稠油降黏开采技术研究进展.pdf

第 2 3卷第 3 期 2 0 0 6年 9月 2 5 E l 油 田 化 学 Oi l f i e l d Ch e mi s t r y Vl0 1 ． 2 3 No ． 3 2 5 S e p t ，2 0 0 6 文章编号 1 0 0 0 ． 4 0 9 2 2 0 0 6 0 3 ． 0 2 8 4 ． 0 5 稠油降黏 开采技 术研究进展 包木太 ． 一 ，范晓宁 ． - ，曹秋芳。 ，马爱青。 ，郭省学 1 ． 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室 中国海洋大学 。 山东 青岛 2 6 6 1 0 0 ； 2 ． 中国海洋大学化学化工学院。 山东 青岛 2 6 6 1 0 0 ； 3 ． 中国石化胜利油田公司采油工艺研究院。 山东 东营 2 5 7 0 0 0 摘要 综述了 稠油降黏开采技术的近期进展 ， 重点是乳化降黏法和微生物法中生物表面活性荆的作用， 论题如下。 前言 国外、 国内稠油油藏及其开采。①稠油组成及其高黏实质。②物理法降黏 。 包括掺稀油法和蒸汽、 电加热法， 新疆塔河油田一 口井用掺稀油法试油开采。③化学法降黏， 包括催化水热裂解、 乳化、 玻乳及油溶性降黏卉 4 ， 简述 了降黏机理． 介绍了国内乳化降黏荆研制和应用方面的成果。④微生物法降黏 包括微生物采油机理、 生物表面活 性荆性质、 生物表面活性剂用于 E OR、 国内产表面活性荆茼种筛选。参 4 4 。 关键词稠油开采； 稠油降黏技术 ； 降黏机理； 乳化降黏； 微生物采油； 生物表面活性剂 综述 中图分类号 TE 3 5 4 TE 3 5 7 ． 4 T E 3 5 7 ． 9 文献标识码 A 0 前言 稠油在世界油气资源中占 有较大的比例。据统 计， 世界稠油、 超稠油和天然沥青的储量约为 1 0 0 0 X 1 0 t 。稠油资源丰富的国家有加拿大、 委内瑞拉、 美国、 前苏联、 中国、 印度尼西亚等， 其重油及沥青砂 资源约为 4 0 0 0 X 1 0 ～6 0 0 0 X 1 0 8 m 3 含预测资源 量 ， 稠油年产量高达 1 ． 2 7 1 0 t 以上。中国重油 沥青资源分布广泛。 已在 1 2 个盆地发现了 7 O多个 重质油田， 预计中国重油沥青资源量可达 3 0 0 X 1 0 t 以上⋯。辽河油田是我国第三大油田， 也是我国 最大的稠油生产基地， 高凝油、 超稠油多年来在辽河 油田采油总量中占有很大比重， 高峰时曾达到年产 8 0 0 X 1 0 t 。从 2 0世纪 8 0年代中期开始试采， 到 2 0 0 0 年底， 我国胜利油田热采稠油动用地质储量 1 ． 5 9 9 9 X 1 0 t ， 平均采出程度 1 3 - 8 1 ％， 年生产能力 超过 1 4 0 X 1 0 4 t 【 引。随着轻质油开采储 量的减少 以 及石油开采技术的不断提高。 2 1 世纪开采稠油所占 的比重将会不断增大。自2 0 世纪 6 0 年代开采稠油 以来， 稠油开采技术有了突飞猛进的发展， 到目前为 止 。 已形成了以蒸汽吞吐、 蒸汽驱等为主要开采方式 的稠油热采技术 ， 以及以碱驱、 聚合物驱、 混相驱等 为主的稠油冷采技术。大部分技术已被广泛应用于 稠油开发， 并取得了较好的效果。但稠油黏度高、 密 度大、 流动性差， 降低稠油黏度、 改善稠油流动性是 解决稠油开采 、 集输和炼制问题的关键 3。 