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稠油降粘技术及降粘机理研究进展34722946

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稠油降粘 技术 机理 研究进展 34722946
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© 1994 ’ 另第 卷 第 期稠 油 降 粘 技 术 及 降 粘 机 理 研 究 进 展柳 荣 伟 ’ 陈 侠 玲 周 宁 ’辽 河 油 田 公 司 钻 采 工 艺 研 究 院 , 盘 锦 辽 河 油 田 公 司 沈 阳 采 油 厂 采 油 作 业 一 区 , 新 民摘 要 综 述 了 传 统 和 新 开 发 的 稠 油 降 粘 技 术 及 其 降 粘 机 理 , 并 分 析 了 各 种 降 粘 技 术 的 优 势和 不 足 , 指 出 发 展 复 合 降 枯 技 术 是 未 来 稠 油 降 粘 的 研 究 方 向 。关 键 词 稠 油 降 粘 技 术 降 粘 机 理世 界 稠 油 资 源 极 为 丰 富 , 其 地 质 储 量 远 超 过常 规 原 油 〔 ‘ 〕 。 据 统 计 , 世 界 稠 油 、 超 稠 油 和 天 然 沥青 的 储 量 约 为 。 我 国 已 在 个 盆 地 发现 了 多 个 重 质 油 田 , 〕 , 其 资 源 量 约 占 总 石 油资 源 的 一 。 为 满 足 工 农 业 生 产 对 能 源日 益 增 长 的 需 求 , 稠 油 的 开 发 日 益 引 起 各 国 的 重视 。 据 美 国 能 源 部 预 测 , 到 本 世 纪 中 叶 , 稠 油 和 超稠 油 将 占 世 界 能 源 供 应 量 的 以 上 。 密 度 大 、凝 点 高 、 粘 度 大 、 流 动 困 难 是 我 国 稠 油 资 源 的 突 出特 点 。 因 此 , 降 低 稠 油 粘 度 , 改 善 其 流 动 性 是 解决 稠 油 开 采 、 集 输 和 炼 制 问 题 的 关 键 。稠 油 降 粘 技 术 及 降 粘 机 理加 热 降 粘 技 术稠 油 的 粘 度 受 温 度 的 影 响 比 常 规 原 油 更 敏感 〕 , 加 热 降 粘 技 术 主 要 是 根 据 稠 油 粘 度 对 温度 的 依 赖 性 很 强 , 随 着 油 温 从 高 到 低 变 化 , 稠 油 会从 牛 顿 型 流 体 转 变 为 非 牛 顿 型 流 体 , 随 着 温 度 升高 , 稠 油 枯 度 呈 下 降 趋 势 。 这 是 因 为 稠 油 中 胶 质与 沥 青 质 分 子 的 结 构 特 点 及 相 互 作 用 , 使 稠 油 体系 形 成 了 一 定 程 度 的 二 键 和 氢 键 , 当 体 系 获 得 足够 的 能 量 时 , 键 和 氢 键 被 破 坏 , 造 成 稠 油 粘 度 大幅 度 降 低 , 特 别 是 超 稠 油 和 特 稠 油 , 这 是 热 力 开 采稠 油 的 主 要 机 理 。用 加 热 降 粘 技 术 输 送 稠 油 是 传 统 的 输 送 方法 , 在 许 多 国 家 和 地 区 都 得 到 了 广 泛 应 用 , 委 内 瑞拉 从 年 开 始 采 用 这 种 技 术 。 但 最 大 缺 点 是当 管 线 温 度 降 至 环 境 温 度 时 , 常 发 生 凝 管 事 故 〔 ’ 〕 ,且 其 能 耗 高 , 占 输 量 以 上 的 原 油 被 烧 掉 和 损耗 , 经 济 损 失 大 。 因 此 , 应 逐 渐 减 少 或 取 代 加 热 降粘 输 送 。 近 些 年 来 , 电 伴 热 法 应 用 越 来 越 广 泛 。掺 稀 油 降 粘 技 术掺 稀 油 降 枯 技 术 是 将 稀 油 加 人 高 粘 度 的 稠 油中 进 行 稀 释 , 降 低 稠 油 粘 度 。 其 作 用 机 理 是 通过 稀 释 剂 降 低 沥 青 胶 质 的 浓 度 , 从 而 减 弱 稠 油 中沥 青 质 胶 束 间 相 互 作 用 。 稀 油 掺 入 稠 油 后 , 对 于含 蜡 量 和 凝 固 点 较 低 而 胶 质 和 沥 青 质 含 量 较 高 的高 粘 原 油 , 其 降 凝 降 粘 作 用 较 显 著 。 