

據吳信朋[12]、劉忠運,李莉娜[13]等，乳化降粘劑朝著復配、耐溫性、聚合物型、易脫水型方向發展。

(1) 復配型乳化降粘劑是根據協同作用原理以復配型配方為多。非離子型和陰離子型降粘劑可以復配增強表面活性，納米材料可以作為助劑與降粘劑復配等。

(2) 耐溫型乳化降粘劑，對深井稠油的開采 (如塔河稠油,輪古稠油)、注蒸汽+乳化降粘劑開采工藝，要求降粘劑耐高溫不容易降解；對于直接乳化降粘開采的油區，因低溫而要求降粘劑具有耐低溫的特性。部分耐溫型乳化降粘劑耐高溫260～300℃，耐低溫15℃。

(3) 聚合物型乳化降粘劑，共/縮聚物是由表面活性劑和具有某些特點的基團而合成的，是一些能發揮特定功能的新型乳化降粘劑，且效果明顯。

(4) 易脫水型乳化降粘劑發展勢頭很好。為易于脫水，一般乳化降粘劑需要達到以下幾個要求：①易于破乳，否則后續污水處理工藝流程復雜；②在一定時間后乳狀液會自動沉降脫水，速度快；③熱敏性，在改變溫度后即可脫水。

3 稠油降粘性能評價方法

3.1 靜態降粘

稠油降粘評價方法主要在燒杯、試管中計算乳化降粘達到平衡時的粘度。計算公式如下：

f=μo-μ/μo

式中，f為降粘率;μo為稠油油樣粘度;μ為加入降粘劑后稠油乳液的粘度。該技術可以定性評價室內容器條件下降粘劑的稠油降粘效果，但是完全脫離了油藏實際情況。實際油藏流體的多孔介質環境與Q/SHCG65-2013《稠油降粘劑技術要求》的條件不同，所以靜態評價方法使用起來不夠準確。化學驅普通稠油動態降粘評價方法則解決了以上技術問題。

3.2 動態降粘

在靜態降粘評價方法的基礎上,設計動態降粘評價裝置,通過控制注入壓力，監測流量變化，根據達西定律，測定油水乳狀液在多孔介質中的粘度。

相關技術參數控制在壓力為0～0.3MPa，溫度范圍:室溫～90℃，轉速范圍：0～1000r/min，儲液容積：300mL，填砂管尺寸：直徑2.5cm，高5cm，易于實現。

此外，郭蘭磊等[14](專利E21B43/22)公開了一種化學驅普通稠油動態降粘評價方法，該評價方法選用冪律流體模型，通過混合模擬油與降粘劑溶液(體積比)，確定非牛頓指數n和不同含水飽和度條件下水相的相滲透率，通過室內滲流物理模擬試驗確定降粘劑與普通稠油混合體系滲流速率v與壓差ΔP，計算多孔介質中流體的稠度系數K和毛管等效半徑r，計算剪切速率和油水混合流體的表觀粘度η，確定普通稠油動態降粘率。該化學驅普通稠油動態降粘評價方法能夠彌補靜態降粘的不足。

4 結論

(1) 稠油降粘開采技術方式呈多樣化發展：物理降粘包括熱采法、摻稀油法、超聲波法等，化學降粘包括改質降粘和乳化降粘等，微生物降粘也能起到一定作用，復合降粘則是綜合應用多種原理。

(2) 水溶性乳化降粘劑能形成O/W乳狀液，另一方面油溶性乳化降粘劑分散膠質、瀝青質聚集體，都能降低稠油粘度。

(3) 稠油降粘評價方法尚不完善，在靜態降粘評價基礎上發展起來的動態降粘驅油評價在逐步發展中。