郭永成

摘 ?????要： 隨著重油利用率不斷增加，重油降黏技術(shù)不斷受到人們重視。重油降黏方式有很多種，常用的降黏方式有物理降黏、微生物降黏、淺度熱裂化降黏、化學(xué)降黏和水熱裂解降黏。每種降黏方法優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。綜述了幾種主要重油降黏方法，為重油開(kāi)采提供有效依據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：重油;黏度;物理降黏;化學(xué)降黏

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 022.1;TQ 317.3 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?????文章編號(hào)：1671-0460（2019）01-0155-04

Abstract： With the increasing of heavy oil utilization rate， heavy oil viscosity reduction technology has been attracted more and more attention. There are many ways to reduce the viscosity of heavy oil，The commonly used methods include physical viscosity reduction， chemical viscosity reduction， microbial viscosity reduction， shallow thermal cracking viscosity reduction and aquathermolysis viscosity reduction. Each method has its advantages and disadvantages. In this paper， several main methods of reducing viscosity of heavy oil were summarized， which could provide effective basis for heavy oil production.

Key words： Heavy oil; Viscosity; Physical viscosity reduction; Chemical viscosity reduction

1 ?重油特點(diǎn)及降黏必要性

高黏度重質(zhì)原油稱為重油，俗稱稠油。人們通常將在油層溫度條件下，地面密度大于0.943×103 kg/m3，黏度大于50 mPa·s的原油歸類(lèi)為重油。重油屬于環(huán)烷基原油。與常規(guī)原油相比，重油有如下特點(diǎn)：①常規(guī)重油中石蠟量相對(duì)較低，極少數(shù)重油石蠟量相對(duì)較高。②重油中輕餾分相對(duì)較少，瀝青質(zhì)，膠質(zhì)較多。③重油中雜原子含量高，金屬原子主要是釩和鎳等原子，非金屬原子主要有硫、氧、氮原子。④與常規(guī)原油相比，理化性質(zhì)相差比較大。重油黏度高是重油開(kāi)采和利用主要面臨的問(wèn)題，重油黏度過(guò)高會(huì)使重油開(kāi)采收率降低，常規(guī)管輸困難，且設(shè)備損壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性差，所以降低重油黏度是重油開(kāi)采和集輸?shù)年P(guān)鍵。

2 ?重油致黏機(jī)理及黏度影響因素

重油與常規(guī)原油主要區(qū)別為具有高密度、高黏度。重油黏度過(guò)高是由于重油瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量過(guò)高所引起的，其中瀝青質(zhì)貢獻(xiàn)率最大。幾種主要重油四組分與黏度的關(guān)系如表1所示。

重油中雜原子個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)原油，且主要分布在重油瀝青質(zhì)中，重油中非金屬雜原子（O、N、S）與重油中過(guò)渡金屬離子能形成配合物，使重油中分子發(fā)生聚集，黏度升高[1]。不同地區(qū)原油中金屬含量并不相同，因此不同地區(qū)原油黏度差別很大，這是由于雜原子之間形成的金屬離子配合物非常穩(wěn)定，穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于芳環(huán)之間電子作用造成的分子聚集（表2）。

由于配合物作用所誘發(fā)的聚集無(wú)法通過(guò)外加試劑和加熱的方式使其重新分散開(kāi)來(lái)，通過(guò)加熱或加驅(qū)油用表面活性劑只能使由電子作用所造成的聚集分散開(kāi)來(lái)，所以只有脫除原油及瀝青質(zhì)中雜原子才能實(shí)現(xiàn)不可逆降黏。Pfeiffer和Saal研究表明膠質(zhì)的存在可以促使瀝青質(zhì)分散均勻。只有重油四組分的量保持合適比例時(shí)，才能保證重油黏度處于適度范圍。

3 ?重油降黏方法介紹

3.1 ?重油非改質(zhì)降黏

3.1.1 ?加熱降黏

與常規(guī)原油相比，重油黏溫特性更為明顯。這是因?yàn)橹赜椭袨r青質(zhì)和膠質(zhì)含量較多，且其分子之間相互作用形成氫鍵和π鍵，這兩種化學(xué)鍵主要影響流體的黏度，但能以加熱的方式破壞這兩種化學(xué)鍵，從而降低流體黏度[2，3]。加熱降黏就是利用這一特點(diǎn)采用加熱方法來(lái)提高重油的流動(dòng)性，進(jìn)而降低重油黏度，使重油達(dá)到管輸狀態(tài)的一種輸送方法[4]。重油加熱降黏主要采用的加熱方式是蒸汽或熱水加熱。蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)和熱水驅(qū)法開(kāi)采重質(zhì)原油就是運(yùn)用該種方法降低油品黏度來(lái)進(jìn)行原油開(kāi)采。近年來(lái)隨著電加熱的發(fā)展，加熱方式逐漸被電加熱所取代。電伴熱與熱水和熱蒸汽加熱相比有很多優(yōu)勢(shì)，如可以在較大范圍內(nèi)控制加熱溫度、可設(shè)定不同加熱時(shí)間，熱效高。

