现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8) : 68-73. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.013

技术进展

稠油乳化降黏剂的研究进展

丁保东 ¹^,² ,
刘磊 ¹^,² ,
张文龙 ³ ,
高晨豪 ³ ,
陈祥伟 ³ ,
郭继香 ³^,^*

作者信息 +

Research progress on viscosity reducer for thick oil emulsification

Bao-dong DING ¹^,² ,
Lei LIU ¹^,² ,
Wen-long ZHANG ³ ,
Chen-hao GAO ³ ,
Xiang-wei CHEN ³ ,
Ji-xiang GUO ³^,^*

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摘要

为了避免稠油热采过程中的高能耗和高碳排放,对稠油乳化降黏剂进行了综述,并探讨了未来发展趋势。明确了乳化降黏剂的工作原理、分类、优缺点及应用范围,并重点讨论了降黏剂在实现绿色循环方面的研究进展,为油田中降黏剂的应用和稠油的开发提供了指导。

Abstract

In order to avoid high energy consumption and high carbon dioxide emission in the thick oil thermal recovery process,the emulsified viscosity reducers for thick oil are reviewed,and the future development trend is discussed.The working principle,classification,advantages and disadvantages,and application scope of emulsified viscosity reducers are clarified,and the research progress on realizing green recycling of viscosity reducers are expounded,which provides guidance for the application of viscosity reducers in oilfields and the development of thick oil.

Graphical abstract

关键词

稠油 / 乳化降黏剂 / 纳米颗粒 / 两亲聚合物 / 表面活性剂

Key words

thick oil / emulsified viscosity reducer / nanoparticles / amphiphilic polymer / surfactant

Author summay

丁保东(1984-),男,硕士,高级工程师,主要从事稠油开采和输送技术研究工作,dingbaod@163.com。

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丁保东,刘磊,张文龙,高晨豪,陈祥伟,郭继香. 稠油乳化降黏剂的研究进展[J]. , 2025, 45(8): 68-73 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.08.013

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伴随着经济的快速发展,全球对原油的需求量急剧增长。常规轻质油的供应量的减少致使原油供应紧张。在此情形下,非常规油气资源在世界能源结构中的地位愈发重要,可被视为常规能源向绿色能源转变过程中的过渡能源。我国的非常规油气资源十分丰富,主要分布在胜利油田、河南油田和新疆油田等区域,占我国能源结构的五分之一以上^[1]。非常规油气资源是指无法采用常规方法和技术进行勘探、开发及利用,赋存状态与运输方式和常见资源存在较大差异。有研究人员估算,全球非常规资源量是常规资源的数倍之多。稠油作为典型的非常规油气资源,鉴于较长的开发历史和丰富的储量,或许是最易于获取以补充短期及长期需求的资源。根据2015年国土资源部发布的数据,在我国已探明的石油资源中,稠油资源约占总量的35%,探明地质储量达39亿t,历经冷采、蒸气吞吐以及方式转换这3代技术的相继应用,实现了年千万吨规模的稳定生产,并持续了30 a之久;当下,我国已然成为重要的稠油生产国,已动用的储量为26.53亿t。然而,当前稠油开发需要投入大量热量,碳排放较高,利润低于油砂、页岩和致密油。因此,提高采收率、降低稠油开发能耗与成本是我国稠油开发领域的重要研究方向。

