稠油地下改质开采技术及发展趋势.pdf

化工学报 2020年 第71卷 第9期 |, 2020, 719 4141-CIESC Journal 稠油地下改质开采技术及发展趋势 孙盈盈 1， 2，周明辉1， 2，黄佳1， 2，江航1， 2，杨济如1， 2，樊铖3 （1中国石油勘探开发研究院采收率研究所，北京100083； 2 提高石油采收率国家重点实验室，北京100083； 3北京理工大学化学与化工学院，北京 100081） 摘要 稠油作为全球重要的非常规原油资源，是保障我国能源安全、重大工程需求的重要资源。目前常规的热 采稠油油藏陆续进入开采后期，高能耗、高污染、高成本问题日趋严重，亟需依靠技术换代实现开发方式升级。 稠油地下改质是通过向油藏中注入改质催化剂，使其与稠油发生化学反应，实现稠油地下不可逆降黏并高效采 出的一种开采方式，是近十年来最受瞩目的下一代稠油开采技术之一。本文从技术机理、改质催化剂及开采效 果影响因素三方面阐述了技术内涵，通过系统调研国内外相关学者和企业的代表性成果，按照催化剂种类、反 应温度和降黏效果等进行综合性分类统计，对比了现有矿场试验的开采方式和采油效果，指出制约技术应用的 两个关键问题，并展望了技术未来发展方向。 关键词 稠油；地下改质；黏度；催化剂；反应 中图分类号 TE 357文献标志码 A 文章编号 0438-1157（2020）09-4141-11 Research progress and development tendency of heavy oil in-situ upgrading technologies SUN Yingying1,2, ZHOU Minghui1,2, HUANG Jia1,2, JIANG Hang1,2, YANG Jiru1,2, FAN Cheng3 1EOR Department, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, CNPC, Beijing 100083, China; 2State Key Laboratory of Enhance Oil Recovery， Beijing 100083, China;3 School of Chemistry and Chemical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China Abstract As an important unconventional crude oil resource in the world, heavy oil is a significant resource that guarantees country􀆳s energy security, and major engineering needs. At present, heavy oil reservoirs which currently developed by conventional thermal recovery technology are entering the later stage of recovery. The problems of high energy consumption, high pollution and high cost in those reservoirs are becoming more and more serious, so it is in urgent need of recovery technology upgrading. In-situ upgrading of heavy oil is an irreversible reduction of viscosity in the reservoir, which is recognized as one of the most remarkable next-generation heavy oil recovery technologies in recent decade. This paper expounds the technical connotation from the technical mechanism, the modification catalyst and