加熱降黏應(yīng)用最為普遍，在各大油田均有應(yīng)用，主要優(yōu)點(diǎn)是適合各種重油，工藝簡(jiǎn)單。但也有很多缺陷，主要缺陷為高能耗，而且在輸送后極易形成管堵凝管[5]，經(jīng)濟(jì)性較差。

3.1.2 ?摻稀降黏

重油摻稀降黏是重油集輸較常用降黏方法，摻稀降黏就是將輕質(zhì)原油、柴油餾分油、煤油、石腦油、低黏原油、天然氣凝固液等參照合適的用量混入重油，使摻稀后原油黏度下降，從而達(dá)到原油集輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)[6]。根據(jù)各地區(qū)重油性質(zhì)不同，摻稀油比例也不盡相同，但在適合溫度下應(yīng)選擇合適的摻稀比，經(jīng)過(guò)摻稀后的原油可實(shí)現(xiàn)不加熱輸送[7，8]。

摻稀降黏有很多優(yōu)點(diǎn)：摻稀降黏可以大幅度降低重油黏度，在原油管道停輸時(shí)不會(huì)發(fā)生凝管現(xiàn)象，所用輕質(zhì)原油能通過(guò)簡(jiǎn)單的分離重復(fù)利用[9]，適用于稀油豐富的油田，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。但也有不足之處：稀油量不易保證，有可能加劇瀝青質(zhì)沉淀，破壞體系穩(wěn)定性，影響油質(zhì)，并且重油和稀油價(jià)格方面差別大，摻稀后對(duì)經(jīng)濟(jì)效益造成很大影響[10]。

3.1.3 ?摻熱水或活性水降黏

該方法是在油中混入活性水或熱水，在一定溫度和機(jī)械剪切條件下，使重油在水中以滴狀形態(tài)存在。從而使水和油產(chǎn)生水包油型乳狀液體系或稠油懸浮于水中的油水分散體系。此方法在國(guó)內(nèi)遼河油田，勝利油田有應(yīng)用。此方法優(yōu)勢(shì)為輸送壓降不高，設(shè)備投資低[11]，適用范圍較廣，工藝較簡(jiǎn)單。該方法對(duì)含S，N等雜原子多的重油不適用，因?yàn)榭梢允构艿澜Y(jié)垢腐蝕嚴(yán)重，且摻水溫度高，摻水量大，脫水負(fù)荷大，能耗過(guò)高，對(duì)設(shè)備損害嚴(yán)重，效益較差。

3.1.4 ?乳化降黏

乳化降黏是指溫度不變的情況下，加入表面活性劑，使重油和表面活性劑形成低黏度水包油型乳狀液，從而使重油黏度降低，顯著降低重油的流動(dòng)阻力的非改質(zhì)降黏方式[12]。重油乳化降黏已經(jīng)是較為成熟的一種重油降黏方式，國(guó)內(nèi)外對(duì)此方法進(jìn)行了數(shù)十年的探究，Poynter和Simon實(shí)驗(yàn)中成功將重油由W/O型轉(zhuǎn)變成O/W型乳狀液，使管輸阻力降低，采油效率顯著提高[13]。我國(guó)乳化降黏起步較晚，但很快取得了一定成果，在適當(dāng)條件下降黏率能超過(guò)90%。乳化劑的作用機(jī)理主要是以下三個(gè)方面，一是能形成牢固的界面膜，二是能降低油水間的界面張力，三是能形成靜電排斥作用。

此方法操作簡(jiǎn)便，操作條件溫和，適用性較強(qiáng)，降黏效果顯著，但對(duì)乳化劑的要求比較高，優(yōu)良的乳化劑應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）能夠使油水表面張力顯著降低，可形成W/O型乳液[14]。（2）在開(kāi)采和運(yùn)輸中性質(zhì)穩(wěn)定，后續(xù)加工需要分層脫水。（3）溶油能力強(qiáng)，膠束和膠束聚集數(shù)多，另外乳化劑成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