1 稠油的组成、 特点及高黏实质 稠油中富含胶质和沥青质， 且含有较多的硫、 氧、 氮等元素和镍、 钒等金属化合物H 】 ， 轻质馏分含 量较低， 我国主要的稠油油田所产原油的轻质馏分 3 0 0 一般仅 l 0 ％左右。稠油中的石蜡含量一般 也较低 ， 我国多数稠油油田原油中的含蜡量仅 5 ％ 左右， 一般不超过 1 0 ％， 因而凝固点也较低 J 。随 着胶质与沥青质含量的增高， 稠油的密度及黏度增 加。因此。 高黏度及高密度是稠油的最主要特征 。 也 收稿 日期 2 0 0 6 0 7 0 9 。 基金项目 国家自然科学基金“ 油藏环境中采油功能微生物群落选择性激活条件研究” 项目编号 5 0 6 0 4 0 1 3 ； “ 十五” 国家科技攻关项目 “ 胜利油田 极端微生物石油开采技术研究” 项目编号 2 0 0 3 B A 6 1 3 A - 8 。 作者简介 包木太 1 9 7 1 一 ． 男， 教授。 中国海洋大学海洋化学专业博士 2 0 0 1 ， 中国石化胜利油田博士后科研工作站博士后研究人员 2 0 0 1 2 0 0 3 ， 主要从事微生物驱油理论、 油田污水处理技术以及生态修复等方面的研究工作， 通讯地址 2 6 6 1 0 0山东省青 岛市崂山区松岭路2 3 8号中国海洋大学化学化工学院。 电话 0 5 3 2 6 6 7 8 2 5 0 9 ， E ． m a i l m t b a o m a i l ． o u c ． e d u ． c n 。 维普资讯 第 2 3卷第 3 期 包木太 ， 范晓宁， 曹秋芳等 稠油降黏开采技术研究进展 是区别于普通轻质原油的主要指标L 4 J 。 胶质、 沥青质分子的基本结构是以多个芳香环 组成 的芳香环系为核心， 周围连接环烷环和芳香环 ， 这些环上还带有若干个长度不一的正构或异构 的烷 基侧链 ， 还含有可形成氢键 的羟基 、 氨基 、 羧基 、 羰基 等， 因此胶质分子之间、 沥青质分子之间及二者相互 之间有强烈的氢键作用。沥青质分子的芳杂稠环平 面相互重叠堆砌在一起并被极性基团之问的氢键所 固定， 形成了沥青质粒子。胶质分子以芳杂稠环平 面在沥青质粒子表面重叠堆砌 ， 被氢键固定 ， 形成沥 青质粒子的包覆层。这种粒子也可通过氢键相互连 接， 这样形成的大分子胶束结构【 6 ] 是稠油高黏度的 根源。Ne l l e n s t e y n最早提出必须把沥青和渣油看作 胶体体系的概念【 。P f e i f f e r 及其合作者在研究石 油沥青流变性质的过程中进一步提出了沥青的胶体 模型 。晏德福等用核磁共振波谱 、 红外光谱 、 X射 线衍射谱、 电子显微镜等各种近代物理方法对沥青 质 的结构进行 了系统的研究 ， 基于这些研究 ， 他创造 性地提出了一个能全面反映沥青质胶束结构的模 型【 7 l 。此外， 金属杂原子及其缔合的主体 沥青质 与胶质 是 影 响原 油 黏度 的主要 内在 因素【 3 J 。因 此， 降低原油中金属杂原子及其赖以存在的沥青质 与胶质的含量， 或减小体系中大分子的数量， 是稠油 降黏的根本途径 J 。 2 稠油物理降黏开采 2 ． 1 物理法降黏机理 物理降黏法主要有掺稀降黏和加热降黏两种方 法。掺稀降黏是通过加入石油产品、 液化石油气或 低黏原油等稀释剂降低沥青质胶质的浓度。 从而减 弱稠油中沥青质胶束间的相互作用【 6 J 。加热降黏 主要是通过加热的方法提高稠油的流动温度， 以降 低稠油黏度。 从而减少摩阻损失。加热方式主要有 蒸汽热水加热法和电加热法 8。 2 ． 