the effect of the production. Based on a large number of representative achievements of major research institutions and enterprises in domestic and overseas, comprehensive classification statistics were conducted on related researches of domestic and overseas according to the type of catalyst, reaction temperature and 􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀦃 􀤃􀤃􀦃 􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀦃 􀤃􀤃􀦃 综述与专论 DOI10.11949/0438-1157.20200498 收稿日期2020-05-06修回日期2020-07-15 通信作者樊铖 （1988） ， 女， 博士， fancheng 第一作者孙盈盈 （1986） ， 女， 博士， 工程师， sunyingying 基金项目中国石油天然气股份有限公司科技重大专项 2019A-0909 引用本文孙盈盈, 周明辉, 黄佳, 江航, 杨济如, 樊铖. 稠油地下改质开采技术及发展趋势[J]. 化工学报, 2020, 719 4141-4151 CitationSUN Yingying, ZHOU Minghui, HUANG Jia, JIANG Hang, YANG Jiru, FAN Cheng. Research progress and development tendency of heavy oil in-situ upgrading technologies[J]. CIESC Journal, 2020, 719 4141-4151 第71卷化工学报 viscosity reduction effect. Existing field tests are compared by the production and production effect. Aiming at two key-restricting problems, the next development direction is put forward. Key words heavy oil; in-situ upgrading; viscosity; catalyst; reaction 引言 我国国内及海外稠油权益储量已达百亿吨规 模。这些稠油资源主要采用热降黏衰竭式开采， 如 蒸汽驱和蒸汽吞吐， 受油藏埋深、 油层厚度限制应 用范围窄， 资源利用率低。开发后期油汽比往往降 至0.15甚至0.1以下， 接近采油的经济极限， 但仍有 6075以上的储量滞留地下。针对稠油高黏度 特性，“高投入， 高污染， 低产出， 低效率” 的传统热 采开发方式实属无奈之举， 因此 “节能降耗、 经济环 保” 已被国内外公认为下一代稠油开发技术的主要 攻关方向。 稠油地下改质是通过向油藏中注入化学剂与 稠油发生化学反应， 实现稠油地下不可逆降黏并高 效采出的一种开采方式， 是近十年来最受瞩目的下 一代稠油开采技术之一， 有望从根本上解决稠油在 开采、 集输与炼化等环节能耗、 投资与环境问题。 中石油、 埃克森美孚、 壳牌和雪佛龙等大型石油公 司先后开展了相关研究， 在工艺、 催化剂和数值模 拟等领域取得了突破性的进展， 并开展了数个矿场 试验。但稠油地下改质技术尚处于起步阶段， 制约 技术发展的主要问题在于技术应用成本相对较高 和地下改质反应效率较低。本文将从技术主要研 究成果、 应用效果， 面临的瓶颈问题和技术发展方 向四个方面进行综合性论述。 1地下改质开采技术 地下改质技术是以油藏岩石的多孔介质为反 应器， 在地层条件下实现原油催化改质， 不可逆地 大幅降低原油黏度。此项技术的优点在于通过实 现稠油在油藏条件下的改质降黏， 同时解决了稠油 开发过程中采出程度低和运输炼化成本高两大难 题。与传统的热采方法相比， 实现了全产业链能量 一次利用和降耗减排， 显著提高采收率的同时也可 为产出原油的运输和处理节约大量成本。