而 对 于 含 蜡量 和 凝 固 点 较 高 的 原 油 , 其 降 凝 降 粘 作 用 较 差 。所 掺 稀 油 的 相 对 密 度 和 粘 度 越 小 , 降 凝 降 粘 效 果越 好 , 掺 人 量 越 大 , 降 凝 降 粘 作 用 越 显 著 。 一 般地 , 稠 油 与 稀 油 混 合 温 度 越 低 , 降 粘 效 果 越 好 。 但混 合 温 度 应 高 于 混 合 油 的 凝 固 点 一 ℃ , 等 于 或低 于 混 合 油 凝 固 点 时 , 降 粘 效 果 反 而 变 差 。 在 低温 下 , 掺 入 稀 油 后 可 改 变 稠 油 流 型 , 使 其 从 屈 服 假塑 性 流 体 或 假 塑 性 流 体 转 变 为 牛 顿 型 流 体 闭 。在 我 国 辽 河 高 升 油 田 稠 油 中 , 掺 人 的 稀油 量 , 可 使 ℃ 的 粘 度 由 口 吠 一 降为 一 · 。在 油 井 含 水 量 升 高 后 , 总 液 量 增 加 , 掺 输 管 可改 作 出 油 管 。 因 此 , 在 具 有 稀 油 资 源 的 油 田 , 稀 油稀 释 降 粘 具 有 更 好 的 经 济 性 和 适 应 性 。 但 掺 稀 油降 粘 也 存 在 不 足 , 首 先 , 受 到 稀 油 资 源 的 限 制 , 由于 稀 油 储 量 有 限 , 且 产 量 呈 下 降 的 趋 势 其 次 , 稀油 掺 人 前 , 必 须 经 过 脱 水 处 理 , 而 掺 入 后 , 又 变 成混 合 含 水 油 , 需 再 次 脱 水 , 增 加 了 能 源 消 耗 再 次 ,稀 油 用 作 稀 释 剂 掺 人 稠 油 后 , 降 低 了 稀 油 的 物 性 。稠 油 与 稀 油 混 合 共 管 外 输 时 , 不 但 增 加 了 输 量 , 并对 炼 油 厂 工 艺 流 程 及 技 术 设 施 产 生 不 利 的 影响 困 。 所 以 掺 稀 油 降 粘 有 一 定 的 局 限 性 。 目 前 新疆 、 胜 利 、 河 南 等 油 田 对 距 离 较 远 的 接 转 站 , 均 采用 掺 稀 油 降 粘 流 程 。收 稿 日 期 一 。作 者 简 介 柳 荣 伟 , 工 程 师 硕 士 , 年 毕 业 于 大 庆 石 油学 院 现 从 事 油 田 及 化 工 添 加 剂 研 究 工 作 。© 1994 , 在 催 化 剂 的 作 用 下 , 使 高碳 数 的 稠 油 发 生 部 分 裂 解 而 成 为 轻 质 油 , 不 可 逆地 降 低 了 稠 油 粘 度 。 水 热 催 化 裂 解 降 粘 技 术 具 有很 高 的 潜 在 价 值 , 是 未 来 经 济 、 高 效 开 采 稠 油 的 新途 径 。 该 技 术 通 过 水 热 裂 解 改 善 了 稠 油 的 油 品 品质 , 使 原 油 的 蒸 汽 压 增 加 , 油 层 压 力 和 能 量 增加 〔 ’ 。 〕 , 并 具 有 较 高 的 利 润 。稠 油 水 热 裂 解 中 最 重 要 的 反 应 步 骤 是 稠 油 中有 机 硫 化 物 硫 键 的 裂 解 , 这 可 能 是 由 于 油 层 矿 物中 某 些 金 属 离 子 、 稠 油 重 质 组 分 中 键 合 金 属 及 添加 的 金 属 催 化 作 用 所 致 , 金 属 离 子 与 水 分 子 络 合而 成 络 离 子 , 对 稠 油 中 杂 原 子 进 攻 , 造 成 稠 油 中一 健 断 裂 , 使 稠 油 中 的 沥 青 质 含 量 降 低 , 稠 油分 子 变 小 , 相 对 分 子 质 量 减 小 , 最 终 导 致 稠 油 粘 度降 低 〔 ” , ’ 〕 。 水 热 裂 解 反 应 过 程 中 产 生 的 姚 在 催化 剂 作 用 下 可 实 现 井 下 就 地 加 氢 , 饱 和 烃 、 芳 香 烃含 量 增 加 , 及 胶 质 、 沥 青 质 含 量 降 低 , 为 稠 油 粘 度的 降 低 提 供 了 条 件 , 稠 油 及 沥 青 质 相 对 分 子 质 量和 杂 原 子 含 量 的 降 低 , 使 稠 油 分 子 间 的 作 用 力 降低 , 导 致 稠 油 粘 度 进 一 步 降 低 。 