重油降黏方法研究进展
郭永成
摘 ?????要： 随着重油利用率不断增加，重油降黏技术不断受到人们重视。重油降黏方式有很多种，常用的降黏方式有物理降黏、微生物降黏、浅度热裂化降黏、化学降黏和水热裂解降黏。每种降黏方法优缺点各不相同。综述了几种主要重油降黏方法，为重油开采提供有效依据。
关 ?键 ?词：重油;黏度;物理降黏;化学降黏
中图分类号：TQ 022.1;TQ 317.3 ??????文献标识码：A ?????文章编号：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 ?重油特點及降黏必要性
高黏度重质原油称为重油，俗称稠油。人们通常将在油层温度条件下，地面密度大于0.943×103 kg/m3，黏度大于50 mPa·s的原油归类为重油。重油属于环烷基原油。与常规原油相比，重油有如下特点：①常规重油中石蜡量相对较低，极少数重油石蜡量相对较高。②重油中轻馏分相对较少，沥青质，胶质较多。③重油中杂原子含量高，金属原子主要是钒和镍等原子，非金属原子主要有硫、氧、氮原子。④与常规原油相比，理化性质相差比较大。重油黏度高是重油开采和利用主要面临的问题，重油黏度过高会使重油开采收率降低，常规管输困难，且设备损坏严重，经济性差，所以降低重油黏度是重油开采和集输的关键。
2 ?重油致黏机理及黏度影响因素
重油与常规原油主要区别为具有高密度、高黏度。重油黏度过高是由于重油沥青质、胶质含量过高所引起的，其中沥青质贡献率最大。几种主要重油四组分与黏度的关系如表1所示。
重油中杂原子个数远远高于常规原油，且主要分布在重油沥青质中，重油中非金属杂原子（O、N、S）与重油中过渡金属离子能形成配合物，使重油中分子发生聚集，黏度升高[1]。不同地区原油中金属含量并不相同，因此不同地区原油黏度差别很大，这是由于杂原子之间形成的金属离子配合物非常稳定，稳定性远远高于芳环之间电子作用造成的分子聚集（表2）。
由于配合物作用所诱发的聚集无法通过外加试剂和加热的方式使其重新分散开来，通过加热或加驱油用表面活性剂只能使由电子作用所造成的聚集分散开来，所以只有脱除原油及沥青质中杂原子才能实现不可逆降黏。Pfeiffer和Saal研究表明胶质的存在可以促使沥青质分散均匀。只有重油四组分的量保持合适比例时，才能保证重油黏度处于适度范围。
3 ?重油降黏方法介绍
3.1 ?重油非改质降黏
3.1.1 ?加热降黏
与常规原油相比，重油黏温特性更为明显。这是因为重油中沥青质和胶质含量较多，且其分子之间相互作用形成氢键和π键，这两种化学键主要影响流体的黏度，但能以加热的方式破坏这两种化学键，从而降低流体黏度[2，3]。加热降黏就是利用这一特点采用加热方法来提高重油的流动性，进而降低重油黏度，使重油达到管输状态的一种输送方法[4]。重油加热降黏主要采用的加热方式是蒸汽或热水加热。蒸汽吞吐、蒸汽驱和热水驱法开采重质原油就是运用该种方法降低油品黏度来进行原油开采。近年来随着电加热的发展，加热方式逐渐被电加热所取代。电伴热与热水和热蒸汽加热相比有很多优势，如可以在较大范围内控制加热温度、可设定不同加热时间，热效高。
加热降黏应用最为普遍，在各大油田均有应用，主要优点是适合各种重油，工艺简单。但也有很多缺陷，主要缺陷为高能耗，而且在输送后极易形成管堵凝管[5]，经济性较差。
3.1.2 ?掺稀降黏
重油掺稀降黏是重油集输较常用降黏方法，掺稀降黏就是将轻质原油、柴油馏分油、煤油、石脑油、低黏原油、天然气凝固液等参照合适的用量混入重油，使掺稀后原油黏度下降，从而达到原油集输的标准[6]。根据各地区重油性质不同，掺稀油比例也不尽相同，但在适合温度下应选择合适的掺稀比，经过掺稀后的原油可实现不加热输送[7，8]。