地下改 质技术的开采机理是实现 “地下炼油” ， 在油藏条件 下将稠油改质为易于流动的低黏原油后再进行开 采； 稠油地下改质开采技术的核心是改质催化反 应； 地下改质效果的影响因素为地下改质反应规模 和改质降黏效果。 1.1地下改质开采机理 地下改质技术的开采机理是通过实现地下的 稠油改质催化反应， 将油藏条件下难以流动或不具 备流动性的稠油改质降黏为在生产压差下可以流 动的原油并采出， 其中稠油的降黏机理包括稠油在 改质催化反应后发生的不可逆化学降黏和改质后 的原油与原始稠油相互稀释、 溶解的物理降黏。图 1中给出了常用的蒸汽吞吐方式实施地下改质技术 的开采机理， 技术的应用方法是通过向地层注入改 质催化剂， 利用蒸汽、 电磁等方法加热油藏提供改 质化学反应的基础温度来实现稠油的地下改质， 在 经历一系列复杂的化学、 物理反应后， 可在正常的 生产压差下实现稠油的开采的同时油品质量亦得 到了明显改善， 稠油地下改质催化反应发生的必要 条件是催化剂、 反应物和反应基础温度， 其中反应 物包括注入体系中供氢剂等化学药剂及稠油中长 链烷烃、 芳香烃、 胶质等组分。注入的改质催化剂 必须与稠油充分接触且周围环境温度达到化学反 应的门槛温度后才会发生改质催化反应。因此， 高 效的改质催化剂是反应的核心， 实现催化剂在油藏 中充分分散的注入工艺和大规模油藏加热方法是 改质反应降黏效果的保障。 稠油催化改质反应的原理是在地层条件下， 稠 油中的大分子在高温和催化剂作用下发生化学键 的断裂变成小分子， 一方面通过减少C22以上烷烃、 胶质和沥青质等重质组分含量， 增加C21以下烷烃、 芳香烃等轻质组分含量， 降低原油平均分子量； 另 一方面是发生脱硫、 脱氮反应， 降低原油中杂原子 含量减弱其分子间作用力， 以此实现稠油的大幅度 不可逆降黏[1-13]。对稠油改质降黏机理的研究是催 化剂研发的基础， 目前室内实验实际发生的降黏化 学反应缺乏关键理论数据支撑， 因此目前改质催化 剂的结构设计大多只能依靠经验或尝试， 而不能从 分子反应角度有针对性地设计高效催化剂。相信 稠油改质降黏理论研究的突破会大幅度提升催化 剂性能。 4142 第9期 1.2改质催化剂 目前， 稠油改质常用的催化剂可分为三类 水 溶性催化剂、 油溶性催化剂和纳米级催化剂。各类 催化剂成分、 溶解性以及制备工艺的不同， 将决定 其催化改质的性能和应用成本的差异。 （1）水溶性催化剂 Clark等[1-6]最早提出水热裂解反应过程中， 水溶 性过渡金属盐可促进稠油中含硫化合物发生分解， 生成烃类、 CO2、 H2和H2S等。Fe、 Ni、 Zn、 Mn等水溶 性过渡金属无机盐催化剂和过渡金属羧酸盐类、 磺 酸盐类的油溶性催化剂被广泛应用于稠油改质降 黏实验中。张洁等[14]和范洪富等[15]研究了一系列水 溶性过渡金属配合物催化剂的改质降黏效果， 降黏 率可达70以上。水溶性催化剂的优点是价格低 廉， 能很好地融入水相便于混合注入。但此类催化 剂水溶性的特点决定其多作用于油水界面， 与油相 不能充分融合， 导致催化效率较低。 （2）油溶性催化剂 油溶性催化剂主要为有机酸与Fe、 Ni、 Co、 Va等 过渡金属离子形成的有机酸盐。樊泽霞等[16-17]发现 油溶性催化剂比同类水溶性催化剂的催化效率更 高。成浪等[18]和冯旭阳等[19]研究了油溶性催化剂对 原油的改质降黏效果， 其中冯旭阳等[19]使用 0.4 （质量） 的磺化型有机酸铁催化剂在220℃条件下反 应24 h， 降黏率可达96.3， 对比反应前后胶质、 沥 青质含量降低约10.7。油溶性催化剂比同类水溶 性催化剂的催化活性高， 同时油溶性催化剂可以更 好地溶解在原油中， 与油层亦具有良好的配伍性， 极大提升了催化效率， 成本相对较低。但溶解了油 溶性催化剂的原油会增加后续原油处理和炼化的 难度， 同时这类催化剂很难通过水相注入到油藏 中， 通常需要加入助溶 （分散） 剂， 对注入工艺要求 较高。针对油溶性催化剂在注入中出现的问题， 有 学者在其催化剂分子结构或注入体系中做出了优 化。Tang等[20-21]合成了一种高分子聚合物双功能降 黏催化剂， 通过聚合物负载过渡金属离子改善了催 化剂溶解性， 催化剂可以改质降黏的同时还具备良 好的物理降黏功能。聚合物催化剂梳型的分子结 构可以有效分散胶质、 沥青质中的芳香片层， 减少 其堆积和聚集。