水 热 裂 解 反 应 通过 水 气 转 换 等 反 应 生 成 的 氢 也 促 进 了 有 机 硫 化 物的 加 氢 脱 硫 反 应 。 稠 油 脱 拨 和 脱 梭 作 用 也 可 降 低稠 油 中 含 量 , 和 的 脱 除 使 胶 质 和 沥 青 质 重质 组 分 含 量 降 低 , 稠 油 相 对 分 子 质 量 和 极 性 减 小 ,分 子 聚 集 作 用 减 弱 , 导 致 稠 油 粘 度 降 低 。 稠 油 中重 质 组 分 发 生 的 脱 烷 基 侧 链 作 用 会 因 某 些 催 化 物质 及 供 氢 物 质 的 存 在 而 得 到 加 强 , 进 而 裂 解 并 改质 稠 油 。 但 有 些 情 况 下 , 由 于 聚 合 反 应 的 竞 争 而使 粘 度 不 仅 不 减 小 反 而 增 大 , 这 取 决 于 温 度 、 反 应时 间 、 稠 油 组 成 和 反 应 环 境 等 条 件 , 可 以 通 过 添 加碱 性 物 质 控 制 反 应 体 系 的 碱 性 促 进 裂 解 反应 〔 ’ , ’ 〕 。 水 热 催 化 裂 解 降 粘 技 术 不 同 于 单 纯 的热 采 法 , 是 不 可 逆 的 , 但 该 技 术 需 要 热 驱 动 , 催 化剂 选 择 较 难 , 限 制 了 其 发 展 。 研 制 效 果 好 、 成 本 低的 催 化 剂 将 是 以 后 的 主 要 研 究 方 向 〕 。微 生 物 降 粘 技 术微 生 物 降 粘 技 术 是 一 项 利 用 微 生 物 自 身 活 动降 解 作 用 和 代 谢 产 物 表 面 活 性 剂 等 活 动 提 高油 井 产 量 或 原 油 采 收 率 的 综 合 性 技 术 。 微 生 物 降低 稠 油 粘 度 主 要 是 〔 ’ · ’ 〕 通 过 降 低 稠 油 中 大分 子 组 分 , 减 小 其 平 均 相 对 分 子 量 微 生 物 产生 的 生 物 表 面 活 性 剂 、 酸 、 气 等 代 谢 产 物 能 大 幅 降低 粘 度 。 其 降 粘 机 理 包 括 〔 ’引 就 地 生 成 仇以 增 加 压 力 , 增 强 原 油 中 溶 解 能 力 生 成 有 机酸 而 改 善 原 油 性 质 利 用 降 解 作 用 将 大 分 子 的烃 类 转 化 为 低 分 子 烃 产 生 表 面 活 性 剂 以 改 善原 油 的 溶 解 能 力 产 生 生 物 聚 合 物 将 固 结 的 原油 分 散 成 滴 状 对 原 油 重 质 组 分 进 行 生 化 活 性的 酶 改 进 , 从 而 改 善 原 油 粘 度 。 该 技 术 具 有 成 本低 、 施 工 方 便 、 适 应 性 强 、 产 出 液 后 处 理 容 易 、 不 污染 环 境 、 经 济 效 益 好 的 优 点 , 已 成 为 重 要 的 三 次 采油 技 术 。 微 生 物 单 井 吞 吐 已 经 在 胜 利 油 田 东 辛一 井 成 功 应 用 〔 ’ 〕 。目 前 微 生 物 对 稠 油 的 降 解 主 要 针 对 高 碳 直 链烷 烃 , 适 用 于 中 低 含 量 胶 质 、 沥 青 质 的 普 通 稠 油 油藏 , 而 对 于 富 含 沥 青 质 、 胶 质 的 稠 油 , 由 于 沥 青 质 、胶 质 结 构 复 杂 , 微 生 物 对 其 降 解 十 分 困 难 , 开 采 效果 并 不 理 想 〔 〕 。 因 此 , 开 发 培 育 针 对 于 沥 青质 、 胶 质 结 构 的 优 良 微 生 物 菌 种 , 具 有 重 大 的 现 实意 义 。 另 外 , 微 生 物 技 术 效 果 与 油 层 特 征 、 施 工 背景 和 菌 种 与 地 层 流 体 的 配 伍 性 能 有 关 , 开 发 的 微生 物 菌 种 往 往 针 对 性 强 , 适 用 面 窄 。 并 且 微 生 物在 温 度 较 高 、 盐 度 较 大 、 重 金 属 离 子 含 量 较 高 的 油藏 条 件 下 易 遭 到 破 坏 , 微 生 物 产 生 的 表 面 活 性 剂和 生 物 聚 合 物 本 身 有 生 成 沉 淀 的 可 能 , 并 且 培 养微 生 物 的 条 件 不 易 把 握 。 