掺稀降黏有很多优点：掺稀降黏可以大幅度降低重油黏度，在原油管道停输时不会发生凝管现象，所用轻质原油能通过简单的分离重复利用[9]，适用于稀油丰富的油田，工艺相对简单。但也有不足之处：稀油量不易保证，有可能加剧沥青质沉淀，破坏体系稳定性，影响油质，并且重油和稀油价格方面差别大，掺稀后对经济效益造成很大影响[10]。
3.1.3 ?掺热水或活性水降黏
该方法是在油中混入活性水或热水，在一定温度和机械剪切条件下，使重油在水中以滴状形态存在。从而使水和油产生水包油型乳状液体系或稠油悬浮于水中的油水分散体系。此方法在国内辽河油田，胜利油田有应用。此方法优势为输送压降不高，设备投资低[11]，适用范围较广，工艺较简单。该方法对含S，N等杂原子多的重油不适用，因为可以使管道结垢腐蚀严重，且掺水温度高，掺水量大，脱水负荷大，能耗过高，对设备损害严重，效益较差。
3.1.4 ?乳化降黏
乳化降黏是指温度不变的情况下，加入表面活性剂，使重油和表面活性剂形成低黏度水包油型乳状液，从而使重油黏度降低，显著降低重油的流动阻力的非改质降黏方式[12]。重油乳化降黏已經是较为成熟的一种重油降黏方式，国内外对此方法进行了数十年的探究，Poynter和Simon实验中成功将重油由W/O型转变成O/W型乳状液，使管输阻力降低，采油效率显著提高[13]。我国乳化降黏起步较晚，但很快取得了一定成果，在适当条件下降黏率能超过90%。乳化剂的作用机理主要是以下三个方面，一是能形成牢固的界面膜，二是能降低油水间的界面张力，三是能形成静电排斥作用。
此方法操作简便，操作条件温和，适用性较强，降黏效果显著，但对乳化剂的要求比较高，优良的乳化剂应具有以下特点：（1）能够使油水表面张力显著降低，可形成W/O型乳液[14]。（2）在开采和运输中性质稳定，后续加工需要分层脱水。（3）溶油能力强，胶束和胶束聚集数多，另外乳化剂成本较高，经济性较差。
3.1.5 ?超声波降黏
超声波降黏是用超声波对重质原油进行处理，使重油分子结构产生永久变化，使得部分大分子断裂成小分子，达到降低黏度的目的。该方法的原理如下[15，16]：（1） 超声波震动能够影响弹性介质的震动。重油中大分子和小分子结构之间相对运动改变，使摩擦力增加进而生热，产生的能量能够破坏分子中碳碳单键，从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，一定的频率震荡能够将泡核激活，同时超声波震动产生的声压使泡核有生长、收缩、破裂等变化，当泡核破裂时在其周围极小范围内短时可产生超高温，使大分子断链成小分子，从而降低重油黏度，同时温度的升高也能使重油黏度降低。（3）重油中部分空泡受超声波震荡影响，在空泡界面产生剪切力使重油中出现部分乳状液，摩擦形式转变，降低流动阻力。
超声波降黏是上述几种特点共同作用产生的，在分子上产生永久变化，即使之后会部分恢复，但是黏度仍然会有大幅降低[15]。超声波降黏近几年发展速度较快，西方国家在该研究上已经取得了一定成果[17]，国内主要在胜利油田和辽河油田有小规模试验应用，且与水热裂解方法结合使用，应用范围小，技术不成熟，主要优点是使用该方法可以减少水的掺入，但使用该技术消耗能量多，效益较差。
3.1.6 ?磁处理降黏
磁处理降黏原理大体包含三个方面：（1）原油具有抗磁性，在磁场的影响下能够产生诱导磁矩，使蜡晶小颗粒分布在重油中，降低黏度;并且使重油中其他抗磁性物质如胶质等在重油中一定范围内有序排列使重油黏度降低。（2）重油中有机大分子在磁场作用下产生的磁矩能够破坏大分子内相互作用力，降低大分子间聚合力从而降低油黏度。（3）大分子产生的磁矩还能影响重质原油中蜡结晶，蜡晶减少后油的黏度降低。
磁处理在一定程度上能够降低重质原油的黏度，但是这些作用都是由磁场影响产生得到的，是物理变化，当磁场消失后，重油黏度还会恢复到原来状态[18]。磁处理降黏在大庆油田和辽河油田有一部分应用，此方法技术成熟性较差，对原油温度等条件要求较高，设备投资较大，工艺复杂，经济效益较差，应用范围不大。
