劉 偉，李兆敏，孫曉娜，李賓飛

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059;2.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580)

引 言

勝利油田王莊鄭411塊為深薄層超稠油油藏，地面脫氣原油密度為1.0433 g/cm3，油藏溫度(68℃)下地面脫氣原油密度大于1.2×105mPa·s，油藏埋深為1400～1600 m，油層有效厚度約為6～8 m。該區(qū)塊自2006年開始經(jīng)過蒸汽吞吐、SAGD等多種技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但由于原油黏度大且埋深較深，導(dǎo)致蒸汽注入壓力過高，降低了蒸汽干度，無法實(shí)現(xiàn)該區(qū)塊的有效開發(fā)。在前期研究的基礎(chǔ)上，該區(qū)塊運(yùn)用HDCS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超稠油油藏的有效動(dòng)用，并進(jìn)入到全面開發(fā)階段［1－2］。該區(qū)塊利用HDCS技術(shù)有效降低了原油黏度和注氣壓力，但由于這屬于1種多元復(fù)合吞吐技術(shù)，其中各因素在降低原油黏度、改善原油性質(zhì)方面所發(fā)揮的作用、降黏機(jī)理和各因素間是否存在協(xié)同作用等問題目前尚未明確，因此，有必要掌握HDCS技術(shù)中各因素的降黏機(jī)理及對(duì)超稠油性質(zhì)的影響，明確其在鄭411區(qū)塊超稠油開發(fā)中的作用，以對(duì)其他類似油藏的有效開發(fā)提供一定的借鑒和思路。

原油的流變特性主要取決于原油中氣體和固體物質(zhì)的含量以及固體物質(zhì)在原油中的分散程度。原油中的液態(tài)組分通?？蓜澐譃橥樽濉h(huán)烷族和芳香族3種類型，固體組分主要是石蠟、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)［3－4］。稠油與含蠟原油組成上的明顯不同為稠油體系中蠟含量極低(鄭411區(qū)塊原油含蠟量為1.59%)，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量較高。稠油高黏度的實(shí)質(zhì)并非石蠟的存在，而是其本身分子(特別是瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子)在體系各種力相互作用下所形成的復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)［5］。Pfeiffer［6］和 Yen.T.F［7］研究發(fā)現(xiàn)稠油體系是1種膠體系統(tǒng)，該認(rèn)識(shí)已得到公認(rèn)，其中瀝青質(zhì)為分散相或膠束相，膠質(zhì)為溶膠劑，油分(飽和分和芳香分)為分散介質(zhì)或膠束間相，瀝青質(zhì)通過膠質(zhì)的分散作用形成液性瀝青溶膠，其中對(duì)稠油黏度影響較大的是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量及其結(jié)構(gòu)。目前廣泛采用SARA四組分(飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì))來表示原油的膠體結(jié)構(gòu)［8］。本文主要通過超稠油的原油組分、化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)及黏度等的變化來分析其降黏機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方案

實(shí)驗(yàn)通過蒸汽、二氧化碳、降黏劑與鄭411區(qū)塊特超稠油的不同組合，評(píng)價(jià)其單獨(dú)或協(xié)同降黏的效果。利用柱色譜法分別測(cè)定不同組合方案后原油的黏度、四組分含量及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子質(zhì)量變化情況，然后利用核磁共振測(cè)試其中瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以分析其降黏機(jī)理。

該方案共設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)7組(1～7號(hào))，各組組成分別如下:1號(hào)原始油樣;2號(hào)原油加油溶性降黏劑;3號(hào)原油加柴油;4號(hào)原油加蒸汽;5號(hào)原油加二氧化碳;6號(hào)原油加二氧化碳和蒸汽;7號(hào)原油加蒸汽、二氧化碳和油溶性降黏劑。反應(yīng)時(shí)間均為120 min，黏度均在60℃下測(cè)得。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及藥品

實(shí)驗(yàn)藥品:鄭411區(qū)塊采出原油，地面脫氣原油60℃下黏度為145169 mPa·s;SLKF系列油溶性復(fù)合降黏劑;二氧化碳?xì)怏w，純度為99.999%;93號(hào)柴油;正庚烷，分析純;甲苯，分析純;石油醚為60～90℃;無水乙醇，化學(xué)純;中性氧化鋁，層析用，100～200目。

實(shí)驗(yàn)裝置:油浴鍋、超級(jí)恒溫水浴、真空干燥箱、馬弗爐、漏斗、錐形瓶、吸附柱、FYXD0325/400永磁旋轉(zhuǎn)攪拌高壓釜、VPO K－7000分子質(zhì)量測(cè)定儀、Bruker Avance－500型核磁共振波普儀等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同實(shí)驗(yàn)條件下超稠油組分及分子質(zhì)量變化