稠油是一种高含沥青质、密度高且黏稠大的石油资源。普遍认为稠油是在油层条件下黏度大于50 mPa·s,相对密度在20℃时大于0.92的原油。而超稠油和天然沥青作为稠油的组成部分,具有更大的密度和更高的黏度^[2]。由于稠油黏度大,在储层中流动困难,且在井筒以及管道运输中流动阻力大。因此,降低稠油黏度是稠油开发与运输的关键问题。目前,稠油的开采方法主要分为热采和冷采。热采是稠油常用的开采工艺,通过热介质传热以降低稠油黏度。稠油的热采技术主要包括热水驱、蒸气驱、蒸气辅助重力泄油技术和火烧油层等。热水驱和常规水驱原理一样,只是把注入水加热到一定温度后注入油层的采油方法;蒸气驱是在蒸气吞吐采油之后进一步提高稠油开采率的热采方法,能够将油井与油井之间死油区里的油开采出来;蒸气辅助重力泄油技术是指向地层中注入蒸气,蒸气向上在地层中形成蒸气腔,蒸气腔扩展,与油层中的原油进行热交换,通过重力作用将加热后的原油和蒸气冷凝水泄到下面的生产井中产出;火烧油层是指通过燃烧的方式增加油层温度,从而降低稠油黏度、增强流动性的一种热采方法。稠油热采技术工艺较为成熟,但需投入大量水和电力,开发成本更高,投资回收期更长。冷采是一种采用不加热方式进行稠油开采的技术手段。与热采相比,冷采能够减少热量损耗和环境污染,从而提升经济效益。其主要涵盖气驱、微生物驱、稠油掺稀以及化学驱等多种方式^[3]。冷采作为一种高效、智能、环保的开采技术,具有广泛的应用前景,对稠油的开采至关重要。

乳化降黏技术作为冷采中常用的开采技术,能够更好地对稠油黏度进行调控,具有操作简单且成本低的优势。本文中综述了稠油致黏机理以及稠油乳化降黏剂的研究进展,深入分析了稠油乳化降黏剂的研究现状、优缺点和作用机理,并给出了稠油乳化降黏的应用思路。

1 稠油的致黏机理

前人进行了大量的研究,稠油性质是复杂的,不同的稠油主导因素存在差异。本文中从内因和外因2个角度梳理影响稠油黏度的因素。

1.1 稠油黏度预测模型

目前按照是否饱和天然气预测模型可分为饱和稠油黏度、欠饱和黏度和死油黏度。对稠油进行精准预测必须要考虑其微观结构组成。而稠油性质复杂,微观结构难以量化表示,这导致从微观结构去推导黏度公式变得十分困难。稠油黏度预测模型通常使用统计学方法,对大量的稠油黏度数据进行推导拟合,在拟合过程中引入人工智能算法,提高预测的准确性。另一类拟合模型通过类比法,引入广义麦克斯韦模型和分数阶导数模型,来描述稠油的黏弹性行为^[4]。此外,Song等^[5]提出了NMR技术预测稠油黏度,通过温度和测量回波间隔(TE)依赖性核磁共振T1和T2弛豫以及氢指数(HI)数据来预测稠油黏度。

1.2 稠油组成

稠油主要由沥青质、胶质、芳香分和饱和分组成,有研究指出这4种成分对稠油黏度贡献从大到小为:沥青质、胶质、芳香分、饱和分。胶质和沥青质的含量影响着稠油的黏度,胶质与沥青质的含量越高,稠油黏度就越大。目前有研究表明,孤岛和群岛型的分子结构是共存的,不同性质原油存在着不同比例的孤岛和群岛型分子结构^[6]。

稠油沥青质含量高于普通原油,随着沥青质含量增加,沥青质形成了沥青质超分子结构。它的粒径分布宽、形状不规则,重而致密,导致稠油黏度急剧升高。Mullins等^[7]提出了一种“Yen-Mullins”的沥青质分子模型,如图1所示。Yen-Mullins模型认为沥青质超分子结构存在沥青质单体分子、纳米聚集体和团簇3种层次。聚集的主导因素与共轭芳香族核心的大小以及侧链的大小和性质有关。

1.3 影响稠油黏度外部因素

1.3.1 温度

温度是调节稠油黏度的关键环境参数,通常与稠油黏度呈反比关系。提高温度能够降低稠油的黏度,从而提升流动性。如图2所示,在35~85℃的温度区间内,不同剪切速率下稠油的黏度随温度升高而降低,表明温度对稠油中蜡质和沥青质等成分的黏度及化学结构具有显著影响。在0.6~700 s^-1的剪切速率范围内,温度从35℃升至85℃时,稠油黏度显著下降,几乎减半。尤其在低剪切速率条件下,黏度的变化更为显著。高温作用下,原油中高分子化合物的分子间作用力减弱,促进了分子的流动性。

