稠油管輸綜合型降黏新技術(shù)綜述

李明星，張宏瑜

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

稠油是指具有高黏度和低流動(dòng)性的油類，通常包含豐富的膠質(zhì)、石蠟和重金屬等物質(zhì)，會(huì)使重油變成黏稠的、不能輕易流動(dòng)的液體或半固體物質(zhì)[1]。在稠油的生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)遇到許多技術(shù)難題，其中之一是要降低其黏度，以提高可采收率和降低運(yùn)輸成本。隨著石油行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，全球普通原油的儲(chǔ)量比例逐漸降低，稠油的儲(chǔ)量比例逐年增加，重油的開(kāi)采和管輸極具挑戰(zhàn)性。如何降低高黏度重油的黏度，使不易流動(dòng)的重油擁有更好的流動(dòng)性，是解決稠油開(kāi)采和管輸問(wèn)題的重中之重。稠油降黏的方法有摻稀釋劑（凝析油、輕質(zhì)油、柴油等）降黏[2]、水力空化降黏、熱采與化學(xué)復(fù)合降黏、生物表面活性劑降黏、堿與表面活性劑協(xié)同降黏、自乳化結(jié)合外力降黏、微波降黏等。

1 稠油的高黏度機(jī)理

稠油的高黏度主要是因其含有大量的重油分子，這些分子間的相互作用力導(dǎo)致了黏度的升高。稠油降黏的原理就是要破壞這些分子間的相互作用力，使其分子間距離增大，從而降低其黏度。一般情況下，原油的傾點(diǎn)與正構(gòu)烷烴的數(shù)量有關(guān)，其黏度取決于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量。重油中的膠質(zhì)瀝青是氫鍵或π-π鍵與膠質(zhì)分子相結(jié)合形成的，原油的高黏度是指粒子間的氫鍵相連后構(gòu)成了大量膠束[3]。另外，重油中的金屬原子（Ni、V）也會(huì)對(duì)其黏度產(chǎn)生較大的影響[4]。金屬雜原子及其伴生主體（瀝青質(zhì)和膠質(zhì)）是影響原油黏度的主要內(nèi)在因素[5]。Tang Xiaoli等人[6]在重油膠體模型的基礎(chǔ)上，提出了三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)模型的假設(shè)，認(rèn)為形成凝膠結(jié)構(gòu)的主要原因是系統(tǒng)中含有大量的凝膠成分，它們可以在溶劑中自發(fā)聚合并組裝為一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)流變實(shí)驗(yàn)證明了不同石油狀凝膠的結(jié)構(gòu)。流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，樹(shù)脂與瀝青液因氫鍵和π-π鍵而聚集在一起，形成了一種緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò)。因此，分析原油中的金屬雜原子[7]、瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的含量，可以有效降低原油的黏度[8]。楊天天等人[9]采用基團(tuán)分析、紅外光譜分析、元素分析等方法，通過(guò)氧化還原、苯環(huán)側(cè)鏈脫支或斷裂、雜原子去除、芳香環(huán)縮合等反應(yīng)，對(duì)氧化反應(yīng)前后重油的物理性質(zhì)進(jìn)行了分析。瀝青質(zhì)是主要的功能對(duì)象，氧化反應(yīng)后，重組分明顯減少[10]，輕組分含量增加[11]。

2 稠油的乳化降黏技術(shù)

2.1 水力空化降黏技術(shù)

秦宗禹等人[12]采用碳酸鈉乳化重油技術(shù)，通過(guò)機(jī)械攪拌的方法，探討了乳化溫度、Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、重油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、攪拌速率等因素對(duì)水包油（O/W）型乳狀液的影響，同時(shí)利用水力空化技術(shù)強(qiáng)化了乳狀液的生產(chǎn)，深入了解Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空化反應(yīng)中的壓力以及空化數(shù)量等因素對(duì)乳狀液的影響。結(jié)果表明，與機(jī)械混合法相比，在稠油的大規(guī)模生產(chǎn)中，采用水力空化技術(shù)可以得到粒徑小、分布均勻的O/W乳狀液。

2.2 熱采與化學(xué)復(fù)合降黏技術(shù)

熱采與化學(xué)復(fù)合降黏技術(shù)是在降黏劑中注入蒸汽，在地層內(nèi)進(jìn)行熱降黏和乳化降黏[13]，從而大大降低天然氣的黏度。這一技術(shù)的核心是開(kāi)發(fā)高效的耐熱降黏劑。趙一潞等人[14]針對(duì)河南油田存在的原油黏度高、流動(dòng)性差等問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)高溫條件下的乳化降黏劑進(jìn)行了篩選，對(duì)乳化機(jī)制進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，所選擇的乳化降黏劑配方具有97.36%的降黏率，較好地減輕了高溫對(duì)乳化降黏劑的影響，為稠油油田耐熱乳化降黏劑的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)參考。

2.3 新型生物表面活性劑降黏技術(shù)