鄭411區(qū)塊超稠油不同條件下的黏度及四組分變化情況見表1、2。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下超稠油黏度變化情況

由表1可以看出，4號(hào)方案原油與蒸汽作用后，黏度略有升高，其余方案均不同程度降低了超稠油的黏度。由于黏度均為在60℃條件下測(cè)得，蒸汽對(duì)超稠油的熱力降黏作用并沒有充分體現(xiàn)，且由于油水乳化，導(dǎo)致了其黏度略有升高［9］。

鄭411區(qū)塊超稠油與降黏劑、柴油和二氧化碳作用后，其黏度分別降低了56.10%、51.53%和16.60%;超稠油分別與二氧化碳+蒸汽、二氧化碳+蒸汽+降黏劑作用后，其黏度也分別降低了60.12%和84.38%。

表2 不同實(shí)驗(yàn)條件下超稠油組含量變化情況

雖然2號(hào)、3號(hào)和5～7號(hào)方案中鄭411區(qū)塊超稠油黏度均不同程度的降低，但上述方案中稠油四組分含量及膠質(zhì)瀝青質(zhì)分子質(zhì)量變化趨勢(shì)則有所不同，這也反映了其黏度變化機(jī)理的不同。

(1)超稠油與降黏劑作用后，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量分別下降了350和1115，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)分子質(zhì)量也分別降低了25.55%和26.80%，說明SLKF油溶性降黏劑對(duì)鄭411區(qū)塊超稠油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)具有解締作用;柴油對(duì)鄭411區(qū)塊超稠油的降黏效果非常明顯，但其中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量及分子質(zhì)量基本沒有變化，而且在四組分含量測(cè)定過程中柴油在300℃之前已經(jīng)被蒸餾掉，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，可以看出柴油的降黏作用主要依靠其對(duì)超稠油的稀釋，而對(duì)超稠油的化學(xué)性質(zhì)基本沒有影響;原油與蒸汽作用后黏度有所增加，但原油四組分及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子質(zhì)量基本沒有變化，說明蒸汽對(duì)原油的化學(xué)性質(zhì)基本沒有影響，黏度變化可能是因?yàn)樵徒?jīng)過蒸汽作用后混入了少量的水，產(chǎn)生了原油乳化造成的［9］;原油與二氧化碳作用后黏度稍有降低，但原油四組分及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子質(zhì)量基本沒有變化，說明二氧化碳對(duì)原油的化學(xué)性質(zhì)基本沒有影響，黏度變化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，同時(shí)由于溫度和壓力較低，原油原始黏度較大，二氧化碳靠自身擴(kuò)散作用較難溶入原油，原油黏度變化不大。

(2)稠油+二氧化碳+蒸汽相互作用后，原油黏度降低了60.12%，但原油四組分及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子質(zhì)量基本沒有變化，說明二氧化碳和蒸汽對(duì)原油的化學(xué)性質(zhì)基本沒有影響，黏度變化是由于二氧化碳的溶解作用造成的，由于溫度和壓力較高，二氧化碳在較高壓力下容易擴(kuò)散溶解到原油中，原油黏度下降幅度要高于單獨(dú)與蒸汽或二氧化碳作用。

(3)稠油與二氧化碳+蒸汽+降黏劑相互作用后，原油黏度降低幅度最大，為84.38%，原油膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量明顯降低，同時(shí)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子質(zhì)量也有較大幅度降低，而且比降黏劑與原油單獨(dú)作用時(shí)效果明顯，說明蒸汽、二氧化碳以及降黏劑的作用是相互促進(jìn)的，蒸汽的熱力降黏作用使得原油黏度變小，較低黏度的原油有利于二氧化碳和降黏劑的擴(kuò)散，提高了降黏效果。

3.2 核磁共振分析結(jié)果

通過核磁共振波譜法測(cè)定瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。配合油樣的碳?xì)湓颖?，可?jì)算油樣的芳香度:

式中:fA為油樣的芳香度;C為油樣中碳原子數(shù);H為油樣中氫原子數(shù);HT為與芳香碳直接相連的氫原子數(shù);Hα為與芳香環(huán)的α碳直接相連的氫原子數(shù);Hβ為芳香環(huán)的β碳上的氫以及β以遠(yuǎn)的CH2及CH基上的氫原子數(shù);Hγ為芳香環(huán)的γ位以及γ以遠(yuǎn)的CH3基上的氫原子數(shù)。