吴川等[22]合成了一种双亲型催化 剂， 通过核磁共振等多种手段综合分析改质前后原 油样品， 发现双亲型催化剂同时具有促进裂解和抑 制聚合反应的作用， 从而实现稠油降黏效果。黄佳 等[23]采用油溶性催化剂环烷酸铁与水溶性催化剂硝 酸铁复配成为双亲催化改质体系， 双亲体系增加了 改质体系的溶解性， 利用协同作用将油溶性催化剂 的改质降黏率由56.29提高至97。但催化剂双 亲结构的稳定性难以控制， 会出现亲油亲水不平 衡， 双亲复配体系在油藏运移过程中容易发生组分 分离， 体系中油溶性和水溶性催化剂间的浓度变化 会影响改质效果。 （3）纳米级催化剂 纳米型催化剂是借助其特有的巨大比表面积 特性， 使其具备催化改质作用的同时还具有强表面 吸附性、 双亲性、 强渗透性等纳米级颗粒的尺寸效 应， 其中纳米镍的催化改质效果最为突出， 是纳米 型催化剂主要研究方向之一[11]。李彦平等[24]利用液 相还原法制备了双功能型镍、 钯及镍钯合金纳米晶 催化剂， 经过一系列正交实验发现最佳改质反应条 件 反应温度240℃、 催化剂浓度0.2 （质量） 、 供氢 图1蒸汽吞吐方式实施地下改质技术机理示意图 Fig.1Mechanism schematic diagram of heavy oil in-situ upgrading technologies implemented by steam huff and puff 4143 第71卷化工学报 剂浓度5 （质量） 和反应时间24 h， 降黏率最高可达 91.3。周明辉等[25]通过微乳液法制备并表征了纳 米过渡金属催化剂， 并在室内开展了纳米催化剂辅 助的超稠油注空气改质吞吐实验， 氧化改质降黏率 最高达99.86； 还研究了表面活性剂对微米级催化 剂改质的影响， 发现额外添加表面活性剂可以将改 质温度从 300℃降至 240℃， 改质速率提高 47， 注 空气驱的产油量提升 40。纳米型催化剂能够充 分与水相和油相接触， 反应效率高， 非均相的纳米 颗粒在采出之后便于分离， 可以实现催化剂的循环 使用。纳米金属催化剂的制备广泛采用基于液相 的方法， 具体有模板法、 结晶法、 还原法、 微乳液法 等多种方法[26-30]， 其中适宜大规模生产的是微乳液 法， 一般采用油溶性金属盐在水中微乳化分散后加 入还原剂形成纳米级金属单质。纳米级催化剂对 制备条件和药剂选择要求苛刻， 工业化应用过程中 难以保证注入体系的均匀性和稳定性， 成本高， 配 注工艺要求高。 评价改质催化剂性能的关键指标为反应温度 和降黏率， 反应温度越低、 降黏率越高则地下改质 反应效率越高， 采油效果越好。表1根据催化剂类 型、 改质反应温度和降黏效果整理了目前国内外相 关学者的研究成果， 可供同行业根据实际需求进行 选择和参考。虽然各实验条件和催化剂种类不同， 无法直接比较， 但为了更好地展示各类催化剂的改 质效果， 将实验原油黏度大于2000 mPas的室内研 究成果绘制成图2， 其中蓝色虚线示意水溶性催化 剂的平均降黏率， 而绿色虚线示意油溶/纳米型催化 剂的主流改质效果随温度变化趋势， 可见实验温度 在240℃以上时， 油溶性和纳米级催化剂降黏率平 均可达96以上。其中冯旭阳等[19]、 吴川等[22]和周 明辉等[25]的室内实验可以在240℃以下实现96以 上的降黏率， 改质效果相对较好。 1.3开采效果的影响因素 地下改质开采效果取决于地下改质反应规模 和稠油改质降黏效果， 因为二者决定了稠油的发生 改质降黏的总量和平均黏度。参与改质降黏的原 油越多、 平均原油黏度越低， 地下改质技术的开采 效果越明显。 1.3.1地下改质反应规模影响因素地下改质反 应的规模是指油藏中发生参与催化和降黏反应的 稠油总量， 是衡量稠油地下改质开采技术成功的关 键指标。在相同油藏条件下， 油层中改质反应规模 越大， 也就是参与改质降黏原油总量越多， 增产效 果越明显。地下改质反应规模主要受改质催化剂 与原油接触效率和改质催化反应温度腔大小决定。 