热波耦合辅助稠油催化裂解实验研究

2014-02-17王佩佩蒲春生吴飞鹏郑黎明

特种油气藏 2014年5期

关键词：油样稠油蒸汽

王佩佩，蒲春生，吴飞鹏，刘静，郑黎明

(1.中国石油大学，山东青岛 266580;2.中石化胜利油田分公司，山东东营 252000)

1 实验内容

1.1 实验仪器与药品

实验仪器:ES-6-230型电动振动实验系统、恒温控制仪、加热筒、高温高压反应釜(400 mL)、Brookfield DV-Ⅲ型黏度计、恒温水浴、恒温箱、电子天平等。

实验油样及药品:孤东油区油样、新型多活性点催化剂(DHLJ-3)、纳米分散剂、阻聚剂。

1.2 实验步骤

实验步骤如下:①用黏度计测定油样50℃的黏度;②按油水比7∶3，称取油样200 g，水85.7 g，以油样质量为基准，称取0.3%催化剂，0.1%纳米分散剂，0.1%阻聚剂;③将油样、水及药品倒入反应釜，拧紧螺丝和排气阀;④将反应釜放入加热筒，调节恒温控制仪，升温后启动振动台(振动频率为30 Hz、振动加速度为1.5 m/s2、振动时间为25 min)，振动结束后继续裂解反应;⑤待反应24 h后取出油样，测定其50℃的黏度，并计算降黏率，计算公式:

式中:μ0为稠油裂解前50℃时的黏度，mPa·s;μ1为稠油裂解后50℃时的黏度，mPa·s。

1.3 结果与讨论

1.3.1 降黏效果评价

为验证热波耦合辅助催化裂解技术的降黏效果，分别在 100、120、140、160、180、200、220、240℃下进行催化裂解反应，对比不同温度下振动对催化裂解降黏效果的影响，见图1。

图1 不同裂解温度下的降黏效果

实验测定所用孤东油区油样在50℃下的黏度为9 788 mPa·s。由图1可知，不同裂解温度下，催化裂解过程中加入低频波振动作用后，其降黏率都有所增加，增幅为4～12个百分点。

分析降黏曲线可知，反应温度低于160℃时，主要靠阻聚剂和分散剂提高降黏效果，振动作用可促进稠油中胶质、沥青质的分散，从而小幅度提升降黏效果。在160～200℃范围内降黏率提高11～12个百分点;180℃时热波耦合催化裂解的降黏率为77.0%，而纯催化裂解的降黏率为64.6%，降黏率提高12.4个百分点。分析认为，此时反应温度刚达到催化裂解反应的门槛温度，低频波振动作用可以促进稠油与催化剂体系混合，扩大催化剂作用面积，从而提高降黏效果。而在200℃以后，提高程度有所降低，分析认为，此时反应温度较高，催化裂解反应较为剧烈，稠油裂解程度较大，振动的作用相对减弱。

通过以上分析认为，低频波能够促进稠油和催化剂体系的混合，扩大催化剂作用面积，进一步提高降黏效果。这是由于稠油属于假塑性流体，具有触变性，振动剪切作用破坏了原油中的长碳链结构，同时稠油中析出的蜡晶和形成的网状结构也被破坏分散，稠油中相互缠绕的长链分子分离后，与催化裂解剂接触增加，有助于催化剂发挥高效的催化裂解性能。

1.3.2 热波作用下催化裂解前后重质组分的变化

为进一步说明热波耦合催化裂解的降黏效果，对比了裂解前后稠油重质组分的变化，分析振动对胶质、沥青质转化率的影响[1-5]。实验中催化裂解温度为200℃，分别改变振动频率、加速度和时间，测定胶质、沥青质的含量，计算其转化率，实验数据见表1。

表1 稠油催化裂解重质组分的转化率

由表1可知，在200℃下进行催化裂解实验，胶质转化率为28.2%，沥青质转化率为57.3%。加入低频波振动可不同程度地增加胶质、沥青质的转化率，振动频率为30 Hz、振动加速度为1.7 m/s2、振动时间为20 min时转化率最大，为最佳振动条件。分析认为，稠油催化裂解主要与胶质、沥青质中的杂原子键作用有关，通常杂原子键被包裹在溶剂层中，不易与催化剂接触，从而导致催化裂解作用受限，对于超稠油和特稠油，这种影响更为明显。适当的低频波振动可打破稠油的胶体分散体系，促进催化剂活性中心与杂原子键的接触，进而提高催化裂解的降黏效果。该技术对稠油开采，尤其是超稠油、特稠油开采十分有利。

1.3.3 振动时机对降黏效果的影响

矿场实际情况下，注汽高压井具有“注汽难，压力高”的特点，同时进行低频振动和注蒸汽会影响注汽效果，施工工艺较为复杂[6-7]。针对该情况，考虑在注汽前先注入催化剂并施加振动，促进稠油与催化剂的混合，加速催化剂分子的扩散运动，小范围内降低稠油黏度。