这 些 都 限 制 了 该 技 术 的发 展 与 应 用 。 因 此 , 培 养 耐 温 、 耐 盐 、 耐 重 金 属 离子 的 易 培 养 菌 种 是 微 生 物 降 粘 技 术 的 发 展 方 向 。油 溶 性 降 粘 剂 降 粘 技 术油 溶 性 降 粘 剂 降 粘 是 在 降 凝 剂 技 术 的 基 础 上发 展 的 一 种 新 型 降 粘 技 术 。 降 粘 机 理 〔 是 降 粘剂 分 子 借 助 较 强 的 形 成 氢 键 能 力 通 过 渗 透 、 分 散作 用 进 人 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 有 降 粘 剂 分 子参 与 形 成 新 的 氢 键 的 聚 集 体 。 这 些 聚 集 体 片 状分 子 具 有 无 规 则 堆 砌 、 结 构 比 较 松 散 、 有 序 程 度 较低 、 空 间 延 伸 度 较 小 的 特 点 , 降 低 了 稠 油 的 粘 度 。由 于 不 同 稠 油 的 胶 质 、 沥 青 质 分 子 结 构 和 分 子 大小 不 同 , 油 溶 性 降 粘 剂 具 有 很 强 的 选 择 性 。 一 般来 说 , 加 人 降 凝 剂 时 稠 油 凝 固 点 会 降 低 。 由 于 蜡的 网 状 结 构 被 抑 制 , 屈 服 值 降 低 , 表 观 粘 度 也 有 一定 幅 度 的 下 降 , 即 降 凝 剂 都 具 有 降 粘 作 用 。 目 前已 经 有 针 对 性 地 开 发 了 一 些 专 门 用 于 降 粘 的 油 溶性 降 粘 剂 , 这 些 降 粘 剂 与 降 凝 剂 的 最 大 不 同 在 于© 1994 〔 进 展第 卷 第 期其 结 构 中 含 有 极 性 较 大 的 官 能 团 和 或 表 面 活 性的 官 能 团 , 有 时 还 与 表 面 活 性 剂 或 溶 剂 复 配 使用 〔 。 国 内 外 有 关 油 溶 性 降 粘 剂 的 报 道 较 少 , 主要 集 中 在 降 凝 剂 方 面 。油 溶 性 降 粘 剂 可 以 直 接 加 降 粘 剂 , 还 可 以 避免 乳 化 降 粘 存 在 的 后 处 理 如 脱 水 问 题 , 有 很 好的 开 发 前 景 。 但 还 存 在 一 些 问 题 , 如 降 粘 率 不 高 ,降 粘 效 果 较 好 的 降 粘 率 一 般 仅 为 左 右 , 与 乳化 降 粘 剂 相 比 , 油 溶 性 降 粘 剂 价 格 较 高 , 且 药 剂 用量 大 , 导 致 使 用 成 本 高 , 单 独 使 用 很 难 达 到 生 产 要求 , 特 别 是 对 于 特 稠 油 、 超 稠 油 , 即 使 油 溶 性 降 粘剂 的 降 粘 率 很 高 , 也 不 能 满 足 降 至 · 的 生产 要 求 , 必 须 与 其 他 工 艺 配 合 使 用 , 而 这 又 降 低 油溶 性 降 粘 剂 的 应 用 价 值 。 到 目 前 为 止 , 完 全 用 油溶 性 降 粘 剂 进 行 稠 油 化 学 降 粘 开 采 的 工 业 性 试 验在 国 内 外 文 献 中 尚 未 见 报 道 。 当 然 这 除 了 没 有 性能 优 良 的 降 粘 剂 外 , 井 下 加 药 工 艺 不 过 关 也 是 一个 制 约 因 素 〔 ’ 。 深 入 研 究 探 索 稠 油 降 粘 机 理 是成 功 设 计 新 型 油 溶 性 稠 油 降 粘 剂 的 关 键 。 油 溶 性降 粘 剂 的 研 究 趋 势 是 在 分 子 骨 架 上 引 人 具 有 极 性或 表 面 活 性 的 侧 链 , 利 用 极 性 基 团 和 表 面 活 性 剂基 团 的 空 间 效 应 和 降 低 固 液 界 面 张 力 的 能 力 , 提高 对 蜡 晶 、 胶 质 、 沥 青 质 的 分 散 作 用 。 具 有 极 性 官能 团 侧 链 和 长 烷 基 主 链 的 二 元 、 三 元 共 聚 物 是 目前 油 溶 性 降 粘 剂 的 主 要 成 分 , 高 分 子 表 面 活 性 剂或 高 表 面 活 性 的 表 面 活 性 剂 与 之 复 配 增 效 和 降 低成 本 是 油 溶 性 降 粘 剂 的 发 展 趋 势 ’ 〕 。