表1国内外稠油地下改质催化相关研究室内实验效果 Table 1Laboratory experiment results of underground catalytic modification at home and abroad 催化剂类型 水溶性 油溶性 纳米级 研究者 2014年， 张洁等[14] 2001年， 范洪富等[15] 1990年， Clark等[6] 2020年， 黄佳等[23] 2019年， 成浪等[18] 2018年， 冯旭阳等[19] 2016年， 唐晓东等[31] 2015年， 李芳芳等[32] 2015年， Tang等[20] 2012年， Zhang等[33] 2010年， 吴川等[22] 2019年， 李彦平等[24] 2017年， 周明辉等[25] 2016年， Franco等[34] 2016年， Carlos等[35] 2014年， Luky等[36] 2007年， 李伟等[37] 改质反应温度/℃ 180 240 400 250300 240 220 365 204 240 300 200 240 240 240 320360 200 280 原油黏度测试 温度/℃ 45 80 39 50 50 50 50 45 50 50 50 50 50 25 40 60 50 改质前黏度/ mPas 18000 89357 2140 21400 13200 81400 17460 213.8 12700 650 61500 2688 120000 37400 572000 6094 139800 改质后黏度/ mPas 4500 23654 520 652 5121.6 3000 125 76.3 1966 285 2300 235 248 15400 8619.5 1158 2400 降黏率/ 75 73.5 75.7 96.9 61.2 96.3 93 65.3 84.5 56 96.3 91.3 99.8 59 98.4 81 98. 3 注 表中文献按发表顺序排列。 4144 第9期 （1） 改质催化体系与原油接触效率注入的改 质体系与地层深部的原油充分接触才能发挥其催 化改质作用， 这是发生地下改质催化反应的基础条 件， 化学剂注入量和油层非均质性决定了改质催化 体系的波及范围。目前的矿场试验多采用吞吐的 注入和生产方式[11]， 仅能保证油水界面和化学剂波 及区内的原油与催化改质剂充分接触， 注入化学剂 如何能深入油藏内部充分分散在未波及区内的富 集原油中是地下改质技术以及传统化学驱技术共 同面临的难题。油溶性和纳米级催化剂在油相中 的溶解、 扩散作用和先进的配注工艺有利于提高改 质催化剂与原油的接触效率。 （2） 地下改质催化反应温度腔稠油改质催化 反应需要较高的基础温度， 油藏加热后以基础温度 为界， 大于和等于这个温度的油层范围可以定义为 地下改质催化反应温度腔， 此腔的大小决定了油层 中发生改质催化反应的范围。地下改质反应温度 腔的大小取决于催化改质剂的反应温度门槛和油 藏加热方式。相同的油藏加热条件下， 改质催化反 应温度门槛越低， 地下改质催化反应温度腔范围相 对越大， 同时提升油藏温度的难度越低， 消耗能量 越少。油藏的加热热源主要为蒸汽、 电磁和微波 等， 其中蒸汽的加热能力最强， 最高温度可达 270℃， 电磁加热约为150℃。直井加热与水平井加 热相比， 后者的超长水平段建立的加热温度范围更 大。因此， 可以通过降低改质催化剂反应温度门槛 和水平井加热的方法扩大地下改质催化反应温 度腔。 1.3.2改质降黏效果影响因素Clark等学者[6,38-53] 研究了改质反应条件对降黏效果的影响， 在不同类 型催化剂和不同实验条件下， 统一认为供氢剂、 反 应时间和温度均对降黏率有很大影响， 影响规律研 究结果也比较一致， 具体的影响规律见理论示 意图3。 （1） 供氢剂催化裂解反应中， 供氢剂的加入 可显著提高改质反应降黏率[40-42]， 也可保障反应后 实现不可逆降黏。水热裂解反应中水被认为是供 氢剂， 因此反应过程中的油水比会影响降黏效果。 于波[38]认为水质量分数在40以内， 含水量的增加 会加剧水热裂解反应。更为高效的四氢化萘、 甲 烷、 甲酸、 甲酸甲酯、 二氢蒽、 醇类和环烷基直馏柴 油等陆续被应用为改质反应的供氢剂， 一般供氢 剂的使用浓度为27 （质量） 。刘永建等[42]以有 机镍为催化剂， 以甲酸为供氢剂， 280℃条件下反 应 24 h， 甲酸的加入浓度 0、 3 和 7 对应的降黏 率分别为 64.7、 71.7 和 87.0， 可见供氢剂的加 入对催化改质效果影响。虽然供氢剂种类繁多， 但考虑成本、 施工难度等因素， 水仍是应用最广泛 的供氢剂。 （2） 反应时间在某一反应时间内， 改质反应 程度会随着时间的增加而逐渐加剧， 将这一时间定 义为充分反应时间， 它与催化剂浓度、 改质温度和 催化剂种类关系紧密。充分反应时间内， 反应时间 越长降黏率越高。赵法军[43]实验证明240℃稠油和 水的热裂解充分反应时间在24 h以内， 最佳反应时 间为 1836 h。唐晓东等[31]在 365℃条件下， 使用 0.12 （质量） 的石油酸铁作为催化剂， 充分反应时 间为40 min。李彦平等[24]在240℃条件下， 使用0.2 （质量） NiO纳米晶催化剂， 充分反应时间约为16 h。 （3） 反应温度催化剂充分发挥作用需要一个 反应门槛温度， 它与催化剂本身密切相关， 反应温 度必须大于这一温度才能产生大幅度降黏效果。 同样存在一个充分反应温度， 实验温度在反应门槛 温度和充分反应温度之间， 反应温度越高越有利于 稠油改质降黏； 实验温度大于充分反应温度， 则原 油黏度下降不明显。表1中详细列出了不同类型催 化剂的稠油催化改质实验温度， 最常用的室内实验 温度为240℃。但考虑到现有技术对油藏的加热能 力和地质条件， 蒸汽加热结束油层中200℃以上温 度范围很难维持2 d以上的时间， 因此， 中低温 （低 于200℃） 条件下的改质降黏率应该成为催化改质 剂筛选的重要条件。 图2国内外地下改质催化相关研究室内实验温度和 降黏率统计 Fig.2Statistics of laboratory temperature and viscosity reduction of underground catalytic modification 4145 第71卷化工学报 综上， 稠油地下改质技术经过30余年的发展， 在技术机理和改质催化剂性能方面取得了较好的 进展， 其中油溶性和纳米级催化剂室内实验降黏率 平均可达到96以上， 供氢剂加入和反应时间、 温 度等反应条件的优选可以进一步保障改质降黏效 果。地下改质开采效果取决于地下改质反应规模 和稠油降黏效果， 因此， 地下改质催化反应温度腔 的大小和催化改质降黏率将是评价技术应用效果 的关键指标。 2地下改质技术应用及效果 国内外学者开展了不同类型催化剂和不同反 应条件下的大量室内实验研究， 理论上验证了此技 术的可行性， 但在复杂的地质和工艺条件的限制下 技术的应用仍困难重重。20世纪末稠油地下改质 开采技术逐渐形成应用专利和开展矿场试验， 取得 了由理论研究迈入实际应用的关键突破。目前， Conoco Phillips、 Chevron 等国外公司申请了稠油地 下催化改质相关应用专利， 具体内容见表2， 主要实 施方式为蒸汽驱和辅助SAGD， 属于溶剂辅助的地 下催化改质， 但未见相关现场试验应用报道。稠油 改质降黏技术的矿场试验开展相对较少， 为了便于 实现油藏加温， 试验区均是选择实施过蒸汽热采后 的油藏直接进行技术转换。产出原油的降黏效果 已经验证了技术在油藏中应用的可行性， 但受成本 和工艺条件限制尚无法进一步扩大应用。下面将 从油藏加热方式、 试验井生产方式和试验效果三方 面综合对比新疆、 辽河、 胜利和加拿大Suncor Dover 区块开展的四个矿场试验。 （1） 油藏加热方式 受技术和工艺条件限制， 目 前稠油地下改质开采以蒸汽加热的方式为主。辽 河油田和胜利油田采用蒸汽吞吐的方式； 加拿大 Suncor Dover区块采用电磁波生热的方式[58]。综合 来讲， 蒸汽加热方式对于开展过蒸汽热采的油藏实 施起来难度更低， 更有利于油藏温度控制； 电磁波 等物理加热方式受工艺限制平均加热温度仅为 100～150℃， 虽然加热范围相对较低但生产成本更 低， 热能利用率更高， 更环保。 （2） 生产方式 国内的新疆、 辽河和胜利油田的 矿场试验均采用了单井吞吐的方式， 选择的生产井 在试验前也都进行了多个轮次的蒸汽吞吐， 地面改 造和技术转换较容易。