3.1.5 ?超聲波降黏

超聲波降黏是用超聲波對(duì)重質(zhì)原油進(jìn)行處理，使重油分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久變化，使得部分大分子斷裂成小分子，達(dá)到降低黏度的目的。該方法的原理如下[15，16]：（1） 超聲波震動(dòng)能夠影響彈性介質(zhì)的震動(dòng)。重油中大分子和小分子結(jié)構(gòu)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變，使摩擦力增加進(jìn)而生熱，產(chǎn)生的能量能夠破壞分子中碳碳單鍵，從而重油中部分大分子裂解，降低重油黏度。（2）由于空化作用使重油中存在泡核，一定的頻率震蕩能夠?qū)⑴莺思せ?，同時(shí)超聲波震動(dòng)產(chǎn)生的聲壓使泡核有生長(zhǎng)、收縮、破裂等變化，當(dāng)泡核破裂時(shí)在其周?chē)鷺O小范圍內(nèi)短時(shí)可產(chǎn)生超高溫，使大分子斷鏈成小分子，從而降低重油黏度，同時(shí)溫度的升高也能使重油黏度降低。（3）重油中部分空泡受超聲波震蕩影響，在空泡界面產(chǎn)生剪切力使重油中出現(xiàn)部分乳狀液，摩擦形式轉(zhuǎn)變，降低流動(dòng)阻力。

超聲波降黏是上述幾種特點(diǎn)共同作用產(chǎn)生的，在分子上產(chǎn)生永久變化，即使之后會(huì)部分恢復(fù)，但是黏度仍然會(huì)有大幅降低[15]。超聲波降黏近幾年發(fā)展速度較快，西方國(guó)家在該研究上已經(jīng)取得了一定成果[17]，國(guó)內(nèi)主要在勝利油田和遼河油田有小規(guī)模試驗(yàn)應(yīng)用，且與水熱裂解方法結(jié)合使用，應(yīng)用范圍小，技術(shù)不成熟，主要優(yōu)點(diǎn)是使用該方法可以減少水的摻入，但使用該技術(shù)消耗能量多，效益較差。

3.1.6 ?磁處理降黏

磁處理降黏原理大體包含三個(gè)方面：（1）原油具有抗磁性，在磁場(chǎng)的影響下能夠產(chǎn)生誘導(dǎo)磁矩，使蠟晶小顆粒分布在重油中，降低黏度;并且使重油中其他抗磁性物質(zhì)如膠質(zhì)等在重油中一定范圍內(nèi)有序排列使重油黏度降低。（2）重油中有機(jī)大分子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁矩能夠破壞大分子內(nèi)相互作用力，降低大分子間聚合力從而降低油黏度。（3）大分子產(chǎn)生的磁矩還能影響重質(zhì)原油中蠟結(jié)晶，蠟晶減少后油的黏度降低。

磁處理在一定程度上能夠降低重質(zhì)原油的黏度，但是這些作用都是由磁場(chǎng)影響產(chǎn)生得到的，是物理變化，當(dāng)磁場(chǎng)消失后，重油黏度還會(huì)恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)[18]。磁處理降黏在大慶油田和遼河油田有一部分應(yīng)用，此方法技術(shù)成熟性較差，對(duì)原油溫度等條件要求較高，設(shè)備投資較大，工藝復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)效益較差，應(yīng)用范圍不大。

3.1.7 ?微生物降黏

微生物黏度是指將分別培養(yǎng)的微生物與有利于其繁殖的營(yíng)養(yǎng)液混合在一起之后注入油層中或者單獨(dú)注入與微生物相適應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液使其在油層中快速增長(zhǎng)產(chǎn)生大量代謝物從而降低重油黏度[19，20]。

微生物降黏機(jī)理是微生物能在地層條件下產(chǎn)生含有疏水和親水基團(tuán)的生物表面活性劑，這種物質(zhì)能乳化，潤(rùn)濕，吸收，分散，溶解水中的難溶物[21]。此外微生物可以作用于原油中瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分[22]，但由于瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子復(fù)雜，降解效果并不十分理想，所以新菌種的培養(yǎng)尤為重要[23]。

微生物降黏方法在克拉瑪依油田有應(yīng)用，此方法工藝簡(jiǎn)單，在常溫常壓下即可操作，但此方法成本較高，應(yīng)用范圍小，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，降黏效果不穩(wěn)定，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下較難推廣。

