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| 稠油 | |
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稠油，是瀝青質和膠質含量較高、粘度較大的原油。通常把相對密度大於0.92(20℃)、地下粘度大於50厘泊的原油叫稠油。因為稠油的密度大，也叫做重油。我國第一個年產上百萬噸的稠油油田是遼寧省高升油田。[1]
簡介
稠油 英文:heavy/viscous oil 釋文:指地層條件下，黏度大於50毫帕·秒，或在油層溫度下脫氣原油黏度為1000~10000毫帕·秒的高黏度重質原油。稠油除黏度高外，密度也高。稠油含輕質餾分少，膠質與瀝青含量高。稠油的黏度隨溫度變化，改變顯著，如溫度增加8~9。C，黏度可減少一半。因此，對稠油的開採、輸送，多用熱力降低其黏度，如蒸氣驅動、熱油循環、火燒油層等。也可採用摻入稀油、乳化、加入活性劑降低其黏度。在油層溫度下，脫氣原油黏度大於10000毫帕·秒的原油稱為特稠原油(very heavy oil)。
稠油，顧名思義，是一種比較粘稠的石油。因其粘度高，密度大，國外一般都稱之為重油，我們習慣稱之為稠油，這是相對稀油而命名的。稠油和稀油的直觀對比，我們可以看到稀油像水一樣流動，而稠油卻很難流動，這是稠油粘度高造成的，有的稠油粘度高達幾百萬毫帕·秒，像"黑泥"一樣，可用鐵鍬鏟，用手抓起。用科學的語言說，就是稠油的流動性太差了，這樣粘稠的油，自然很難從地下采出。
特點
在油田的石油開採中，稠油具有特殊的高粘度和高凝固點特性，在開發和應用的各個方面都遇到一些技術難題。就開採技術而言，膠質、瀝青質和長鏈石蠟造成原油在儲層和井筒中的流動性變差，要求實施高投入的三次採油工藝方法。高粘、高凝稠油的輸送必須採用更大功率的泵送設備，並且為了達到合理的泵送排量，要求對輸送系統進行加熱處理或者對原油進行稀釋處理。就煉化技術而言，重油中的重金屬會迅速降低催化劑的效果，並且為了將稠油轉化為燃料油，還需要加入氫，從而導致煉化成本大大增加，渣油量大，硫、氮、金屬、酸等難處理組份含量高，也是煉油廠不願多煉稠油的原因。可見，稠油的特殊性質決定了稠油的采、輸、煉必然是圍繞稠油的降粘降凝改性或改質處理進行的。[2]
針對稠油粘度大等特徵和各油藏的構造可採取不同的採油工藝。稠油油藏水驅開採技術主要包括機械降粘、井筒加熱、稀釋降粘、化學降粘、微生物單井吞吐、抽稠工藝配套等:稠油油藏熱采技術主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、叢式定向井以及水平井、火燒油層以及與稠油熱采配套的其它工藝技術等。
火燒油層的難點是實施工藝難度大，不易控制地下燃燒，同時高壓注入大量空氣的成本又十分昂貴。而化學降粘法加入的化學藥劑在某種程度上造成地層嚴重污染。目前國內外對稠油和高凝油開採一般均採用熱采方式，電加熱技術是在空心抽油杆中穿一根電纜，電纜的一端與空心抽油杆的底端相連，在由電纜、空心抽油杆構成的迴路上施加交流電，通過被加熱的空心抽油杆對稠油或高凝油的熱傳導實現加熱降粘。與其他技術相比，具有較高的效率，而且該工藝方法作業比較簡單，費用較低，採油比較經濟。因此具有明顯的優越性，在中國的許多油田得到廣泛應用。
性質
油井生產過程中所產生的沉澱物(結蠟塊)常為固態或半固態，顏色呈黑褐色或深褐色，成份以石蠟為主，同時膠質與瀝青質以及鑽井液所攜帶的沙粒等摻雜其中。