加拿大Suncor Dover区块则 图3改质降黏效果影响因素示意图[18,35,41,43] Fig.3Schematic diagram of influence factors of the heavy oil upgrading and viscosity reduction[18,35,41,43] 表2国外地下催化改质专利情况 Table 2Patent status of underground catalytic modification abroad 专利申请公司 Conoco Phillips Harris [54] Underground [55] Chevron [56] Englewood [57] 催化剂 MoS2、 WS2、 CoMoS、 NiMoS Mg/K/Ni/CaCO3、 Mg/K/Ni/CaO 80 （质量） C3C5溶剂、 聚烯烃酰胺等 有机分散 （沉淀） 剂 沸石类FCC催化剂 改质 温度/℃ 315540 150200 130300 498648 室内改质效果 原油改质后API由2变为10 原油改质后API由9变为11 实施方式 电磁加热辅助SAGD 蒸汽吞吐/蒸汽驱 溶剂辅助SAGD 预置催化剂的蒸汽/溶剂驱 4146 第9期 是采用了双水平井的生产模式， 上部水平井进行电 磁加热和改质剂的注入， 下部的水平井依靠改质降 黏后的原油重力泄油后开采[58]， 是在SAGD （蒸汽辅 助重力泄油） 基础上进行的技术转换。 （3） 试验效果 在20052011年间， 辽河稠油地 下催化水热裂解现场试验， 在曙光油田和欢喜岭油 田先后进行了30多口井的现场试验， 典型实验井产 出稠油黏度下降达到80， 单井平均增油达到550 t， 累计增油5933.9 t。2008～2017年， 胜利油田进行 了改质降黏辅助蒸汽吞吐开采， 原油原始黏度达到 20050 mPas （50℃） ， 措施后黏度降到 3920 mPas （50℃） ， 降黏率80.4[11]， 平均日产油由措施前的8.1 t上升至平均13.7 t， 截止到2019年该井日产油10.0 t， 取得了良好的降黏增油效果。 3地下改质技术发展面临的挑战 通过上述矿场试验初步验证了稠油地下改质 技术应用的可行性， 取得了一定的降黏和增产效 果， 但距离工业化应用尚有很大差距。目前， 制约 稠油地下改质技术工业化应用的关键在于开采成 本高和催化改质反应规模相对较低， 二者直接决定 采油技术应用的经济效益和增油效果。下面将从 应用成本和地下催化改质反应规模两方面分析技 术面临的挑战。 （1） 地下改质开采成本主要来自注入的化学剂 和油藏加热。①改质剂注入体系通常包括催化剂、 供氢剂和分散助剂， 需要形成相对稳定的分散注入 体系才能保障稠油改质效果， 这额外地增加了注剂 的配注工艺要求以及设备、 人工成本。据笔者估 算， 目前地下改质单井试验成本约为单井蒸汽吞吐 的23倍， 目前低油价条件下短期内很难进行工业 化应用。②现有的矿场试验仍大多采用蒸汽加热 油藏的方式提供反应所需的基础温度， 无法摆脱传 统蒸汽热采方式的低效和高能耗的缺点。在地下 改质反应基础温度的要求下和复杂的地质条件下， 在油层深部实现改质反应基础范围最大化是一个 非常大的难题， 现有的设备工艺很难实现， 需要多 学科交叉和多技术融合， 形成一种适用于油藏改质 反应的油藏加热方式。 （2） 催化改质反应规模取决于催化剂与原油的 接触效率和改质反应温度腔大小。①复杂的地质 条件和油藏较高的开发程度决定了直接注入的改 质体系通常会沿着高渗通道快速通过油层。现场 的施工注入过程中， 如何扩大催化改质剂的波及体 积， 使其高效接触和分散在富集区原油中是地下改 质开采技术在现场应用遇到的瓶颈问题。改善催 化剂性能的同时还需研发稳定的注入体系和针对 性的注入方式， 使得注剂能深入油藏内部与原油充 分融合。②以降黏率大于90定义为高效改质降 黏的界限， 目前高效改质降黏的反应温度下限约为 260℃， 但现有的油藏加热技术很难在油层中长期维 持200℃以上的高温环境， 因此很大程度上限制了 催化改质剂在油藏中的作用范围。 4地下改质技术发展方向 稠油地下改质开采技术应用虽然面临着很大 的挑战， 但必须积极寻求解决之道， 实现工业化应 用才能使其成为稠油开采的下一代接替技术， 有效 缓解目前稠油油藏开发的 “高能耗、 高汽油比” 的生 产压力。本文尝试从降低开采成本和提高油藏反 应规模两个角度， 提出技术发展方向及研究思路 建议。 （1） 降低开采成本。①在于加大催化剂的研发 力度， 首先是研发高活性、 低用量的催化改质体系。 然后通过稠油油藏逐渐增大的技术转型需求推动 相关化学剂的工业化生产。改善注入性的磺酸盐 类油溶性催化体系、 可回收循环使用的纳米过渡金 属氧化物催化剂均是催化剂的研发方向。