乳 化 降 粘 技 术乳 化 降 粘 就 是 在 表 面 活 性 剂 作 用 下 , 使 稠 油的 型 乳 状 液 转 变 成 型 乳 状 液 , 达 到 降粘 的 目 的 。 乳 化 降 粘 的 机 理 主 要 包 括 〔 , 川乳 状 液 理 论 在 表 面 活 性 剂 的 作 用 下 , 注 人 井 下 的水 溶 液 使 高 粘 度 的 稠 油 , 即 型 乳 状 液 转 变 为低 粘 度 的 型 乳 状 液 , 实 现 稠 油 的 乳 化 降 粘 开采 。 表 面 活 性 剂 的 水 溶 液 与 稠 油 形 成 的 乳状 液 体 系 的 粘 度 , 主 要 取 决 于 分 散 介 质 即 水 外相 的 粘 度 , 但 内 相 的 体 积 分 数 对 乳 状 液 粘 度 也 有影 响 。 由 于 原 油 中 含 有 天 然 乳 化 剂 包 括 胶 质 、 沥青 质 、 环 烷 酸 、 叶 琳 族 化 合 物 等 , 当 原 油 含 水 后 ,易 形 成 型 乳 状 液 , 使 原 油 粘 度 急 剧 增 加 。 水包 油 乳 状 液 的 粘 度 随 油 在 乳 状 液 中 所 占 体 积 分 数的 增 加 而 呈 指 数 形 式 增 加 对 于 油 包 水 乳 状 液 , 其粘 度 与 油 粘 度 成 正 比 , 含 水 量 越 大 , 粘 度 越 高 。最 佳 密 堆 积 理 论 根 据 立 体 几 何 的 最 佳 密 堆 积原 理 , 原 油 中 含 水 量 小 于 时 , 应 形 成 稳 定的 型 乳 状 液 , 含 水 量 大 于 时 , 应 形 成稳 定 的 型 乳 状 液 , 含 水 量 在范 围 内 , 属 于 不 稳 定 区 域 , 既 可 形 成型 , 又 可 形 成 型 的 乳 状 液 。 由 于 原 油 中 含 有天 然 的 型 乳 化 剂 , 一 般 形 成 乳 状 液 , 使 原油 粘 度 大 幅 增 加 。乳 化 降 粘 技 术 的 关 键 是 选 择 质 优 、 价 廉 、 高 效的 乳 化 降 粘 剂 。 较 好 的 降 粘 剂 应 具 有 以 下 特性 〔 , ’ 〕 对 稠 油 具 有 较 好 的 乳 化 性 , 能 形 成 比较 稳 定 的 乳 状 液 , 降 粘 效 率 高 形 成 的乳 状 液 不 能 太 稳 定 , 否 则 影 响 下 一 步 的 原 油脱 水 。 近 年 来 , 有 关 乳 化 降 粘 剂 的 配 方 研 究 十 分活 跃 , 但 仍 存 在 较 多 问 题 〔 虽 然 用 作 乳 化 降粘 剂 的 表 面 活 性 剂 的 配 方 很 多 , 但 适 用 范 围 均 较窄 , 通 常 某 一 特 定 的 降 粘 剂 只 适 合 于 某 一 种 稠 油 。稠 油 组 成 的 差 异 是 造 成 乳 化 降 粘 方 法 适 用 范 围 窄的 主 要 原 因 。 稠 油 组 成 如 何 影 响 乳 化 降 粘 效果 , 乳 化 降 粘 剂 结 构 与 其 性 能 的 关 系 如 何 , 至 今 仍未 得 出 明 确 的 答 案 。 随 着 采 油 深 度 增 加 和 地质 条 件 的 复 杂 化 , 对 乳 化 降 粘 剂 提 出 了 更 高 的 要求 , 不 仅 要 求 其 具 有 低 界 面 张 力 , 而 且 要 求 它 抗 矿盐 、 耐 高 、 低 成 本 。 因 此 , 研 究 廉 价 的 耐 盐 、 耐 高 温的 降 粘 剂 是 今 后 乳 化 降 粘 技 术 的 重 要 发 展 方 向 。超 声 波 降 粘 技 术超 声 波 降 粘 是 近 年 来 发 展 迅 速 的 降 粘 新 技术 , 西 方 国 家 在 声 波 研 究 上 已 取 得 了 一 定 的 成 效和 发 展 , 国 内 各 大 油 田 也 陆 继 开 展 了 超 声 波 降粘 的 研 究 工 作 。 在 稠 油 开 采 和 输 送 中 , 超 声 可 起到 对 油 井 及 输 送 管 道 的 防 垢 、 除 垢 、 降 低 原 油 的 粘度 、 提 高 岩 层 的 渗 透 率 等 作 用 。超 声 降 粘 的 作 用 机 理 主 要 有 , 空 化作 用 , 当 一 定 频 率 的 超 声 波 作 用 于 稠 油 时 , 使 稠 油中 微 小 泡 核 被 激 活 。 