這些沉澱物使得原油粘度很高，高含蠟原油的流變特性隨溫度變化較大，在不同溫度下表現出不同的流變特性。當油溫高於原油析蠟點時，蠟晶基本上全部溶解於原油中，溶解的石蠟可以認為是一種石蠟和石油溶劑分子間具有相互作用的均勻介質，其粘度是油溫的單值函數，表現為牛頓流體的特性。在油溫由析蠟點降至異常點的過程中，蠟晶不斷析出，體系的分散顆粒濃度隨之增加，並形成很細的細分散體系，粘度特性基本上仍表現為牛頓流體。
當油溫低於異常點時，原油中析出的蠟使體系內部的物理結構(如顆粒取向、形狀和排列)發生了質的變化。原油粘度不再是溫度的單值函數，而與剪切速率也有關係，表現為假塑性流體特性，並且伴隨有觸變性。當油溫降至失流點或凝固點以下時，蠟晶析出量大大增加，體系中分散顆粒的濃度也相應增大，顆粒開始相互連接成網，體系中的連續相和分散相彼此逐漸轉相，此時的原油具有觸變、屈服一一假塑性流體特性。
原料
在原油開採過程中，化學驅油是重要的提高原油採收率的方法，可達到80%~90%。其中表面活性劑驅油及微乳狀液驅油又是效率最高的兩種化學驅油方法。前者是將較低濃度的表面活性劑膠團溶液注入油井;後者則是用高濃度的表面活性劑，並且這種注入的漿液是由三種或更多種組分構成的微乳液。表面活性劑驅油是在注水驅的基礎上發展起來的。注水驅替應用較早，通過向地層注水把石油驅替至採油井。早期使用普通河水或海水，後來出現了注入表面活性劑的活性水驅油，根據油藏不同的物理化學性質和地質條件，發展了相關的鹼水驅、酸水驅以及其他的化學驅油工藝。今後提高注入效果的方向，主要是針對瀝青質等重質組分在採油中帶來的困難，提高注入水"品質"以及向油層注入其他更加有效的活性驅替劑。
微乳液是由油、水、表面活性劑、助表面活性劑組成的各向同性的透明和熱力穩定的分散體系。粒徑約為10~100 nm，液滴被表面活性劑和助表面活性劑(一般為醇)的混合膜所穩定。驅油用微乳液配方中，油可用石油餾分或輕質原油等;表面活性劑一般用石油磺酸鹽;助表面活性劑一般用C3~C5的醇;水相常是NaCl水溶液。岩心模型驅油實驗表明，微乳液具有很高的驅油效率，而中相微乳液的驅油效率最好(最佳幾乎可達100%)。微乳液驅油的機理很複雜，如改變岩石的潤濕性，改變油水界面的粘度等，但能產生超低的油-水驅替液界面張力是其中的主要原因之一。二次採油後剩餘的油粘附在地層的毛細管道中，油水界面張力約為30 mN/m，微乳液可使它降到10-3mN/m，因而可大大提高採收率。在微乳液中添加聚合物可以增加水相粘度，但必須考慮費用的增加、機械消耗的增大、化學活性、微乳液流動性的影響等因素，因而限制了乳液/聚合物乳化體系在石油工業中的應用。
另外，有些條件如活性土的存在、滲透性的減弱、重力因素也都限制了它的應用。發泡微乳系統可以克服這些不利影響。另外，有人用蒸汽發泡也取得很好的效果。深化採油的另一項技術是，在酸處理的油岩中用鹼液驅油，可以提高油乳滲透能力，但也存在經濟上的可行性問題。據最新研究表明，細菌及生物表面活性劑的應用，可以大大降低微乳技術的成本[6]。微乳液發展方向:通過改變微乳液配方，以減少表面活性劑損失，降低採油費用。該方法儘管可以通過增大表面活性劑濃度而達到很高的採收率，但缺點是需消耗較多的表面活性劑，但由於當前能源十分緊張，從充分利用資源的角度來看，仍然是值得的。
2 生物表面活性劑的應用