2 物理降黏法的应 用 满江红等[ ] 对塔 河油 田的 TK 6 1 2井进行 了掺 稀试油开采。 结果表明掺稀降黏是适用于塔河油田 稠油井试油及开采的一种安全有效的技术措施。 现场进行掺稀试油时， 应根据油井测试层位的 产能大小和混合产液密度、 黏度及时调整稀油注入 量， 以求得最佳掺稀效果[ 加 J 。虽然稀释法可有效地 改善原油流动性 ， 但需要大量稀释剂或稀油 。 这是限 制该方法推广应用的主要原因【 6 l。 3 稠油化学降黏开采 3 ． 1 化学法降黏机理 3 ． 1 ． 1 催化降黏 在蒸气吞吐或蒸气驱的注蒸气阶段， 油层温度 达 1 5 0 3 0 0 1 2 ， 若在此温度范围内加入少量的催化 剂如 V O S 0 4 、 N iS O 4 、 A IC I3 , F e a3 等， 可使稠油中的 胶质、 沥青质在硫键处断裂 ， 产生较好的降黏效果。 但在加入催化剂前 应先除去稠油 中的重金属 成分 ， 以防止催化剂中毒而使催化效果迅速降低 3 。 3 ． 1 ． 2 表 面活性剂降黏 表面活性剂降黏通常归结为三种机理 乳化降 黏 ， 破乳降黏以及吸附降黏。这三种降黏机理往往 同时存在 ， 但表 面活性剂不同和条件不 同时 ， 起主导 作用的降黏机理可能不同【 1 1 ] 。乳化降黏是在表面 活性剂作用下使稠油形成 O A V型乳状液或将 W／ O 型乳状液转变成 O ／ W 型乳状液[ 引 。在稠油乳化降 黏中， 可使用 H L B值 7 1 8范围的水溶性表面活 性剂如烷基磺酸钠 、 烷基苯磺酸钠、 聚氧乙烯烷基醇 醚 、 聚氧乙烯烷基苯酚醚 、 聚氧乙烯聚氧丙烯丙二醇 醚等表面活性剂作稠油乳化降黏剂【 1 2 ] 。破乳降黏 是通过加人一定量的破乳剂， 使 W／ O型乳状液破 乳而生成游离水【 1 3 ] 。而吸附降黏是通过表面活性 剂分子吸附于管壁或油层岩石表面而减小摩擦阻 力 [ I 4 ] 。 3 ． 1 ． 3 油溶性降黏剂降黏 油溶性降黏剂降黏技术的降黏机理是 降黏剂 分子借助强的形成氢键能力和渗透、 分散作用进入 胶质和沥青质片状分子之间， 部分拆散平面重叠堆 砌而成的聚集体。 形成片状分子无规则堆砌、 结构比 较松散、 有序程度较低、 空间延伸度不大、 有降黏剂 分子参与 形成新的氢键 的聚集体， 从而降低稠油 黏度【 3 ]3 。油溶性降黏剂具有可以直接加剂降黏、 避 免乳化降黏后处理 如脱水 的优点【 l引。 3 ． 2 化学降黏法的应用 近年来乳化降黏剂配方的研究十分活跃 ， 这些 乳化降黏剂多根据协同作用原理采用多元复配型配 方。 同时包含非离子型表面活性剂和离子型表面活 性剂。部分原油乳化降黏剂配方中还加入碱、 C 1 ～ C 4 醇、 生物聚合物和冰点抑制剂等 3。 刘峰等[ ] 对掺活性水降黏 工艺技术 开展了基 维普资讯 2 8 6 油 田化学 2 0 0 6 正 本配方和动态管道流动模拟实验研究， 结果表明所 配制的乳化降黏剂在室内条件下的降黏率可高达 9 9 ． 9 9 ％， 在特油公司采油四区进行的现场试验中， 泵上掺药降黏对油井的正常生产无不利影响， 反而 可不同程度地提高油井的产油量。 马文辉等【 ” ] 以大庆黑帝庙稠油为原料， 发烟硫 酸为磺化剂， 合成了稠油磺酸盐表面活性剂， 对稠油 的乳化降黏效果进行了室内评价 ， 3 5 ℃时降黏率达 9 0 ％以上 ， 加 入 0 ． 2 0 ％ 的 Na OH 后 降 黏 率 可 达 9 3 ． 4 ％， 与 T w e e n 一 2 0复配后对辽河特稠油的降黏 率可达 9 8 ％以上。 