当 声 压 足 够 大 时 , 在 声 波 负压 作 用 下 , 气 泡 核 膨 胀 在 声 波 正 压 作 用 下 , 气 泡核 压 缩 , 表 现 出 气 泡 核 的 振 荡 、 生 长 、 收 缩 、 崩 溃 等一 系 列 动 力 学 过 程 。 气 泡 核 崩 溃 时 , 在 其 周 围 的极 小 空 间 和 极 短 时 间 内 , 局 部 产 生 高 温 达℃ , 瞬 时 压 力 可 达 几 千 甚 至 几 万 个 大 气 压 ,并 伴 随 着 强 烈 的 冲 击 波 和 时 速 达 左 右 的射 流 的 空 化 作 用 。 超 声 波 的 空 化 作 用 可 以 改 变 原油 内 部 结 构 , 使 原 油 的 部 分 大 分 子 断 裂 为 小 分 子 ,© 1994 , 使 原 油 粘 度 降 低 。 其 降 粘 效 果 与采 用 的 超 声 声 强 及 频 率 等 有 关 。 机 械 振 动 作用 , 超 声 波 在 弹 性 介 质 中 传 播 , 会 显 著 提 高 弹 性 粒子 的 振 幅 、 速 度 及 加 速 度 。 机 械 振 动 作 用 造 成 稠油 中 较 小 分 子 与 惰 性 大 的 大 分 子 链 间 发 生 较 大 的相 对 运 动 , 增 强 分 子 间 的 摩 擦 力 , 打 断 一 键 ,破 碎 大 分 子 团 , 起 到 降 粘 的 作 用 。 热 作 用 , 超声 波 在 原 油 中 传 播 时 , 原 油 介 质 吸 收 声 能 转 化 成热 能 在 不 同 介 质 的 分 界 面 处 , 边 界 摩 擦 产 生 热空 化 作 用 在 气 泡 崩 溃 时 产 生 热 , 使 原 油 温 度 升 高 ,从 而 使 原 油 降 粘 。 乳 化 作 用 , 超 声 波 作 用 于 稠油 , 使 稠 油 内 一 定 数 量 的 空 泡 产 生 振 动 并 在 空 泡界 面 产 生 剪 切 力 , 使 稠 油 形 成 乳 状 液 , 在 相 浓 度 小于 一 定 值 时 , 乳 状 液 是 以 型 为 主 , 其 粘 度 较大 , 当 相 浓 度 超 过 一 定 值 时 , 乳 状 液 类 型 受 机 械 剪切 力 作 用 发 生 突 变 , 由 型 突 变 为 型 , 使 稠油 间 的 摩 擦 转 变 为 水 与 管 壁 及 水 与 水 之 间 的 摩擦 , 从 而 使 其 粘 度 、 摩 擦 阻 力 大 幅 降 低 。 稠 油 粘 度降 低 是 由 超 声 空 化 、 机 械 振 动 、 热 效 应 和 超 声 乳 化用 综 合 作 用 的 结 果 。经 超 声 波 处 理 后 , 稠 油 分 子 结 构 发 生 变 化 , 导致 其 部 分 结 构 永 久 性 的 改 变 , 造 成 了 不 可 逆 性 , 引起 原 油 粘 度 降 低 。 但 随 着 分 子 结 构 的 恢 复 , 处 理后 的 稠 油 粘 度 略 有 上 升 , 但 幅 度 不 大 , 远 低 于 处 理前 的 粘 度 , , 。磁 处 理 降 粘 技 术早 在 世 纪 年 代 前 苏 联 便 开 始 研 究 将 磁技 术 应 用 于 石 油 工 业 , 但 由 于 当 时 的 永 磁 材 料 性能 不 稳 定 , 场 强 较 低 , 耐 温 较 低 , 使 用 一 段 时 间 后发 生 退 磁 现 象 , 仪 器 失 效 , 因 而 限 制 了 磁 技 术 的 发展 。 近 十 几 年 来 , 高 性 能 稀 土 永 磁 材 料 的 出 现 , 使磁 技 术 在 油 田 应 用 得 到 迅 速 发 展 。 大 庆 油 田 自年 开 始 磁 技 术 研 究 工 作 , 已 取 得 明 显 效 果 。辽 河 油 田 于 年 开 始 研 究 磁 技 术 , 已 成 功 地 应用 到 高 凝 高 稠 油 井 开 采 工 艺 上 , 现 已 达 到 降 低 凝固 点 一 ℃ , 降 粘 率 一 , 开 创 了 磁 降 凝降 粘 技 术 成 功 应 用 的 先 例 。 目 前 这 项 技 术 已 推 广到 印 度 油 田 市 场 , 受 到 印 度 油 田 专 家 的 好 评 〔 〕 。