稠油水熱裂解動態(tài)模擬實驗平臺建設(shè)

王新偉，潘慧達(dá)，楊正大，姜 燁，林日億

（中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東青島 266580）

0 引言

注蒸汽熱采是通過加熱降黏作用開發(fā)稠油／超稠油油藏［1-2］，該類技術(shù)在遼河、新疆、勝利等油田得到推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟效益［3-4］。然而，隨注汽開發(fā)時間的延長，大量油井發(fā)現(xiàn)次生H2S 氣體［5-6］，不但對油井套管、油管及地面采油設(shè)備造成腐蝕，而且嚴(yán)重威脅工人生命安全，給油田生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。研究表明，注汽過程中稠油水熱裂解反應(yīng)是次生H2S氣體生成的主要原因之一［7-8］。目前，我校作為稠油熱化學(xué)課程教學(xué)實驗項目的實驗平臺多為靜態(tài)實驗平臺［9］，難以模擬實際油藏工況下的稠油水熱裂解反應(yīng)，實驗可操作性差且誤差大，無法滿足實驗教學(xué)準(zhǔn)確度和對石油類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求［10-13］。實驗室先前建設(shè)的稠油水熱裂解靜態(tài)模擬反應(yīng)裝置［9］，主要由加熱片、反應(yīng)釜、真空泵、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和產(chǎn)物檢測系統(tǒng)組成，占地面積大，操作復(fù)雜，密封性和熱平衡性差。為維持反應(yīng)釜中油水混合物處于高溫恒溫狀態(tài)，加熱片需要在更高的溫度下長時間工作，且保溫層缺少下底蓋，安全系數(shù)低。實驗時反應(yīng)釜處于靜止?fàn)顟B(tài)，不能模擬油藏中的動態(tài)工況。因此，亟需建設(shè)稠油水熱裂解反應(yīng)動態(tài)模擬實驗平臺。

1 稠油水熱裂解動態(tài)模擬實驗設(shè)計

實驗裝置如圖1 所示，該裝置由熱解反應(yīng)系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)、產(chǎn)物排出及收集檢測系統(tǒng)組成。熱解反應(yīng)系統(tǒng)是整個實驗裝置的核心，由加熱器、保溫層、反應(yīng)釜、內(nèi)襯、緊固螺栓、釜體內(nèi)腔蓋、攪拌裝置、冷卻水系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)通過控制反應(yīng)釜內(nèi)油水混合物的溫度、壓力和攪拌速度，實現(xiàn)稠油水熱裂解動態(tài)反應(yīng)條件的模擬。反應(yīng)物先置于內(nèi)襯中，再放置于反應(yīng)釜內(nèi)，通過緊固螺栓密封，利用加熱器對釜體進(jìn)行加熱，釜體周圍采用保溫層保溫，攪拌裝置實現(xiàn)動態(tài)模擬，冷卻水裝置對攪拌器降溫并輔助維持反應(yīng)釜溫度恒定，反應(yīng)釜最高工作溫度為450 ℃，最高壓力達(dá)12 MPa。

圖1 稠油水熱裂解動態(tài)實驗裝置

監(jiān)測控制系統(tǒng)由程序控溫裝置、測溫裝置、壓力表、安全閥和壓力傳感器組成。控制升溫速度與反應(yīng)溫度的程序控溫裝置位于釜體外部并與加熱棒連接，測溫裝置與釜體內(nèi)腔連接。壓力表與釜體連接，當(dāng)反應(yīng)壓力超過最大壓力時，與壓力表相連接的安全閥打開，流體排出，降低釜體內(nèi)腔壓力，以保證實驗的安全。同時，監(jiān)測系統(tǒng)還可設(shè)定記錄頻率及間隔，全程記錄反應(yīng)過程中的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)。

產(chǎn)物排出及收集檢測系統(tǒng)由進(jìn)氣閥、出氣閥、產(chǎn)物閥、氣體收集裝置、真空泵、冷卻水系統(tǒng)等組成。反應(yīng)釜密封前載氣通過進(jìn)氣閥將釜體內(nèi)部氣體從出氣閥排出。需要真空實驗條件時，由真空泵經(jīng)出氣閥將釜體內(nèi)氣體抽出至真空。反應(yīng)結(jié)束后通過冷卻水系統(tǒng)將反應(yīng)釜溫度迅速降低至室溫，氣相產(chǎn)物經(jīng)出氣閥進(jìn)入氣體收集裝置。同時，反應(yīng)過程中也可提取收集反應(yīng)過程中的產(chǎn)物。實驗要求學(xué)生模擬地層中高溫高壓流動的反應(yīng)環(huán)境，其關(guān)鍵在于不同反應(yīng)條件下模擬反應(yīng)物的制備及實驗后氣相、固相產(chǎn)物的收集與檢測。基于此動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)開展稠油水熱裂解反應(yīng)模擬實驗，將有助于學(xué)生深入認(rèn)識稠油水熱裂解反應(yīng)的影響因素及其次生H2S氣體的生成機理。