生物表面活性劑由微生物在疏水介質(zhì)中形成，是一種具有表面活性的代謝產(chǎn)物，包含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)，主要有糖脂、脂肽、磷脂、脂肪酸、中性油、聚合物等。生物表面活性劑與化學(xué)表面活性劑具有協(xié)同作用[15]，但其表面活性比化學(xué)表面活性劑更大。有學(xué)者選擇能促進(jìn)稠油乳化和烴組分降解的內(nèi)部源微生物營(yíng)養(yǎng)激活系統(tǒng)，對(duì)菌群的營(yíng)養(yǎng)代謝通路進(jìn)行了深入分析，對(duì)1株嗜熱解烴菌降黏稠油及特稠油的性能進(jìn)行了深入研究，對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行了分析。微生物所形成的表面活性劑，其驅(qū)油效率要高于化學(xué)表面活性劑[16]，且成本低廉，無(wú)二次污染，因此該技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和應(yīng)用[17]。生物表面活性劑技術(shù)的不足是其培養(yǎng)條件的不穩(wěn)定性，不同油層的極端條件很容易導(dǎo)致微生物死亡或不產(chǎn)生表面活性劑。

2.4 堿與表面活性劑協(xié)同降黏技術(shù)

翟文琪[18]比較了無(wú)機(jī)堿和有機(jī)堿乳化稠油的性能，結(jié)果表明，在稠油的乳化作用和改善稠油采收率方面，有機(jī)堿比無(wú)機(jī)堿更具優(yōu)越性。在稠油中，有機(jī)堿可與稠油中的石油酸（脂肪酸、環(huán)烷酸）發(fā)生反應(yīng)[19]，產(chǎn)生界面活性物質(zhì)石油羧酸鹽，從而降低油水中的界面張力[20]，提高乳狀液的穩(wěn)定性。

2.5 自乳化結(jié)合外力降黏技術(shù)

在儲(chǔ)層厚度薄、滲透率低等特殊的儲(chǔ)層條件下，采用常規(guī)的乳化降黏技術(shù)很難取得良好的開(kāi)發(fā)效果。王繼剛[21]提出了一種使用相應(yīng)的表面活性劑，并在一些機(jī)械能（如察覺(jué)不到的震動(dòng)、使用儀器攪拌或在超聲波環(huán)境下）的協(xié)同作用下，將稠油的高黏度降低的方法。

2.6 乳化降黏與摻稀稠油技術(shù)結(jié)合

稠油調(diào)合技術(shù)可以在一定程度上提高原油的降黏率，但需要用到的稀油量較多，因此經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不明顯。將乳化降黏技術(shù)與稀重油技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，則是一個(gè)較好的選擇?？梢韵炔捎霉不旒夹g(shù)，再通過(guò)乳化技術(shù)來(lái)降低重油的黏度。呂吉立在陳南稠油的調(diào)合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度下，稀油的調(diào)合量越大，降黏率越高。低溫共混的降黏效果明顯好于高溫共混。不同含水量的稠油其降黏規(guī)律基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加稀釋液和乳化劑，可以促進(jìn)重油的破乳脫水過(guò)程。

2.7 微波降黏技術(shù)

有學(xué)者通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算，研究了微波電場(chǎng)對(duì)稠油體系中瀝青質(zhì)聚集的影響。通過(guò)對(duì)軌跡的處理，計(jì)算了瀝青質(zhì)與其他組分的聚集形態(tài)、相互作用類型及流變行為。結(jié)果表明，微波電場(chǎng)在微觀分子水平上對(duì)瀝青質(zhì)等組分的聚集起重要作用，會(huì)導(dǎo)致稠油體系的表觀黏度發(fā)生變化。在5V·m-1的微波電場(chǎng)作用下，瀝青質(zhì)主要以p-p的形式堆積，并與樹(shù)脂緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的高黏度體系膠體結(jié)構(gòu)。增加電場(chǎng)后，p-p的積累逐漸被破壞，黏度出現(xiàn)下降。微波電場(chǎng)為20V·m-1時(shí)，瀝青質(zhì)呈t型堆積，有利于組分間形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，但不利于黏度的降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)適當(dāng)?shù)奈⒉妶?chǎng)是降低黏度的關(guān)鍵?？紤]到微波的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，低溫下微波的降黏更有效。因此，微波功率和處理溫度的有效組合是獲得更好降黏效果的關(guān)鍵。

3 存在的不足

稠油輸送是目前石油行業(yè)中面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)，稠油的高黏度和低流動(dòng)性，導(dǎo)致原油的采收率低，運(yùn)輸成本高。為了解決這一問(wèn)題，石油行業(yè)對(duì)稠油的降黏技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。目前，許多新型的綜合型稠油降黏技術(shù)已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但也存在許多不足之處。