为验证其降黏效果，实验中在反应釜内加入催化剂，先施加振动，振动频率为30 Hz，振动加速度为1.7 m/s2，振动时间为20 min，振动结束后分别在140、160、180、200、220、240℃下催化裂解24 h，将所测降黏率与热波耦合催化裂解对比[8-10]。结果表明，先振动再进行催化裂解，200℃时降黏率为80.1%，而热波耦合催化裂解的降黏率为84.9%，前者降黏效果稍差。相对蒸汽来说，低频波振动产生的热作用很弱，但通过振动剪切和涡流剪切，促进稠油杂原子键与催化剂活性中心的接触和作用，因此，依然有利于催化裂解反应的进行。

1.3.4 降黏效果反弹率评价

取孤东油区K52-25、K92-13井的油样，2口井分别实施了催化裂解和热波耦合催化裂解措施，测定措施前油样的黏度，并在措施后10 d内取得油样，分别在此后第 1、2、5、10、30、60、120 d 测定其黏度，实验结果见表2。

表2 降黏效果反弹率

分析2种油样降黏效果的稳定性可知，油样放置120 d后，纯催化裂解后降黏率的反弹率仅为3.3%，且增长趋势渐减小，说明该催化剂体系可长期降低稠油黏度，后期降黏率有所反弹，可能是因为裂解后部分溶解在稠油中的轻烃组分逐渐逸出，或者稠油中部分大分子又重新聚合。热波耦合催化裂解的降黏率反弹率为4.7%，表明加入低频波作用后降黏反弹率也很小，可在生产初期起到良好的增产作用，以较少的药剂量采出更多的原油。

1.4 协同作用机理探讨

高温蒸汽不仅能够使稠油黏度大幅度下降，还可以为催化裂解反应提供能量，促进稠油催化裂解反应的发生，有利于稠油在地层中的运移。

催化剂通过裂解作用可将胶质、沥青质等稠油大分子聚合物裂解为较小的分子聚合物，从本质上改变稠油性质，实现不可逆降黏作用，有利于稠油的井筒举升及管线运输。

低频波振动可以解除近井地带地层堵塞，增大流体流动空间及孔隙空间连通性，在地层中造缝，提高地层的渗透率。通过对岩石的剪切作用改变固液界面张力，使油膜从岩石表面脱落，能够改变岩石润湿性。低频波可通过振动打破稠油中胶质、沥青质的胶体体系，促进稠油和催化剂的混合，增加两者间的接触面积，提高裂解降黏效果[11]。同时通过剪切力作用，可降低催化剂在地层中的吸附损耗，增加催化剂的有效作用浓度和作用距离。

2 矿场试验

2.1 试验区概况及施工情况

试验区位于孤东红柳油田，油层埋深为1 320～1 370 m，受构造控制，平均原油黏度为13 000 mPa·s。主力储层平均孔隙度为34.2%，平均空气渗透率为809×10-3μm2。压力系数约为0.96～0.97 MPa/m，地温系数一般约为0.034℃/m，地层温度为58℃。

自2011年10月以来，对孤东油区K92-13、KD52-225井进行了热波耦合催化裂解试验。施工过程如下:试压后，将2 t催化剂挤入地层，采用井下大功率脉冲发生器产生低频波，并注入蒸汽，同时将3 t催化剂体系用小排量泵伴蒸汽注入，伴注速度为0.06 t/h，最后注入蒸汽段塞，将催化剂推向地层深处。2口井共注入催化剂体系10 t，其注汽及生产情况见表3。

表3 试验井措施前后生产情况

2.2 施工效果分析

2口井的增油量分别为845.5、1 038.8 t，增产效果显著。其中，K92-13井已进行过多轮次吞吐，产能较低，上轮次平均日产油为2.1 t/d，生产时间为140 d，本轮措施后平均日产油为3.9 t/d，生产时间为344 d，生产周期明显延长。按每吨原油价格4 484元，生产成本1 788元，施工费用15×104元，每吨催化剂体系2.5×104元，投入产出比约为1.0∶12.7，经济效益显著。

为进一步说明该技术的增产优势，采用数值模拟法，对K92-13井前3轮蒸汽吞吐进行历史拟合，预测第4轮纯蒸汽吞吐的生产动态，并将其与实际生产情况进行对比。

K92-13井本轮次注气量为3 055 t，注入催化剂体系5 t，催化剂、阻聚剂、分散剂的注入量分别为0.3%、0.1%、0.1%，注汽压力为11.7 MPa，注汽速度为278.21 m3/d，注汽温度为322℃。选取K92-13井附近约200 m范围的实际地质资料，建立一个31×31×1=961的网格系统，X、Y方向的网格长度为6 m，根据现有资料建立蒸汽吞吐模型，实际与模拟的生产曲线见图2。假设稠油裂解后黏度不反弹，从图 2 可知，措施后油井的峰值产油量明显提高，且后期的产油量还有逐渐上升的趋势。与纯注蒸汽相比，能够长时间维持较高的产量，周期产油量提高约2.18倍。与上周期相比，周期产油量增加936.9 t，增产效果明显，说明热波耦合催化裂解技术能够有效提高油井产量。