稠油水热裂解动态模拟实验平台建设

王新伟，潘慧达，杨正大，姜 烨，林日亿

（中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580）

0 引言

注蒸汽热采是通过加热降黏作用开发稠油／超稠油油藏［1-2］，该类技术在辽河、新疆、胜利等油田得到推广应用，取得了显著的经济效益［3-4］。然而，随注汽开发时间的延长，大量油井发现次生H2S 气体［5-6］，不但对油井套管、油管及地面采油设备造成腐蚀，而且严重威胁工人生命安全，给油田生产带来极大的安全隐患。研究表明，注汽过程中稠油水热裂解反应是次生H2S气体生成的主要原因之一［7-8］。目前，我校作为稠油热化学课程教学实验项目的实验平台多为静态实验平台［9］，难以模拟实际油藏工况下的稠油水热裂解反应，实验可操作性差且误差大，无法满足实验教学准确度和对石油类创新人才培养的要求［10-13］。实验室先前建设的稠油水热裂解静态模拟反应装置［9］，主要由加热片、反应釜、真空泵、压力监测系统、温度控制系统和产物检测系统组成，占地面积大，操作复杂，密封性和热平衡性差。为维持反应釜中油水混合物处于高温恒温状态，加热片需要在更高的温度下长时间工作，且保温层缺少下底盖，安全系数低。实验时反应釜处于静止状态，不能模拟油藏中的动态工况。因此，亟需建设稠油水热裂解反应动态模拟实验平台。

1 稠油水热裂解动态模拟实验设计

实验装置如图1 所示，该装置由热解反应系统、监测控制系统、产物排出及收集检测系统组成。热解反应系统是整个实验装置的核心，由加热器、保温层、反应釜、内衬、紧固螺栓、釜体内腔盖、搅拌装置、冷却水系统等组成。该系统通过控制反应釜内油水混合物的温度、压力和搅拌速度，实现稠油水热裂解动态反应条件的模拟。反应物先置于内衬中，再放置于反应釜内，通过紧固螺栓密封，利用加热器对釜体进行加热，釜体周围采用保温层保温，搅拌装置实现动态模拟，冷却水装置对搅拌器降温并辅助维持反应釜温度恒定，反应釜最高工作温度为450 ℃，最高压力达12 MPa。

图1 稠油水热裂解动态实验装置

监测控制系统由程序控温装置、测温装置、压力表、安全阀和压力传感器组成。控制升温速度与反应温度的程序控温装置位于釜体外部并与加热棒连接，测温装置与釜体内腔连接。压力表与釜体连接，当反应压力超过最大压力时，与压力表相连接的安全阀打开，流体排出，降低釜体内腔压力，以保证实验的安全。同时，监测系统还可设定记录频率及间隔，全程记录反应过程中的温度、压力、转速和扭矩等参数。

产物排出及收集检测系统由进气阀、出气阀、产物阀、气体收集装置、真空泵、冷却水系统等组成。反应釜密封前载气通过进气阀将釜体内部气体从出气阀排出。需要真空实验条件时，由真空泵经出气阀将釜体内气体抽出至真空。反应结束后通过冷却水系统将反应釜温度迅速降低至室温，气相产物经出气阀进入气体收集装置。同时，反应过程中也可提取收集反应过程中的产物。实验要求学生模拟地层中高温高压流动的反应环境，其关键在于不同反应条件下模拟反应物的制备及实验后气相、固相产物的收集与检测。基于此动态模拟实验系统开展稠油水热裂解反应模拟实验，将有助于学生深入认识稠油水热裂解反应的影响因素及其次生H2S气体的生成机理。

2 稠油水热裂解动态模拟实验

实验要求获得不同反应温度下稠油水热裂解反应特性，系统地探究反应前后稠油组分的变化以及生成产物浓度的变化。实验过程中需要考虑稠油与水的质量比，水质成分、升温速度、反应温度、搅拌器转速、载气成分及压力等因素的影响。

2.1 实验步骤

基于本动态模拟实验装置进行稠油水热裂解反应模拟实验，具体步骤如下：①将30 g 稠油和适量去离子水加入到反应釜内衬中，反应物浸没搅拌器；②密封反应釜并检测气密性，通入氮气吹扫空气，并使用真空泵将反应釜抽真空，重复3 次充分排出反应釜内空气；③向反应釜内通入1 MPa氮气作为载气，100 ℃下预热30 min，使稠油黏度降低，设定搅拌器转速，开启搅拌器及搅拌器冷却水；④设定反应温度200 ℃，升温速率3 ℃／min，反应24 h；⑤反应结束后，停止加热，将保温层降下，通过釜内U 型冷却水水管实现釜内快速降温，收集产生的气体，检测气体中H2S 浓度，检测反应后油样的黏度，计算降黏率；⑥重复上述步骤，进行下一个实验工况的模拟实验。