通過式(1)計(jì)算得出fA，結(jié)果見表3。

表3 核磁共振氫譜測(cè)定瀝青質(zhì)4類氫的分布

假定整個(gè)環(huán)系均為渺位縮合，且環(huán)烷環(huán)都是六圓環(huán)與芳香環(huán)并合，則瀝青質(zhì)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)可根據(jù)式(2)～(7)求得:

式中:CT、CA、CN、CP、H1分別為平均分子中的總碳數(shù)、芳香碳數(shù)、環(huán)烷碳數(shù)、烷基碳數(shù)和總氫數(shù);RT、RA、RN相應(yīng)為平均分子中的總環(huán)數(shù)、芳香環(huán)數(shù)和環(huán)烷環(huán)數(shù)。

根據(jù)表3所得數(shù)據(jù)，按式(2)～(7)計(jì)算瀝青質(zhì)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表4可知:加入降黏劑后，瀝青質(zhì)分子中fA有所上升，總碳數(shù)、芳香碳數(shù)、環(huán)烷碳數(shù)、烷基碳數(shù)、芳香環(huán)和環(huán)烷環(huán)數(shù)均有所降低，這說明降黏劑具有解締瀝青質(zhì)的作用，能分離超稠油瀝青質(zhì)中的部分結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致芳香環(huán)數(shù)量上升;二氧化碳、蒸汽和降黏劑復(fù)配使用時(shí)，以上參數(shù)降低程度最大，說明3種因素協(xié)同作用對(duì)瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響最大;而其他形式的處理方式基本不影響稠油瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了柴油、二氧化碳和蒸汽對(duì)稠油瀝青質(zhì)無解締作用。

4 結(jié)論

(1)降黏劑、二氧化碳和柴油對(duì)鄭411區(qū)塊超稠油均有較為明顯的降黏效果，但其降黏機(jī)理不同。降黏劑與鄭411區(qū)塊超稠油作用后，可以解締瀝青質(zhì)，導(dǎo)致超稠油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量和分子質(zhì)量均呈下降趨勢(shì)，瀝青質(zhì)分子中芳香度上升;且降黏劑與二氧化碳和蒸汽復(fù)配使用時(shí)，其可以產(chǎn)生協(xié)同作用，明顯降低原油黏度，對(duì)瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響也最大。

(2)二氧化碳對(duì)鄭411區(qū)塊超稠油的降黏機(jī)理主要是依靠二氧化碳的溶解，且溫度升高時(shí)，二氧化碳溶解性變好，降黏效果也更為明顯。柴油和二氧化碳及蒸汽對(duì)稠油的化學(xué)性質(zhì)沒有影響。

(3)油溶性降黏劑對(duì)鄭411區(qū)塊超稠油的降黏效果明顯，瀝青質(zhì)含量和分子質(zhì)量下降幅度較大，對(duì)于瀝青質(zhì)含量較高的超稠油油藏，可以充分利用油溶性降黏劑解締瀝青質(zhì)大分子的特性，有效降低注氣壓力，提高注氣干度。

［1］張繼國，李安夏，李兆敏，等.超稠油油藏HDCS強(qiáng)化采油技術(shù)［M］.東營(yíng):中國石油大學(xué)出版社，2009:128－152.

［2］李兆敏，鹿騰，陶磊，等.超稠油水平井二氧化碳與降黏劑輔助蒸汽吞吐技術(shù)［J］.石油勘探與開發(fā)，2011，38(5):600－606.

［3］尉小明，劉喜林，等.稠油降黏方法概述［J］.精細(xì)石油化工，2002，12(5):45 －49.

［4］張鳳英，李建波，等.稠油油溶性降黏劑研究進(jìn)展［J］.特種油氣藏，2006，13(2):1 －6.

［5］常運(yùn)興，張新軍.稠油油溶性降黏劑降黏機(jī)理研究［J］.油氣田地面工程，2006，25(4):8 －9.

［6］Yen T F，Erdman J G，Pollack S S.Investigation of the structure of petroleum asphaltenes by X－ray diffraction［J］.Anal Chem，1961，33(11):1587 －1594.

［7］Pfeiffer J Ph，Shall R N J.Asphaltic bitumen as colloidal system［J］.J Phys Chem，1940，44(2):139 －149.

［8］Moschopedis S E，Speight J G.Investigation of the carbonyl functions in a resin fraction from Athabasca bitumen［J］.Fuel，1976，55(3):184 －186.

［9］田茂昌，敬加強(qiáng)，等.稠油—水兩相流乳化條件的實(shí)驗(yàn)?zāi)M［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31(4):250－256.