由 于 原 油 是 抗 磁 性 物 质 , 当 原 油 通 过 磁 场 时 ,磁 化 作 用 产 生 诱 导 磁 距 , 抑 制 蜡 晶 形 成 和 聚 结 , 使蜡 晶 以 小 颗 粒 形 式 存 在 于 稠 油 中 , 同 时 稠 油 中 石蜡 、 胶 质 、 沥 青 质 等 抗 磁 性 物 质 会 进 行 近 程 有 序 排列 , 增 强 了 流 动 性 , 降 低 了 稠 油 粘 度 。 烷 烃 分 子 中质 子 外 围 电 子 的 自 旋 磁 距 受 到 磁 场 作 用 后 产 生 微小 改 变 这 种 改 变 是 相 对 于 原 来 的 轨 道 而 言 的 ,即 产 生 瞬 时 的 诱 导 磁 距 , 破 坏 了 石 蜡 分 子 结 晶 时的 定 向 排 列 , 使 蜡 晶 不 易 聚 集 , 破 坏 和 延 长 蜡 晶 的生 成 , 起 防 蜡 降 凝 的 作 用 同 时 , 磁 化 作 用 破 坏 了原 油 各 烃 类 分 子 间 的 作 用 力 使 分 子 间 的 聚 合 力 减弱 , 其 中 胶 质 和 沥 青 质 以 分 散 相 而 不 是 缔 结 相 溶解 在 原 油 中 , 使 原 油 粘 度 降 低 , 流 动 性 增 强 。 原 油受 磁 场 作 用 时 间 很 短 , 诱 导 磁 距 是 逐 渐 消 失 的 , 由此 而 引 起 原 油 物 理 性 质 的 变 化 也 是 逐 渐 消 失 的 。磁 化 作 用 一 定 时 间 后 , 原 油 性 质 会 恢 复 到 磁 化 前的 状 态 〔 。, 电 场 降 粘 技 术纯 净 的 石 油 是 中 性 液 体 电 介 质 , 既 无 偶 极 分子 , 也 不 以 离 子 结 构 为 主 , 不 易 被 极 化 。 但 水 是 强极 性 电 介 质 , 在 外 电 场 作 用 下 , 以 偶 极 分 子 的 转 向极 化 为 主 。 油 田 中 的 水 , 一 种 以 分 子 状 态 溶 解 于油 中 , 这 种 状 态 的 水 对 油 的 耐 电 强 度 影 响 不 大 , 另一 种 是 以 乳 化 状 态 悬 浮 在 油 中 , 这 种 状 态 的 水 对油 的 耐 电 强 度 有 明 显 影 响 。 在 一 ℃ 范 围 内 ,温 度 升 高 时 , 后 一 种 水 向 前 一 种 转 化 , 温 度 降 低 则相 反 。 低 于 ℃ 后 , 水 将 逐 渐 凝 固 成 冰 粒 , 冰 的 介电 常 数 与 油 接 近 , 对 电 场 畸 变 的 程 度 减 弱 。 故 在℃ 左 右 时 , 呈 乳 化 悬 浮 状 态 的 水 最 多 , 此 时 其 极化 能 力 最 强 。 因 此 , 对 含 水 稠 油 , 在 适 宜 的 环 境 温度 下 , 选 取 有 足 够 能 量 和 一 定 频 率 的 高 频 电 波 , 既可 以 达 到 稠 油 极 化 降 粘 的 目 的 , 又 不 致 将 稠 油 击穿 成 导 体 〔 川 。 稠 油 中 极 性 分 子 受 到 交 流 电 场 作用 产 生 转 向 极 化 , 造 成 分 子 转 向 磨 擦 、 碰 撞 而 将 电磁 能 转 换 为 热 能 使 稠 油 温 度 升 高 , 有 利 于 稠 油 粘度 下 降 同 时 稠 油 分 子 在 交 变 电 场 作 用 下 进 行 周期 性 排 列 组 合 , 稠 油 分 子 键 被 破 坏 , 稠 油 粘 度 进 一步 降 低 。 直 流 电 场 对 稠 油 的 作 用 异 于 交 流 电 场 ,其 能 促 使 油 和 水 分 离 。 直 流 电 场 作 用 使 稠 油 中 的游 离 水 及 乳 化 水 成 为 电 偶 极 子 , 偶 极 子 的 异 性 极相 吸 引 , 小 水 分 子 受 电 场 作 用 合 并 成 大 水 分 子 , 加快 水 的 沉 降 , 达 到 油 水 分 离 的 目 的 , 改 变 了 稠 油 物性 , 这 对 降 低 粘 度 高 的 含 水 稠 油 相 当 有 利 。 如 果将 电 场 与 磁 场 接 合 , 既 能 对 稠 油 产 生 极 化 作 用 和电 热 效 应 , 又 有 磁 化 效 应 , 会 达 到 较 好 的 降 粘 效果 。 