曹嫣镔等【 1 8 J 将阴离子表面活性剂和非离子表 面活性剂复配， 研制出耐高温高效稠油乳化降黏剂 S 一 5 ， 研究了该剂提高注汽采油的效果， 在胜利和大 港油 田推广应用 ， 取得 了良好的经济效益。 辽河石油勘探局钻井二公司泥浆公司研制了聚 合酸降黏剂， 在 4 6口井上成功应用， 取得很好的效 果和经济效益 ] 。 吴庆东等【 2 0 J 进行了高温油藏 C R ， 1 稠油降黏剂 的配方设 。 多种非离子表面活性剂 十碱 助剂 凝固点降低剂的复合体系 和室内性能评价 对濮城 油田濮 8 5 块稠油的降黏率可高 9 9 ． 1 ％ ， 在矿场实 际应用中取得了良好效果。 张群正等【 2 J 以甲苯为溶剂在引发剂存在下使 马来酸酐、 苯乙烯、 丙烯酸共聚 ， 再在 L e wi s酸存在 下使共聚产物直 接与 C1 6 ～C 1 8混合 醇反应 ， 得到 马来酸酐／ 苯乙烯／ 丙烯酸 C 16 ～ C 1 8 混合醇酯共聚 物 MS A， 并考察 了 5 0 ℃时不同加量 的 MS A在煤油 稀释原油中的降黏效果， 结果表明 随着 MS A加量 的增大， 稀释稠油的黏度持续下降， MS A加量再增 大时， 加剂稀释原油的黏度则上升， 这是因为过多的 共聚物 MS A大分子会产生增黏作用。 目前虽然乳化降黏剂的配方很多 ， 且在实际应 用中发挥了很大作用， 但仍存在较多问题[ 3 ] ①采 出污水处理难度大。②乳化降黏剂对稠油的选择性 很强。③目 前能够用于高温和高矿化度油藏条件的 乳化降黏剂不多， 且生产成本很高。 4 稠油微生物降黏开采 利用微生物提高原油采收率技术 mic r o b ia l e li h a n c e d o i l r e c o v e r y ， 简称 ME O R 来开发石油资源已 成为生物工程发展 的主导方向之一。微生物采油利 用微生物代谢产生的能大幅度降低原油黏度的聚合 物、 表面活性剂、 二氧化碳及有机溶剂等进行有效驱 油。 目前微生物采油技术 已得到 了迅速发展[ 2 2 ] ， 日 渐成为一种重要的三次采油技术。 4 ． 1 微生物采油增产机理 在微生物采油 中， 通过生产井或注入井注入地 层的微生物或地层内原有的微生物 本源微生物 ， 以地层原油中的重质组分为碳源进行生长繁殖 ， 使 原油中的轻质组分增多， 原油在地层条件下的黏度 降低[ 2 3 J 。主要有以下几种机理 1 微生物将长链饱和烃降解为中短链烃 ， 使 饱和烃平均分子链变短， 原油黏度降低[2 4 】 。 2 微生物作用于芳烃和胶质， 产生长链分子 脂肪酸及含羰基化合物等生物表面活性物质， 降低 油水界面张力、 乳化原油、 降低原油黏度 ； 还可以改 变油藏岩石的润湿性 使岩石更亲水 ， 提高原油的 相对渗透性【 2 5 ] 。 3 微生物降解原油， 产生短链有机酸和醇类 物质， 从而增加岩石孔隙度和改善原油黏度[ 2 4 ] 。 4 微生物作用于原油时产生的短链烷烃气和 二氧化碳等有利于增加产层压力[ 2 4 ] 。 5 微生物黏附在金属或黏士矿物表面， 形成 表面保护膜， 起屏蔽晶核、 阻止结晶的作用[ 2 3 ] 。 6 微生物通过分散和溶解 作用 防止蜡沉 积[ 2 6 I 。 4 ． 2 生物表面活性剂在提高原油采收率中的应用 4 ． 2 ． 1 生物表面活性剂的性质 生物表面漪陛剂是在憎水基质如烃类中培养微 生物时产生的集亲水基和亲油基于一体的具有表面 活性的一类代谢产物， 亲油基一般为脂肪酰基链。 