3.1.8 ?油溶性降黏劑降黏

針對(duì)傳統(tǒng)降黏劑所存在的缺陷，人們?cè)谄浠A(chǔ)上開(kāi)始研究油溶性降黏劑。油溶性降黏劑能夠直接加到重質(zhì)原油當(dāng)中，不必進(jìn)行脫水。油溶性降黏劑主要由表面活性劑官能團(tuán)和強(qiáng)極性官能團(tuán)組成;為了達(dá)到更好效果，還可以與溶劑共同使用[24]。油溶性降黏劑主要機(jī)理是改變膠質(zhì)和瀝青質(zhì)原本排列方式從而降黏[25，26]。正常情況下，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)聚集體在重質(zhì)原油中多采用平面重疊有序的方式排列，油溶性降黏劑由于具有強(qiáng)生成氫鍵的能力，能夠分散膠質(zhì)和瀝青質(zhì)原來(lái)的排列方式，使膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的聚集體排列更松散，不規(guī)律[27]。

此方法在遼河油田，勝利油田均有試驗(yàn)，但未有報(bào)道單獨(dú)使用該方法進(jìn)行重油降黏，技術(shù)不成熟，雖然油溶性降黏劑有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但是還是有很大局限性，成本相對(duì)較高。首先油溶性降黏劑的降黏率沒(méi)有普通降黏劑高[28]，其次油溶性降黏劑用量高于乳化劑，所以其成本比較高，最后其他工藝的發(fā)展（如井下投藥工藝）制約油溶性降黏劑的使用。

3.2 ?重油改質(zhì)降黏

3.2.1 ?輕度熱裂化降黏

重油輕度熱裂化降黏工藝是指在一定壓力下，將重油加熱到一定溫度，使重油中重組分受熱分解，大分子物質(zhì)裂化成小分子物質(zhì)，使產(chǎn)生的輕組分物質(zhì)增加，不可逆提高重油的流動(dòng)性能[29，30]。張連紅[31]等進(jìn)行熱裂化研究，得到裂化后的重油基本能夠達(dá)到管輸要求，但熱裂化所需要的溫度較高，需要達(dá)到400 ℃以上，成本過(guò)大[32]。對(duì)裂化后的重油進(jìn)行四組分和餾程測(cè)定，可以得出輕組分含量增加，重油輕度熱裂化降黏通過(guò)改質(zhì)的方式不可逆降低了重油黏度。

熱裂化降黏應(yīng)用比較廣泛，在各大油田均有應(yīng)用，但設(shè)備投資較大，能耗大，但降黏效果較好，可以與摻稀降黏等方法結(jié)合使用。

3.2.2 ?水熱裂解改質(zhì)降黏

科學(xué)家Hyne最先提出水熱裂解降黏概念，重油水熱裂解反應(yīng)是指在重油中注入高溫水蒸氣，油水混合后發(fā)生加氫反應(yīng)，并能同時(shí)脫去硫、氮等元素[33，34]。水熱裂解包括有機(jī)硫化物分解，大分子烴類(lèi)熱裂解，加氫裂解，水煤氣反應(yīng)，加氫脫硫等反應(yīng)[35]。Hyne等人[36]研究不同重油和瀝青水熱裂解反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)硫化物和噻吩中硫鍵的水解反應(yīng)較主要。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的化學(xué)變化后雜原子硫得到脫除并產(chǎn)生H2，重油中的一些成分發(fā)生加氫反應(yīng)從而降黏。

水熱裂解降黏方法應(yīng)用范圍廣，各大油田均有不同程度應(yīng)用，工藝簡(jiǎn)單，基本不需要額外設(shè)備投資，能耗較低，但現(xiàn)階段缺少較好的催化劑，現(xiàn)階段催化劑催化效率需要提高。

4 ?結(jié) 論

重油降黏方法不同，原理各不相同，但都有局限。主要面臨的問(wèn)題是能耗大，降黏效果不好，油質(zhì)下降，外加化學(xué)試劑油溶性差，部分綠色方法難以推廣應(yīng)用。未來(lái)需要對(duì)綠色高溶解性化學(xué)添加劑，節(jié)能型新設(shè)備以及新型高效催化劑進(jìn)行研發(fā)。與非改質(zhì)降黏相比，水熱裂解等改質(zhì)降黏有好的應(yīng)用前景，但高效添加劑還需要進(jìn)一步研究。

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