3.1.7 ?微生物降黏
微生物黏度是指将分别培养的微生物与有利于其繁殖的营养液混合在一起之后注入油层中或者单独注入与微生物相适应的营养液使其在油层中快速增长产生大量代谢物从而降低重油黏度[19，20]。
微生物降黏机理是微生物能在地层条件下产生含有疏水和亲水基团的生物表面活性剂，这种物质能乳化，润湿，吸收，分散，溶解水中的难溶物[21]。此外微生物可以作用于原油中沥青质等重质组分[22]，但由于沥青质、胶质分子复杂，降解效果并不十分理想，所以新菌种的培养尤为重要[23]。
微生物降黏方法在克拉玛依油田有应用，此方法工艺简单，在常温常压下即可操作，但此方法成本较高，应用范围小，生产周期长，降黏效果不稳定，在现有生产条件下较难推广。
3.1.8 ?油溶性降黏剂降黏
针对传统降黏剂所存在的缺陷，人们在其基础上开始研究油溶性降黏剂。油溶性降黏剂能够直接加到重质原油当中，不必进行脱水。油溶性降黏剂主要由表面活性剂官能团和强极性官能团组成;为了达到更好效果，还可以与溶剂共同使用[24]。油溶性降黏剂主要机理是改变胶质和沥青质原本排列方式从而降黏[25，26]。正常情况下，胶质和沥青质聚集体在重质原油中多采用平面重叠有序的方式排列，油溶性降黏剂由于具有强生成氢键的能力，能够分散胶质和沥青质原来的排列方式，使胶质和沥青质的聚集体排列更松散，不规律[27]。
此方法在辽河油田，胜利油田均有试验，但未有报道单独使用该方法进行重油降黏，技术不成熟，虽然油溶性降黏剂有其独特优点，但是还是有很大局限性，成本相对较高。首先油溶性降黏剂的降黏率没有普通降黏剂高[28]，其次油溶性降黏剂用量高于乳化剂，所以其成本比较高，最后其他工艺的发展（如井下投药工艺）制约油溶性降黏剂的使用。
3.2 ?重油改质降黏
3.2.1 ?轻度热裂化降黏
重油轻度热裂化降黏工艺是指在一定压力下，将重油加热到一定温度，使重油中重组分受热分解，大分子物质裂化成小分子物质，使产生的轻组分物质增加，不可逆提高重油的流动性能[29，30]。张连红[31]等进行热裂化研究，得到裂化后的重油基本能够达到管输要求，但热裂化所需要的温度较高，需要达到400 ℃以上，成本过大[32]。对裂化后的重油进行四组分和馏程测定，可以得出轻组分含量增加，重油轻度热裂化降黏通过改质的方式不可逆降低了重油黏度。
热裂化降黏应用比较广泛，在各大油田均有应用，但设备投资较大，能耗大，但降黏效果较好，可以与掺稀降黏等方法结合使用。
3.2.2 ?水热裂解改质降黏
科学家Hyne最先提出水热裂解降黏概念，重油水热裂解反应是指在重油中注入高温水蒸气，油水混合后发生加氢反应，并能同时脱去硫、氮等元素[33，34]。水热裂解包括有机硫化物分解，大分子烃类热裂解，加氢裂解，水煤气反应，加氢脱硫等反应[35]。Hyne等人[36]研究不同重油和瀝青水热裂解反应后发现硫化物和噻吩中硫键的水解反应较主要。经过复杂的化学变化后杂原子硫得到脱除并产生H2，重油中的一些成分发生加氢反应从而降黏。
水热裂解降黏方法应用范围广，各大油田均有不同程度应用，工艺简单，基本不需要额外设备投资，能耗较低，但现阶段缺少较好的催化剂，现阶段催化剂催化效率需要提高。
4 ?结 论
重油降黏方法不同，原理各不相同，但都有局限。主要面临的问题是能耗大，降黏效果不好，油质下降，外加化学试剂油溶性差，部分绿色方法难以推广应用。未来需要对绿色高溶解性化学添加剂，节能型新设备以及新型高效催化剂进行研发。与非改质降黏相比，水热裂解等改质降黏有好的应用前景，但高效添加剂还需要进一步研究。
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