极 性亲水基则有多种形式 ， 如中性脂 的酯或醇功能团、 脂肪酸或氨基酸的羧基、 磷脂中含磷部分以及糖脂 中的糖基l 2 ， 因此可分为糖脂类、 脂肽类、 磷脂类、 脂肪酸类、 中性油脂类、 聚合物类等【 引。生物表面 活性剂具有化学表 面活性剂 的共性 ， 但与化学合成 的表面活性剂相 比具有更多 的优点[ 2 9 ] 。 1 较低的界面张力和表面张力 生物表面活 性剂通常比合成表面活性剂具有更为复杂和庞大的 分子结构， 单个分子占据更大的空间， 因而显示较低 的临界胶柬浓度 C MC ， 能显著地降低表面张力、 改善界面性质L 3 0 J 。 2 耐温性 有些生物表 面活性 剂在 9 0 ℃ 的高 温下仍能保持其表面活性。 维普资讯 第 2 3卷第 3期 包木太。 范晓宁。 曹秋芳等 稠油降黏开采技术研究进展 2 8 7 3 耐盐性 生物表面活性剂在 1 0 ％的盐溶液 中不沉淀或析出 ， 而化 学表面活性剂 只可耐受 2 ％ ～ 3 ％的盐度。 4 易生物 降解 生物表 面活性 剂在水 中和土 壤中都很容易发生生物降解 。 5 易破乳 加入少量 的解 聚酶就可破坏在生 物表面活性剂存在下形成的油水乳状液。 早在 2 O世纪 4 O年代 ， Z o b e l l 在研究硫 酸盐还 原细菌从砂粒中释放原油的机制时就指出， 微生物 产生表 面活性 剂是 细菌驱 油 的主要机 制之一[ 3 L 】 。 我国在 8 0年代 已筛选出了多种生物表面活性剂 ， 在 采油中的应用已扩展到小规模成片油田， 对地面法 和地下法均进行了尝试， 即将生物表面活性剂注入 地下或在地下岩层中就地培养微生物使之产生生物 表面活性剂进行强化采油【 3 2 】 ， 发现生物表面活性剂 在大面积油 田和地层条件下使用时更为有效【 3 3 ] 。 4 ． 2 ． 2 生物表面活性剂的研 究与应用 石油开采业是生物表而活性剂 的一个重要应用 领域。油田经过一次、 二次采油后 ， 仍有大约 7 0 ％ 原油留在储油层中， 采出剩留原油的方法之一是在 油井中注入化学合成的表面活性剂， 以降低原油与 水的界面张力。化学合成的表面活性剂通常难以降 解 ， 会造成严重 的环 境污染{ 3 4 ] ， 而 由微生物产生 的 生物表面活性剂， 驱油效率比人工合成的表面活性 剂高 3 ． 5 ～8倍 ， 而费用要低很 多[ 3 5 l ， 无二次污染 ， 因此发展前景 良好。 将生物表面活性剂应用于 ME OR有两种方法 。 一 种是利用微生物产生 的生物化学物质 如生物 聚 合物和生物表面活性剂 作为油田化学剂进行驱油， 即地面法 ME O R ， 但若想得到纯净的生物表面活性 剂， 其生产成本将比化学表面活性剂高很多。另一 种是地下法 ME O R。 即将油层作为巨大的生物反应 器， 将能产生生物表面活性剂的菌种注入到地下油 层中， 同时注入能维持微生物生长、 繁殖和代谢的基 质和营养液等， 促使其产生生物表面活性剂， 以提高 原油采收率【2 。 Ne l s o n等在美国 B u r n e t t J L e a s e d e S a n k o u的三 口采 油井 q I 注入 8 O L煤 油和 1 5 I 生物表 面活性 剂。 使产油量增加了 5 倍【 3 6 J 。 D o n a ld s o n等发 现一 些 细 菌在 盐 浓 度高 达 7 5 0 0 0 m g ／ 1 时仍可产生具有乳化性能的表面活性 物质[ 3 。l r y a n t 等对 ME OR技术 的现场应用作 了 较详细的论述_ 3 。 