1.3.2 压力

压力的大小也影响着稠油的黏度,朱静等^[8]探究了压力的变化对稠油黏度的影响,分别测定了 4 MPa和8 MPa压力下稠油的黏温曲线。通过实验结果发现,在高温环境下,稠油内的重质组分倾向于表现出类液体的行为,此时压力的波动对黏度的影响微乎其微。相反,在较低温度下,胶质和沥青质的分离与聚集趋势增强,导致胶团结构的扩展和蜡晶的析出,这些因素共同促成了一个具有一定机械强度的三维空间网络结构,从而使得稠油黏度上升。因此,在低温条件下增加压力,会进一步加剧稠油的黏度增加。

1.3.3 地层水

地层水也是影响稠油黏度的关键因素。乳状液的黏度受外相黏度、内相黏度、内相体积分数及乳化剂的性质等因素的影响。内相体积分数不大时,乳状液的黏度主要由外相黏度决定;然而当内相体积分数过大时,内相极易转变为外相,从而影响稠油的黏度。如图3所示,油包水乳状液中含水越多黏度越大,然而当含水率到达一定数值后,乳状液的黏度又会急剧下降,从而变成水包油乳状液。

2 乳化降黏剂

乳化降黏剂在降黏剂的研究领域中是备受关注的研究对象,也是应用极为广泛且降黏率较高的降黏剂类型。它主要由表面活性剂构成,此外还可能含有助表面活性剂、碱或者聚合物等成分。在稠油开采过程中,通常会伴随地层水的产出,经过地层的运移以及井筒的举升作用,少量地层水与稠油相互混合,进而形成W/O乳状液^[9],这会使得混合液的黏度进一步增大,给开采带来极大困难。水溶性降黏剂能够与稠油中的活性物质在油水界面展开竞争吸附,并将其替换,从而改变界面膜的性质,形成O/W型乳状液。在这种情况下,水成为外相,进而降低了混合液的黏度^[10]。尤其在地层中,形成O/W型乳状液更能够有效地提高原油采收率^[11]。在井筒中,O/W乳状液可降低流动阻力,降低摩阻损失。

2.1 阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂是一类在水中电离后亲水基团带负电的表面活性剂,其亲水基团包含羧酸盐、磺酸盐、硫酸盐等。十二烷基硫酸钠(SDS)在稠油降黏中被广泛应用,Su等^[12]通过分子模拟探究SDS与稠油的作用机制,除乳化作用外,向体系中加入十二烷基硫酸钠分子后,水分子可与SDS分子耦联进入稠油,经氢键连接形成SDS-水-沥青质三元结构,拉开沥青质分子形成的油滴的最大力显著减小。

2.2 阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂以含氮季铵盐类为主^[13],如十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵和甜菜碱表面活性剂等。由于砂岩等基质表面带负电,致使带正电的亲水基团吸附在其表面,导致阳离子表面活性剂大量损失。而且会使岩石润湿性变为油湿表面,影响稠油采收率。因此,阳离子表面活性剂很少单独用于地层驱替,常常作为助剂提供超低界面张力^[14]。