生物表面活性劑是微生物在特定的條件下生長過程中分泌並排出體外的具有表面活性的代謝產物。一方面具有化學表面活性劑的共性，另一方面又有穩定性好、抗鹽性較強、受溫度影響小、能被生物降解、無毒、成本低的特點。生物表面活性劑已廣泛用於提高原油採收率。例如，從桉樹葉毛蟲體內分離出的一種菌注入油層後產生大量自然清潔劑，將原油採收率提高到70%，但這種生物表面活性劑的生成量受地層多種條件的影響。中國在80年代已篩選出了多種生物表面活性劑。生物表面活性劑在採油中的應用已擴展到小規模成片油田，對地面法和地下法均進行了嘗試，即用生物表面活性劑注入地下或在岩石中就地培養微生物產生生物表面活性劑用於強化採油。用Coryne form sp生產的生物表面活性劑可將油/水界面張力降至2×10-2mN/m，與戊醇配合則可降至6×10-5mN/m。由Nocardia sp(諾卡氏菌)生產的海藻糖酯可使石油採收率增大30%。生物表面活性劑Eumlsan用於乳化重油，可使油粘度由2 000 Pa·s下降到0.1 Pa·s。
稠油-溫度
高凝高含蠟稠油中蠟晶的形成和聚結直接受溫度的影響。當稠油溫度高於析蠟溫度時，一方面，油中的蠟晶顆粒會部分或全部溶解;另一方面，瀝青膠質將高度分散，減小了結蠟凝固的可能性。隨着稠油體系的冷卻，蠟晶將按分子量的高低依次不斷析出、聚結、長大，使油凝固，同時瀝青膠質也依次均勻的吸附在已析出的蠟晶上或共晶長大，加劇了稠油的凝固。稠油的溫度越低，其粘度越高，越不利於開採。
油井生產時油流從井底向井口的流動過程中，溫度是逐漸降低的。
溫度降低的因素，主要有兩個:一個與地溫梯度有關，即油流上升過程中由於地層溫度是逐漸降低的，因而油流通過油管和套管不斷把熱量傳給地層，使油流體本身溫度降低。另一個因素與稠油中氣體析出有關。當氣體從稠油中分離出來時，體積膨脹，流速增加，因而需要吸收一部分熱量，使稠油本身溫度降低。
開採方法
一是HDCS技術。通過優化注采參數，明晰技術經濟政策界限，合理配置降黏劑、C02[z2]和蒸汽用量，將膠質、瀝青質團狀結構分解分散，形成以膠質、瀝青質為分散、原油輕質組分為連續相的分散體系。
二是冷采技術。採用螺杆泵將原油和砂一起采出，通過使油層大量出砂形成"蚯蚓洞"和穩定泡沫油而獲得較高的原油產量。形成地層中的"蚯蚓洞"可提高油層滲透率，而形成泡沫油則為油層提供了內部驅動能量。該技術對地層原油含有溶解氣的各類疏鬆砂岩稠油油藏具有較廣泛的適用性。
三是添加降黏劑。乳化液在孔隙介質中的流動過程是一個複雜的隨機遊走過程，降低界面張力，提高毛細管數可改善稠油油藏開發效果。向生產井井底注入表面活性物質--降黏劑，它在井下與原油相混合後產生乳化或分散作用，原油以小油珠的形式分散在水溶液中，形成比較穩定的水包油型乳狀液體系。在流動過程中變原油之間內摩擦力為水之間的內摩擦力，因而流動阻力大大降低，達到了降黏開採的目的。
四是電加熱。採用電熱採油工藝開採稠油、超稠油，在技術上是成熟的。但它的可行性是建立在電力成本低或者原油價格高的基礎上。
五是地下燃燒。地下燃燒，就是我們通常所說的火燒油層。受熱的通道為可流動的原油到達生產井提供流路後，隨即實施油藏點火和注空氣，蒸汽/燃燒法的綜合應用，可在薄油藏以及持續注蒸汽無經濟效益的油藏得到較高的經濟效益。
六是SAG D技術。蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術是開發超稠油的一項前沿技術，該方法的主要機理是熱傳導與流體熱對流相結合。以蒸汽為熱源，依靠注入蒸汽與加熱的油和水之間的密度差來實現重力泄油作用而開採稠油。利用直井+水平井組合技術，大幅度提高油井周期產量。這項技術為稠油、超稠油開採接替技術開闢了新的領域。
七是摻稀油開採。該項技術的優點是不傷害油層。它不像摻活性水降黏開採，摻水後的油水混合液要到聯合站去脫水，脫下的水還要解決出路問題，增加了原油生產成本;有些區塊附近無稀油源，摻稀油也比較麻煩。這項技術的可行性和合理性決定於原油的價格。