李牧等[ 3 8 ] 通过培养、 驯化获得了一株可产生生 物表面活性剂的采油菌株， 该菌株在含糖培养基中 可产生较多的生物表 面活 性剂 ， 该生物表 面活性剂 被鉴定为脂肽类生物表 面活性 剂 ， 对原 油有较强 的 乳化和分散作用 。 张翠竹等【3 9 】 从大港炼油厂污水中筛选到一株 地衣芽孢杆菌 N K X 3 ， 在含糖培养基中培养时产生 的脂肽类生物表面活性剂， 可将水的表面张力 由 7 6 ． 6降至 3 5 ． 5 mN ／ m， 对高含胶质沥青质油的降 黏率高达 5 0 ％以上 ， 增溶 与脱附作 用显 著 。 可使 油 水形成水包 油型乳状液 ， 还可使高含蜡油 有效地乳 化分散， 并且可以耐受高温和高浓度盐 尤其是钙离 子 ， p H适应范围较广【 驯 ， 是一种有潜力的生物表 面活性剂， 在稠油开采和运输中具有良好的应用前 景。 王新 等【 4 l 】 考察 了 3株菌对胜利油 田所产原油 的降黏效果 ， 发现 3 株菌对不同油井的原油有不同 的降黏效果， 降 黏率最大可 达 5 7 ． 0 4 ％， 最小 为 6 ． 1 8 ％。 对 大部分 油井 原 油的降黏 率为 2 0 ％ ～ 3 0 ％ 。 张金波等[4 2 ] 通过菌种筛选 ， 培养出了适合克拉 玛依稠油的菌种 ， 该 菌株 可通过产生生物 表面活性 剂降低稠油油水界面张力。 形成油水乳状液 ， 降低稠 油的黏度。 张惠殊等[ 3 】 从大庆油田采出液、 含油废水及长 期被原油污染的土壤中筛选得到了一株能以原油为 碳源生长代谢的芽孢杆菌 D Y - 3 2 ， 该菌株对许多原 油都有降黏效果， 在微生物采油中有很好的应用潜 力 。 李清心等[ 4 4 ] 从大庆油田油层水中分离出一株 假单胞菌 P 一 2 1 ， 并考察了该菌株的发酵液对大庆油 田中一联、 敖古拉油田以及朝阳沟油田原油的降黏 及防蜡效果 ， 实验发现 ， 8 ％的 P 一 2 1发酵液与原油混 合 ， 在 4 5 ℃作用 2 4 h ， 原油的降黏率达到 5 7 ． 8 ％， 防 蜡率达到 8 0 ％。 降低稠油黏度， 改善稠油流动性， 是解决稠油开 采及运输问题的关键， 目前稠油的各种降黏技术已 有很大进展 ， 但不足之处很多 ， 还需加大力度进一步 探索 ①研制产出液容易处理的高效水溶性乳化降 黏剂， 开发耐高温耐高矿化度且较廉价的乳化降黏 剂； ②采用乳化降黏剂和油溶性降黏剂复合降黏技 术 ； ③生物表面活性剂的生产成本过高 ， 难 以进行大 规模的工业化生产 ， 应寻求降低生产成本的方法； ④ 维普资讯 2 8 8 油 田化学 2 0 0 6 正 筛选可高效产生生物表面活性剂的菌株， 加强油藏 及储集类型、 原油性质对生物表面活性剂产生和作 用的影响的研究 。 参考文献 [ 1 ] 于连东． 世界稠油资源的分布及其开采技术的现状与展望[ J ] ． 特种油气藏， 2 0 0 2 。 8 2 9 8 1 O 3 ． [ 2 ]田仲强。 黄敏， 田荣恩。 等． 胜利油翻稠油开采技术现状[ J ] ． 特种 油气藏 ． 2 0 0 l 。 8 4 5 2 5 5 ． [ 3 ] 孙慧， 张付生． 稠油化学降粘铂 f 究进展[ J ] ． 精细与专用化学品。 2 0 0 5 。 1 3 2 3 1 6 2 0 ／ 3 0 ． [ 4 ] 王鸿膺． 李玉星， 陆新东． 超稠油降粘输送试验研究[ J ] ． 油气田 地面工程 ， 2 0 0 4， 2 3 9 2 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