2.3 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂的亲水端为不可电离的聚氧乙烯基、聚乙二醇基和多元醇等。通常,增大亲水端分子链长度或者增加羧基数量,可以提升亲水性,使其更易于形成水包油型乳状液。Vegad等^[15]运用非离子表面活性剂聚氧乙烯(5)山梨醇单油酸酯,在最佳条件下,可将印度稠油的黏度降低达95.8%。Zhang等^[16]通过分子动力学模拟探究非离子表面活性剂的降黏机制。其中一部分表面活性剂分子吸附于油水界面,增强油滴亲水性,而另一部分分子进入稠油内部,破坏稠油内部结构,以此达到降黏目的。由于非离子表面活性剂亲水基团醚键中的氧能与水中氢形成氢键而具有亲水性,但氢键不稳定,在特定温度下会断裂而失去亲水性,该温度即非离子表面活性剂的浊点,这一特性致使非离子表面活性剂难以单独在高温环境下应用。含氮非离子表面活性剂的脒基有特殊性质,呈现刺激响应特性。Liu等^[17]最先报道一种含脒基的响应型表面活性剂,能以二氧化碳和氮气调控乳化和破乳。近年来,更多的响应型表面活性剂被研发出来。Liu等^[18]把油酸和环状聚胺混合形成二氧化碳响应体系,无二氧化碳时油酸具界面活性,加二氧化碳后油酸环状聚胺成离子对,界面活性消失。含氮表面活性剂还存在pH响应特点,Ren等^[19]借助牛磺酸和对癸氧基苯甲醛在不同酸碱条件下的动态亚胺键结合,pH=10时形成界面活性物质乳化稠油,pH=2时表面活性剂分解使稠油破乳油水分离。

2.4 复合表面活性剂

将不同类型的表面活性剂进行复配使用,可以达到协同作用。从而解决单一表面活性剂不耐温或者不耐盐的缺点,提高降黏剂的乳化效果。最常见的是阴离子和非离子表面活性剂的复配。Wang等^[20]成功合成了一种具备聚乙二醇结构的非离子聚合物表面活性剂TPVR7,将其与阴离子表面活性剂丁二酸二异辛酯磺酸钠复配应用。在最优用量时,降黏率可达97%,采收率提高到21.89%。Chen等^[21]开发了一种新型复合降黏剂CSY-1,由0.5%的OP-10、1.8%的十二烷基苯磺酸钠、0.1%失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚和1%的氢氧化钠(或碳酸钠)组成,降黏率可超过99%,单井日产油量从3.74 t提高到8.12 t,具有重要的工业价值。对阴阳离子表面活性剂进行复配,能够对稠油起到良好的降黏效果,Tian等^[22]研制出十二胺与十二酸复配体系,使稠油乳化黏度从1.27×10⁴ mPa·s降至 546 mPa·s。在该体系中,阴阳离子亲水基存在强烈的静电作用,同时2个亲水基之间还会产生氢键作用,使得表面活性剂分子在油水界面排列更为紧密,具有更好的乳化效果。天然提取物及微生物所产生的复杂表面活性剂,由于具有生物可降解性,日益受到研究人员的重视。微生物产生的鼠李糖脂、多糖和脂肽,因具有较高的乳化活性以及环境友好的特性,在稠油开发中被更多地研究应用^[23]。可通过对微生物的基因表达、代谢途径以及酶的协同作用进行调控,从而产生目标生物表面活性剂。Kumar等^[24]从马蔺(MaHua,鸢尾科植物马蔺的别称)中提取出了生物表面活性剂。在管道输送过程中,该生物表面活性剂能够降低稠油黏度,减少流动阻力。

2.5 两亲性表面活性剂

为有效解决复配表面活性剂存在的色谱分离问题,可将不同的亲水基团整合至同一分子结构当中。在众多类型中,阴非离子表面活性剂较为常见。Liu等^[25]合成了一种适用于提高稠油采收率的阴离子表面活性剂醇乙氧基羟丙基磺酸钠。醇乙氧基羟丙基磺酸钠不但能够对稠油起到乳化作用,还能够渗入稠油内部破坏树脂和沥青质的堆积结构,在降黏与提高采收率方面的能力优于十二烷基硫酸钠。