2 稠油水熱裂解動態(tài)模擬實驗

實驗要求獲得不同反應(yīng)溫度下稠油水熱裂解反應(yīng)特性，系統(tǒng)地探究反應(yīng)前后稠油組分的變化以及生成產(chǎn)物濃度的變化。實驗過程中需要考慮稠油與水的質(zhì)量比，水質(zhì)成分、升溫速度、反應(yīng)溫度、攪拌器轉(zhuǎn)速、載氣成分及壓力等因素的影響。

2.1 實驗步驟

基于本動態(tài)模擬實驗裝置進(jìn)行稠油水熱裂解反應(yīng)模擬實驗，具體步驟如下：①將30 g 稠油和適量去離子水加入到反應(yīng)釜內(nèi)襯中，反應(yīng)物浸沒攪拌器；②密封反應(yīng)釜并檢測氣密性，通入氮氣吹掃空氣，并使用真空泵將反應(yīng)釜抽真空，重復(fù)3 次充分排出反應(yīng)釜內(nèi)空氣；③向反應(yīng)釜內(nèi)通入1 MPa氮氣作為載氣，100 ℃下預(yù)熱30 min，使稠油黏度降低，設(shè)定攪拌器轉(zhuǎn)速，開啟攪拌器及攪拌器冷卻水；④設(shè)定反應(yīng)溫度200 ℃，升溫速率3 ℃／min，反應(yīng)24 h；⑤反應(yīng)結(jié)束后，停止加熱，將保溫層降下，通過釜內(nèi)U 型冷卻水水管實現(xiàn)釜內(nèi)快速降溫，收集產(chǎn)生的氣體，檢測氣體中H2S 濃度，檢測反應(yīng)后油樣的黏度，計算降黏率；⑥重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一個實驗工況的模擬實驗。

2.2 實驗結(jié)果

實驗過程中實時記錄的攪拌器扭矩和反應(yīng)釜內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，可以間接反映稠油黏度、輕烴氣體產(chǎn)量等隨反應(yīng)時間的變化關(guān)系，如以某次反應(yīng)溫度200 ℃，升溫速率3 ℃／min，攪拌器轉(zhuǎn)速500 r／min 的實驗工況為例，其攪拌器扭矩和反應(yīng)釜壓力隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 攪拌器扭矩和反應(yīng)釜壓力隨時間的變化曲線

由圖2 可見，實驗開始后約1 h 攪拌器扭矩急劇減小，這是由于隨反應(yīng)釜內(nèi)溫度升高，稠油黏度急劇降低所致。實驗1～24 h 為恒溫過程，而攪拌器扭矩隨時間仍然呈近線性下降趨勢，說明該過程中反應(yīng)釜內(nèi)稠油與水發(fā)生水熱裂解反應(yīng)，重組分裂解轉(zhuǎn)變?yōu)檩p組分，原油黏度進(jìn)一步降低。與此同時，反應(yīng)釜內(nèi)壓力隨時間呈先急劇上升后緩慢上升的趨勢，這是由于初期升溫過程，隨反應(yīng)釜內(nèi)溫度的升高，液態(tài)水吸熱迅速氣化為水蒸氣，密度降低，比體積增大，釜內(nèi)壓力急劇升高。反應(yīng)釜內(nèi)溫度恒定后壓力依然呈緩慢上升趨勢，這就說明了稠油水熱裂解反應(yīng)生成了甲烷、二氧化碳、H2S等不凝氣體，隨反應(yīng)時間增加，氣態(tài)產(chǎn)物持續(xù)增加，導(dǎo)致反應(yīng)釜的壓力持續(xù)緩慢升高。