八是微生物驅油。通過細菌在油藏環境中繁殖，細菌生長代謝，對原油產生降解作用，生成的代謝產物使固一液界面性質、滲流特性、原油物化性質發生變化，從而提高了洗油效率。微生物作用可降低原油高碳鏈烴含量及原油黏度。
九是地熱輔助採油技術。統計C油田3400個井點地層溫度資料。統計結果表明，地層溫度與油層埋深成正比，埋藏越深、溫度越高。利用廣義豐富的地熱資源，包括深層高溫流體(油、氣、水及其混合物)，將大量的熱量帶入淺油層，降低原油黏度，提高原油流動能力。為減少熱損失，最好不進行油、氣、水分離，而且不經過地面，直接注人目的油
層。勝利油田稠油熱采和注水開發工藝技術非
常成熟，開發實踐經驗也非常豐富，為利用地熱資源進行熱水採油提供了便利。勝利油田通過深化熱采稠油油藏井網優化調整和水平井整體開發的技術經濟政策研究，配套全過程油層保護技術、水平井均勻注汽、熱化學輔助吞吐、高效井筒降茹舉升等工藝技術驅動，保障了熱采稠油產量的持續增長。另外，還有太陽能、風能和重力能輔助採油技術。
開採難度
稠油開發是世界性的大難題。在中國能源緊缺的今天，稠油資源無疑是中國不可忽視的能源之一。中國的大部分稠油油藏基本上都是小斷塊稠油油藏，這類油藏屬於低品位石油資源，原油物性差，開發、採油、地面集輸與處理難度大。
那麼，稠油油田開發在產能建設中，其地面工藝技術如何優化，應採用什麼技術與方法，才能提高整體開發效益呢?河南新莊、楊樓兩個小斷塊稠油油田的開發，是中石化股份公司 "十五"重點項目。"當年確定區塊，當年鑽井，當年建產能，當年投產"。油藏、工藝、集輸"三位一體"，油層、井筒、地面有機結合，較快地形成了原油生產能力，油田開發整體效益較好，在國內達到了技術領先水平。
對應用廣泛的有杆抽油井而言，在開採稠油時，由於粘度過高，含蠟量大，使得油管的油流通道減小，抽油杆柱的上、下行阻力增加，下衝程時易出現驢頭"打架"現象，上衝程時驢頭負荷增加，嚴重時會使抽油杆卡死在油管中，甚至造成抽油杆斷裂的井下事故。此外，對於油層溫度較低的井，在抽油泵固定閥、固定閥罩及其以下部位由於壓力低，在生產過程中也容易形成堵井，而要被迫進行修井。
對於電潛泵生產井而言，由於電潛泵井排量大，吸入口處壓力低，當油層溫度較低時，此處容易結蠟並造成葉導輪流道堵塞，鑽井液阻力增加，使泵的排量下降，同時會使電機負荷增加，嚴重的可造成電機經常停機，使電泵機組不能正常運轉。
總之，稠油的開採過程中有很多的困難，由於稠油的性質造成開採中的井下事故及其費用，會使採油成本大幅度上升。因此，稠油降粘開採方法的研究對於減小井下事故的發生及降低稠油開採成本具有重要意義。
流程比較
⒈摻稀油流程
該流程降粘效果好。但設備較多，計量、管理難度大，目前國內已很少採用，加之稀油資源缺乏，因此不宜採用。
⒉井口直接加熱流程
該流程涉及三種加熱方法與技術:井口加熱爐加熱法、電加(伴)熱法、摻蒸汽或蒸汽伴熱法。就第一種方法而言，井口加熱爐又分燃油和燃氣兩種，由於燃油加熱爐所需輔助設備較多，管理不方便。燃氣加熱只有在油田天然氣充足的情況下才可以考慮這種流程。新莊油田原油油氣比只有0.5-1m3/t，各油井產氣量也不均衡。這種流程爐子太多，出事故的幾率高，生產管理不方便。因此，不宜採用電加(伴)熱降粘技術在新莊油田的冷采單井油區應用於部分油井。油氣集輸採用高架罐油，採用電加熱或伴熱降粘。由於電加熱的運行成本相對較高，大規模生產油井不宜採用;摻蒸汽或蒸汽伴熱是指在架空敷設的注采合一管線的同時，增設一條蒸汽伴熱管，當氣溫較低或產量較低時進行伴熱，油井粘度較高時可摻入蒸汽。這種集輸方式在國內稠油油田已得到廣泛應用。河南井樓、古城稠油油田已經採用了該集油流程。