大 庆 喇 嘛 甸 油 田 已 将 电 场 应 用 于 稠 油 开 采中 。 该 技 术 对 环 境 无 污 染 , 工 艺 技 术 易 操 作 、 易 管理 , 有 利 于 安 全 生 产 和 提 高 油 田 生 产 现 代 化 水© 1994 ’ 〕 。微 波 加 热 降 粘 技 术微 波 是 频 率 大 约 在 一 、 护 、 波 长在 一 范 围 内 的 电 磁 波 。 微 波 加 热 具 有很 多 传 统 加 热 方 法 无 法 比 拟 的 优 点 , 如 微 波 具 有能 量 利 用 效 率 很 高 , 瞬 间 加 热 , 对 混 合 物 料 中 的各 个 组 分 加 热 时 具 有 选 择 性 的 加 热 加 热 无 滞 后效 应 加 热 过 程 中 具 有 “ 热 效 应 ” 与 “ 非 热 效 应 ” 等特 性 〔 , 幻 。 热 效 应 是 由 于 微 波 会 对 介 电 材 料 产生 电 子 或 原 子 极 化 、 界 面 及 偶 极 转 向 极 化 , 使 材 料内 部 的 功 率 耗 散 , 将 损 耗 能 转 变 成 热 能 。 这 种 加热 不 同 于 一 般 的 外 部 热 源 由 表 及 里 的 传 导 式 加热 , 而 是 材 料 在 电 磁 场 中 由 于 介 质 内 部 的 功 率 损耗 而 引 起 的 体 积 加 热 而 非 热 效 应 是 在 微 波 作 用下 , 反 应 体 系 温 度 在 远 低 于 常 规 加 热 温 度 时 , 与 常规 加 热 具 有 相 同 的 产 率 或 更 快 的 化 学 反 应 速 度或 在 别 的 条 件 如 温 度 相 同 的 情 况 下 , 微 波 化 学反 应 相 对 于 常 规 加 热 反 应 的 速 度 快 , 而 且 有 时 还伴 有 新 物 质 生 成 亦 或 在 常 规 加 热 条 件 下 不 能 或很 难 进 行 的 化 学 反 应 , 在 微 波 作 用 下 变 得 能 够 进行 。 对 于 导 热 性 较 差 的 材 料 加 热 , 微 波 具 有 明 显的 优 势 , 而 稠 油 由 于 导 热 性 较 差 , 常 规 方 法 存 在 加热 速 度 慢 、 加 热 效 率 低 的 缺 点 , , 微 波 加 热 具有 的 高 效 率 、 高 速 度 和 清 洁 性 逐 渐 引 起 广 大 石 油工 作 者 的 注 意 , 到 目 前 为 止 , 微 波 在 石 油 工 业 中 的应 用 仍 处 于 实 验 阶 段 。稠 油 是 准 塑 性 流 型 的 流 体 , 在 微 波 作 用 下 , 由于 稠 油 内 部 的 胶 团 和 脱 沥 青 油 的 介 质 损 耗 值 不等 , 胶 团 和 脱 沥 青 油 升 温 速 度 各 不 相 同 , 且 相 差 较大 , 这 种 加 热 不 均 匀 性 造 成 了 微 波 加 热 稠 油 过 程中 出 现 温 度 失 控 和 局 部 过 热 等 现 象 , 加 热 效 率 较高 。 在 加 热 过 程 中 , 稠 油 粘 度 随 温 度 上 升 而 下 降 ,同 时 随 着 加 热 过 程 的 完 成 、 温 度 的 下 降 , 稠 油 粘 度会 随 着 温 度 的 恢 复 而 出 现 反 弹 现 象 微 波 的 “ 非 热效 应 ” 作 用 会 使 胶 质 沥 青 质 分 子 的 活 化 能 降 低 , 使胶 团 出 现 “ 局 部 过 热 ” 现 象 , 高 频 微 波 给 极 性 胶 质沥 青 质 分 子 提 供 了 一 个 额 外 的 转 动 矩 , 使 其 作 旋转 运 动 , 且 微 波 的 频 率 接 近 分 子 的 转 动 频 率 , 使 处于 微 波 场 中 的 烃 类 大 分 子 发 生 共 振 产 生 剪 应 力 ,使 大 分 子 烃 链 断 裂 成 小 分 子 烃 链 , 引 起 化 学 分 子结 构 的 变 化 , 实 现 胶 团 的 裂 解 , 使 得 稠 油 中 胶 质 沥青 质 含 量 减 小 , 不 可 逆 地 降 低 了 稠 油 粘 度 , 改 善 了稠 油 流 动 性 , 且 稠
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