不同模擬實驗工況下，稠油的降黏率和H2S 生成濃度如表1 所示。

表1 不同實驗工況下的實驗結(jié)果

降黏率的比較基準(zhǔn)采用常壓80 ℃下原油樣品的黏度為33.36 mPa·s。不同水油比工況下，原油的降黏率和H2S 生成濃度隨反應(yīng)溫度變化的曲線如圖3所示。不同轉(zhuǎn)速工況下，原油的降黏率和H2S 生成濃度隨反應(yīng)溫度變化的曲線如圖4 所示。

圖3 不同水油比下降黏率和H2S濃度隨溫度變化曲線

圖4 不同轉(zhuǎn)速下降黏率和H2S濃度隨溫度的變化曲線

由圖3 可見，相同的水油比情況下，原油的降黏率隨反應(yīng)溫度的升高基本呈線性增大的趨勢，說明反應(yīng)溫度越高，降黏效果越好，且從降黏率可知高溫段的原油黏溫曲線較為平滑，不同于低溫段原油黏度往往呈現(xiàn)的隨溫度升高指數(shù)降低的趨勢。與此同時，H2S 的生成濃度隨溫度升高而增加，溫度240 ℃以內(nèi)，H2S濃度隨溫度升高呈緩慢增大的趨勢，而溫度高于240 ℃后，生成H2S 濃度增大的趨勢明顯增加。由表1 可見，水油比為0.3 時，反應(yīng)生成的H2S 濃度最大，說明反應(yīng)進(jìn)行程度最深，原因可能是隨著水量的增加，對水熱裂解過程中產(chǎn)生的自由基起到了一定的稀釋作用，影響了反應(yīng)的進(jìn)行。同時考慮到水量增加對水熱裂解中的金屬活性組分的稀釋作用，減緩了反應(yīng)的進(jìn)行。這與文獻(xiàn)［15］中的結(jié)論相符，最佳反應(yīng)的水油比在0.3左右。

由圖4 可見，轉(zhuǎn)速為0 r／min 的靜態(tài)反應(yīng)，無論是H2S濃度還是稠油降黏率都低于動態(tài)反應(yīng)，說明很有可能靜態(tài)反應(yīng)實驗中，水熱裂解反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)物表面，相當(dāng)量的稠油尚未進(jìn)行反應(yīng)。轉(zhuǎn)速為500 r／min的實驗降黏率和H2S 生成濃度較轉(zhuǎn)速為300 r／min有所升高，說明較高的攪拌器轉(zhuǎn)速能夠促進(jìn)稠油與水的接觸，提高水熱裂解反應(yīng)的速率和反應(yīng)程度。

利用本裝置測得的稠油水熱裂解降黏規(guī)律與文獻(xiàn)相同［16-18］，說明了本動態(tài)模擬實驗裝置的適用性和準(zhǔn)確性。本實驗1 MPa載氣工況下，水熱裂解反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)后降黏率越大，280℃反應(yīng)后稠油降黏率甚至高達(dá)92%，可見，溫度對水熱裂解反應(yīng)影響巨大，且水熱裂解反應(yīng)對稠油的降黏作用明顯。

2.3 實驗拓展及預(yù)期效果

基于本動態(tài)模擬實驗平臺，學(xué)生可以自主設(shè)計反應(yīng)物組成、反應(yīng)條件等，用于探索稠油水熱裂解反應(yīng)的影響因素及次生H2S 氣體的生成機理。此外，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下，進(jìn)一步將本裝置用于生物質(zhì)、含油污泥等其他物質(zhì)的熱解特性研究。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以申報科研創(chuàng)新項目，參加全國“挑戰(zhàn)杯”比賽或發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文等。

3 結(jié)語

結(jié)合稠油油田注蒸汽熱采次生H2S 氣體的問題，設(shè)計了稠油水熱裂解動態(tài)模擬反應(yīng)實驗裝置，實現(xiàn)了高溫高壓流動工況的反應(yīng)條件模擬，為探究水熱裂解反應(yīng)影響因素及反應(yīng)機理提供了平臺，豐富了實驗手段，研究結(jié)果對于稠油注蒸汽熱采次生H2S 的治理具有指導(dǎo)意義。研究表明，溫度為水熱裂解反應(yīng)的主控因素，溫度越高水熱裂解反應(yīng)越徹底，攪拌可促進(jìn)水熱裂解反應(yīng)的進(jìn)行。

本文稠油水熱裂解動態(tài)模擬實驗平臺的建設(shè)，是典型的科研成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性實驗教學(xué)資源，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力發(fā)揮了積極作用。