2.2 实验结果

实验过程中实时记录的搅拌器扭矩和反应釜内压力数据，可以间接反映稠油黏度、轻烃气体产量等随反应时间的变化关系，如以某次反应温度200 ℃，升温速率3 ℃／min，搅拌器转速500 r／min 的实验工况为例，其搅拌器扭矩和反应釜压力随时间变化曲线如图2所示。

图2 搅拌器扭矩和反应釜压力随时间的变化曲线

由图2 可见，实验开始后约1 h 搅拌器扭矩急剧减小，这是由于随反应釜内温度升高，稠油黏度急剧降低所致。实验1～24 h 为恒温过程，而搅拌器扭矩随时间仍然呈近线性下降趋势，说明该过程中反应釜内稠油与水发生水热裂解反应，重组分裂解转变为轻组分，原油黏度进一步降低。与此同时，反应釜内压力随时间呈先急剧上升后缓慢上升的趋势，这是由于初期升温过程，随反应釜内温度的升高，液态水吸热迅速气化为水蒸气，密度降低，比体积增大，釜内压力急剧升高。反应釜内温度恒定后压力依然呈缓慢上升趋势，这就说明了稠油水热裂解反应生成了甲烷、二氧化碳、H2S等不凝气体，随反应时间增加，气态产物持续增加，导致反应釜的压力持续缓慢升高。

不同模拟实验工况下，稠油的降黏率和H2S 生成浓度如表1 所示。

表1 不同实验工况下的实验结果

降黏率的比较基准采用常压80 ℃下原油样品的黏度为33.36 mPa·s。不同水油比工况下，原油的降黏率和H2S 生成浓度随反应温度变化的曲线如图3所示。不同转速工况下，原油的降黏率和H2S 生成浓度随反应温度变化的曲线如图4 所示。

图3 不同水油比下降黏率和H2S浓度随温度变化曲线

图4 不同转速下降黏率和H2S浓度随温度的变化曲线

由图3 可见，相同的水油比情况下，原油的降黏率随反应温度的升高基本呈线性增大的趋势，说明反应温度越高，降黏效果越好，且从降黏率可知高温段的原油黏温曲线较为平滑，不同于低温段原油黏度往往呈现的随温度升高指数降低的趋势。与此同时，H2S 的生成浓度随温度升高而增加，温度240 ℃以内，H2S浓度随温度升高呈缓慢增大的趋势，而温度高于240 ℃后，生成H2S 浓度增大的趋势明显增加。由表1 可见，水油比为0.3 时，反应生成的H2S 浓度最大，说明反应进行程度最深，原因可能是随着水量的增加，对水热裂解过程中产生的自由基起到了一定的稀释作用，影响了反应的进行。同时考虑到水量增加对水热裂解中的金属活性组分的稀释作用，减缓了反应的进行。这与文献［15］中的结论相符，最佳反应的水油比在0.3左右。

由图4 可见，转速为0 r／min 的静态反应，无论是H2S浓度还是稠油降黏率都低于动态反应，说明很有可能静态反应实验中，水热裂解反应主要发生在反应物表面，相当量的稠油尚未进行反应。转速为500 r／min的实验降黏率和H2S 生成浓度较转速为300 r／min有所升高，说明较高的搅拌器转速能够促进稠油与水的接触，提高水热裂解反应的速率和反应程度。

利用本装置测得的稠油水热裂解降黏规律与文献相同［16-18］，说明了本动态模拟实验装置的适用性和准确性。本实验1 MPa载气工况下，水热裂解反应温度越高，反应后降黏率越大，280℃反应后稠油降黏率甚至高达92%，可见，温度对水热裂解反应影响巨大，且水热裂解反应对稠油的降黏作用明显。

2.3 实验拓展及预期效果

基于本动态模拟实验平台，学生可以自主设计反应物组成、反应条件等，用于探索稠油水热裂解反应的影响因素及次生H2S 气体的生成机理。此外，学生可以在教师的指导下，进一步将本装置用于生物质、含油污泥等其他物质的热解特性研究。在此基础上，学生可以申报科研创新项目，参加全国“挑战杯”比赛或发表高水平学术论文等。

3 结语

结合稠油油田注蒸汽热采次生H2S 气体的问题，设计了稠油水热裂解动态模拟反应实验装置，实现了高温高压流动工况的反应条件模拟，为探究水热裂解反应影响因素及反应机理提供了平台，丰富了实验手段，研究结果对于稠油注蒸汽热采次生H2S 的治理具有指导意义。研究表明，温度为水热裂解反应的主控因素，温度越高水热裂解反应越彻底，搅拌可促进水热裂解反应的进行。

本文稠油水热裂解动态模拟实验平台的建设，是典型的科研成果转化为创新性实验教学资源，对培养学生的创新思维、创新意识，提高学生的创新实践能力发挥了积极作用。