⒊井口加藥集油流程
井口加藥集油流程是在油井井口加入降粘劑，降低原油在輸送過程中的粘度，便於稠油的輸送。井口加藥集油流程可以有效降低稠油黏度，整個集輸過程都將受益，但是這種流程存在缺點:一是加藥裝置太分散，不易管理;二是加藥濃度大，藥劑價格較高，運行成本相對較高;其三，主要缺點是加入的降粘劑是將原油與產出水進行乳化，從而達到降低輸送粘度的目的，但加入的降粘劑對後續的原油脫水不利，因原油脫水加入的是破乳劑，兩種藥劑藥性正好相逆，目前還沒有找到既能降粘又不影響後續原油脫水破乳的藥劑。
⒋摻水集油流程
稠油摻熱水集油流程是近年來發展起來的新流程，這種流程的優點:一是降粘效果優於摻稀油和直接加熱。若原油含水達到65%以上，這時屬於水中"漂油"，管中原油的表觀粘度很小;二是井口無運行設備;三是摻入的水為游離狀態，稠油很難乳化，在轉油站只脫摻水，實現摻水閉路循環使用。但這種集油流程計量站的設計較為複雜，需要建設摻水閥組和摻水管線。
研究進展
⒈稠油開發技術思路
稠油的特點是膠質和瀝青質含量高，如勝利油田單家寺油田單6塊稠油族組分中瀝青質就占總量的11%，而塔河油田稠油族組分中瀝青質含量更是高達23%。由於瀝青含量高，原油的黏度自然就不低。一般特稠油在油藏溫度下脫氣油黏度為10000一50000mPa·s，超稠油(天然瀝青)在油藏溫度下脫氣油黏度通常則大於50000mPa·s。但是，稠油的黏度對溫度敏感(稱黏溫關係)，如陳375井脫水脫氣油在40℃時對應黏度為133300mPa·s;80℃時對應黏度2646 mPa·s;100℃時對應黏度754 mPa·s。
特稠油因含有膠質、瀝青質、石蠟等高分子化合物，易形成空間網狀結構，具有非牛頓流體的性質。它的結構隨剪切應力的增大而破壞，而這種破壞程度與流動速度密切相關，即當原油流速慢時結構破壞小，黏度相對較大;當原油流速快時則結構破壞大，黏度相對較小。多相流體在同一渠道流動時則相互干擾，流度比越大，干擾越嚴重。高流度的水相更易侵入油相，使其變為孤立的油滴，而油滴一旦被滯留下來，要啟動它就必須克服更大的附加毛細管阻力。
T.T.Yen認為，瀝青質的基本結構是中等大小(1-1.5nm，即納米)，帶有脂肪鏈和官能團的多芳香烴層。另外，3-5個薄層按小數量堆積成由分子組合的顆粒，這些粒子能夠相互締合，從而形成集合體或膠束團。膠質和瀝青質的存在使得原油的黏度大大增加，而當其含量較高時往往會使之具有非牛頓體系的流變學特徵。其中膠質的黏度受溫度的影響較大，其處於低溫時黏度很大，而在高溫下則黏度顯著變小。膠質、瀝青質在原油中是天然的油包水型乳化劑，它們在油水界面上能形成較牢固的乳化膜，因而使這類油包水型原油乳狀液比較穩定，稠油易於反向乳化。金屬雜原子及其締合的主體--瀝青質與膠質，是影響原油黏度的主要內在因素。降低原油中金屬雜原子及其賴以存在的瀝青質與膠質的含量，可有效降低原油黏度。
稠油開採的關鍵是提高原油流動能力，包括在油層、井筒和地面輸送管道的流動能力。中國的稠油開採，90%以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驅，採收率一般能達到30%左右。對於遠離油田基地的中小規模特稠油油藏，或許其面臨的主要開發瓶頸不是來自鑽井、熱采和冷采等技術，而是來自地面集輸技術，諸如地面稠油的輸送加熱、降黏、脫水等。針對特稠油開採及集輸難題，這裡提出了在井下實現大幅度降低稠油地下原油黏度，使複雜的稠油問題轉化為稀油的問題。