3.1 技術(shù)穩(wěn)定性不夠

目前提出的綜合型稠油降黏技術(shù)，大多通過(guò)化學(xué)藥劑和物理處理手段來(lái)破壞稠油分子間的相互作用力，但在不同的環(huán)境條件下，化學(xué)藥劑和物理手段的效果可能會(huì)有很大的變化，導(dǎo)致這些技術(shù)的穩(wěn)定性不夠。一些化學(xué)藥劑可能會(huì)在極端的溫度、壓力下失效，導(dǎo)致稠油黏度增加，從而給稠油輸送帶來(lái)不良影響。

3.2 能耗和成本高

大多數(shù)綜合型稠油降黏技術(shù)都需要消耗大量的能源和高成本的化學(xué)藥劑，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。因此，需要探索更加節(jié)能環(huán)保、成本更低的稠油降黏技術(shù)。

3.3 對(duì)環(huán)境的影響

大多數(shù)綜合型稠油降黏技術(shù)要依賴高濃度的化學(xué)藥劑，這些藥劑在使用和處置過(guò)程中可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。一些化學(xué)藥劑可能會(huì)污染水源，影響生態(tài)環(huán)境的平衡。因此，在稠油降黏技術(shù)的研究中需要考慮環(huán)境保護(hù)的因素。

3.4 實(shí)驗(yàn)條件不足

稠油降黏技術(shù)的研究需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，但是稠油的特殊性質(zhì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)條件很難復(fù)制。例如在實(shí)驗(yàn)室中，很難模擬稠油在不同溫度、壓力、流速和黏度下的運(yùn)輸情況。實(shí)驗(yàn)條件的不足還表現(xiàn)在難以獲取足夠的樣品和數(shù)據(jù)。稠油是一種非常珍貴的資源，獲取稠油樣品需要極高的成本和技術(shù)，因此很難獲得足夠數(shù)量的稠油樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備很難處理高黏度的稠油，由此導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度問(wèn)題。

乳化減黏工藝具有減黏快、企業(yè)生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)，但也存在許多缺點(diǎn)：1）重油生產(chǎn)后難以破乳，乳化處理成本高；2）含水量大（30%或更多）[22]，超稠油的含水量超過(guò)了50%，增加了后續(xù)污水處理工序的負(fù)擔(dān)，使得處理過(guò)程更加困難；3）重油組分的差異導(dǎo)致降黏公式的通用性較差；4）油包水型乳液的腐蝕不容忽視；5）增黏劑的耐溫性和耐鹽性有限，即使效果很好，成本也相對(duì)較高。在乳化降黏機(jī)理中，稠油成分對(duì)降黏效果的影響尚不明確[23]。乳液降黏劑的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，將是今后研究的重要內(nèi)容[24]。

目前提出的綜合型稠油降黏技術(shù)未能深入研究稠油的物理化學(xué)特性，導(dǎo)致這些技術(shù)存在許多未知的因素，例如稠油在不同條件下的流變性能、分子間的相互作用力等，這些因素對(duì)稠油降黏技術(shù)的研究至關(guān)重要。目前提出的綜合型稠油降黏技術(shù)尚未被廣泛應(yīng)用，其在實(shí)際應(yīng)用中的效果和可行性仍存在不確定性。此外，稠油降黏技術(shù)要考慮多種因素的綜合影響，包括稠油成分、輸送條件、降黏技術(shù)的種類和條件等，這使得技術(shù)應(yīng)用的前景不明確。從目前的研究情況來(lái)看，雖然稠油降黏技術(shù)得到了大量的研究和發(fā)展，但也存在著許多問(wèn)題，主要有以下一些：首先是單一的降黏技術(shù)不能適用于所有類型的稠油；其次，各種新型稠油降黏技術(shù)的成本過(guò)高。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是研究稠油的降黏機(jī)理。目前對(duì)稠油降黏技術(shù)的機(jī)理研究獲得了一定的成果，但稠油降黏是一項(xiàng)多學(xué)科的綜合技術(shù)，對(duì)其機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)，有賴于石化、原油流變學(xué)、聚合物合成、表面活性劑合成、輸油技術(shù)、采油技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[25]。因此，有必要從根本上發(fā)展復(fù)合降黏技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）未來(lái)稠油降黏技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是多種技術(shù)的結(jié)合，或新技術(shù)與傳統(tǒng)稠油降黏工藝的結(jié)合。例如，將熱減黏技術(shù)與化學(xué)減黏技術(shù)相結(jié)合，形成熱復(fù)合減黏技術(shù)；或集開(kāi)采、集輸、脫水、精制于一體，形成一體化技術(shù)。

2）從目前的研究情況看，各種稠油降黏技術(shù)已經(jīng)得到了很大的研究和發(fā)展，但也存在很多問(wèn)題。對(duì)某個(gè)油藏的降黏效果好的技術(shù)，不一定適用于另一個(gè)油藏。原因是不同油藏稠油的地質(zhì)條件和性質(zhì)差異較大，很難采用通用的技術(shù)。

3）有必要從微觀結(jié)構(gòu)的角度探索降黏劑的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，并結(jié)合動(dòng)力學(xué)和理論計(jì)算，研究稠油的內(nèi)部機(jī)理。