②在于 转换油藏加热方式， 因为传统的蒸汽加热方式热能 利用率低， 不可避免地产生后续水处理的成本。从 20世纪50年代开始， 国内外有很多学者致力于实现 低成本的物理方法加热油藏， 宋建平等[59-61]提出的 电脉冲采油技术， 孙仁远等[62-63]开展的超声波加热 采油技术， 王颖等[64-70]开展的微波降黏技术， 丁雨溪 等[71-74]开展的电磁加热技术， 均可和地下改质降黏 技术相结合， 提供稠油改质反应所需要的基础温 度。通过物理方法加热油藏可以真正实现高效、 绿 色开采。 （2） 提高催化改质体系应用效率。①提高改质 体系与原油的接触效率。通过改善注入方式和工 艺， 解决油层非均质性和采出程度较高部位造成的 注入剂无效循环或无效堆积。可以借鉴针对水驱 开发后期实施的深度调剖和加密井的方式， 让注入 剂避开渗流优势通道， 波及原油富集区域。②扩大 4147 第71卷化工学报 地下催化改质反应规模， 其一可以选择合适的生产 方式， 利用水平井的长水平段在油藏中制造一个较 大范围的地下改质反应温度腔， 是改质反应规模最 大化的生产方式， 是技术未来的应用方向。另外可 以降低催化改质反应温度门槛 （200℃以下） ， 因为相 同加热条件下， 反应温度越低， 地下改质反应温度 腔相对越大， 增油效果越明显， 改质成功率也更高。 稠油地下改质技术目前正处于发展初期， 最有 潜力成为下一代主体开采技术。需求和创新驱动 技术发展， 相信在稠油油藏开发形势的紧迫压力 下， 在国内外学者的共同努力下， 此项技术有望在 不远的未来取得革命性突破。 5结论 （1） 稠油地下改质开采技术核心在于改质催化 反应， 其关键在于改质催化剂的选择， 目前催化剂 类型主要分为水溶性催化剂、 油溶性催化剂、 双亲 型催化剂和纳米级催化剂。其中水溶性催化剂便 于混合注入、 成本相对较低， 但催化效果相对较差， 平均降黏率仅为74.7； 油溶性催化剂催化效率相 对较高， 降黏率可达90以上， 但对注入工艺要求 较高， 同时会增加油品后续处理成本； 双亲型催化 剂在油相和水相中均具有很好的溶解性， 但分子结 构的稳定性差； 纳米型催化剂反应效率高， 降黏率 可达90以上， 但成本相对较高。 （2） 地下改质开采效果取决于地下改质反应规 模和稠油降黏效果， 地下改质反应规模主要受改质 催化剂与原油接触效率和改质催化反应温度腔大 小决定； 稠油降黏效果除改质催化剂以外， 供氢剂、 反应时间和温度均对降黏率有很大影响。 （3） 稠油改质降黏技术的矿场试验在新疆油 田、 辽河油田、 胜利油田和加拿大油砂Suncor Dover 区块开展。试验结果初步验证了稠油地下改质开 采技术在油藏中应用的可行性， 但尚不具备扩大应 用的能力。国内矿场试验多采用蒸汽加热油藏， 通 过单井吞吐的方式进行生产； Suncor Dover采用电磁 波生热加热油藏， 通过双水平井的方式进行生产。 （4） 目前， 降低应用成本和提高催化改质反应 规模是实现稠油地下改质技术工业化应用必须面 对的重大挑战。降低开采成本的关键在于控制催 化改质剂价格， 研发廉价改质催化剂和催化剂分离 重复使用是主要的解决途径， 另外， 通过使用相对 绿色、 高效的物理加热油藏方式可进一步降低应用 成本。大幅度提高地下改质反应效率， 必须实现地 下改质反应规模最大化， 可以通过建立相应的注采 方式增加注入体系与原油的接触效率、 扩大地下改 质反应温度腔和降低催化改质剂的反应温度门槛 来实现。 参考文献 [1]Clark P D, Hyne J B, Tyre J D. Chemistry of organosulfur compound type occurring in heavy oil sands 1 High temperature hydrolysis and thermolysis of therahydro-thiophene in relation to steam stimulation processes[J]. Fuels, 1983, 625 959-962. [2]Clark P D, Hyne J B, Tyre J D. Chemistry of organosulfur compound type occurring in heavy oil sands 2 Influence of pH onthehightemperaturehydrolysisoftet