2.6 聚合物表面活性剂

将亲水单体与疏水单体进行聚合反应,从而形成具有两亲性的聚合物表面活性剂。该聚合物表面活性剂可通过乳化作用降低稠油黏度。在聚合反应过程中,选择合适的单体,并通过控制反应时间来调控产物链长,能够使聚合物呈现出增黏效果。聚合物表面活性剂的黏度高于表面活性剂水溶液,在驱替过程中能够避免黏性指进现象,同时也避免了聚合物-表面活性剂驱中色谱分离的问题,采收率甚至优于热采方法。Liu等^[26]通过在聚丙烯酰胺骨架上引入亲水和疏水单体,合成了一种两亲聚合物DN-1。在45℃条件下,降黏率可达80%以上。DN-1会形成三维网状结构,致使黏度上升。Li等^[27]以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸以及2种功能单体为原料,合成了一种功能聚合物,合成路线如图4所示。借助2个功能单体的协同作用,该聚合物获得了更高的降黏率,且在7 000 mg/L的盐溶液中仍能保持活性。降黏率范围为87.0%~90.6%,在不同浓度下,聚合物的表观黏度范围在25~400 mPa·s。

2.7 纳米颗粒

纳米颗粒尺度小,表面能高,展现出优异的表界面性质与热性能等一系列有利特性。通过聚合反应、酯化反应等改性方法,纳米颗粒可获得界面活性以乳化稠油。纳米颗粒可作为助剂降低界面张力并增强界面膜强度,进而提高表面活性剂的乳化能力以及乳状液的稳定性。由于部分纳米颗粒主要降黏机理为乳化作用,故归类为水溶性降黏剂。Zhang等^[28]对氧化石墨烯进行改性后,降黏率可达到85%,且能与聚合物协同提高水相黏度,形成纳米颗粒-聚合物驱以提高稠油采收率,合成路线如图5(a)。Chi等^[29]对二氧化硅进行改性,合成了pH响应二氧化硅纳米片,合成路线如图5(b)。该纳米片表面存在亲水的胺基和疏水的苯环,使二氧化硅具有界面活性。随着浓度增加,乳状液粒径更小且更均匀。Wang等^[30]对二氧化硅进行改性形成温度敏感型SiO₂-SBMA,合成路线如图5(c)。在65℃时降黏率为96.41%,当温度降低至25℃后,PSBMA发生相变,亲水性降低,大量的SiO₂-PSBMA迁移到稠油中,油水迅速分离。纳米颗粒可作为载体,负载不同功能的基团,以实现温度响应、pH响应等功能,进而解决纳米颗粒后处理困难的问题。尽管纳米颗粒具有优秀的降黏性能,但不可忽视其存在团聚的风险。当团聚后的粒径过大时,会沉淀并堵塞井筒,影响储层渗透率,甚至导致稠油黏度增加。

3 结论

综述了稠油乳化降黏剂的研究进展及其在油田开发中的应用,分析了稠油的致黏机理,探讨了温度、压力和含水率对稠油黏度的影响。根据含水率的规律,加入乳化降黏剂可以使W/O乳状液转相为O/W乳状液,使黏度大幅降低。按照乳化降黏剂的化学成分进行分类,综述不同类型乳化降黏剂的作用机理和应用效果。降黏剂类型中阴离子、阳离子、非离子和复合表面活性剂,因高效的降黏性能和广泛的原料来源,成为该领域常用的降黏剂类型。此外,两亲性表面活性剂、聚合物表面活性剂和纳米颗粒等新型降黏剂的引入,为稠油的开采提供了新的解决方案,展现出了巨大的应用潜力和性能优势。

目前限制乳化降黏剂大规模应用的因素是联合站的处理能力。乳化降黏剂需将含水率提高至30%以上,增加了联合站的负荷,有些降黏剂甚至影响了破乳效果。未来应对乳化降黏剂进行循环利用和快速破乳方向的研究,例如CO₂/N₂响应型表面活性剂、pH响应型表面活性剂等。此外,发展更加环保、可生物降解的降黏剂,减少降黏剂对下游工艺和环境的影响,以推动稠油开发的绿色和可持续发展。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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