胜坨油田稠油催化降粘技术研究
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ＮＥ Ｐ化
ＥＴＲ工ＯＣＨ进
ＥＭＩＣ展ＡＬＳ 第ｌｌ卷第ｌ期 ＡＤＶＡ ’ 一。 ’
胜坨油田稠油催化降粘技术研究
王桂勋
（胜利油田分公司胜利采油厂工艺所，东营２５７０４１）
摘要介绍了稠油催化降粘机理，对胜坨油田催化降粘可行性进行了分析研究，对稠油降 粘催化剂以及催化剂助剂进行了筛选和研究，研制出适合胜坨油田稠油特点的催化剂和催化剂助 剂，降粘效率达到６０％以上，制定了催化降粘的选井条件及现场施工注入工艺，为胜坨油田稠油蒸 汽吞吐采收率的提高提供了新的工艺技术。 关键词稠油催化剂降粘
目前，在稠油油藏开发中，由于稠油的粘度
高，流动性差，开采难度大，无法进行常规开采。
蒸汽吞吐、蒸气驱是通过高温蒸气提高稠油的温
度，降低稠油分子间的作用力来降低粘度，但地层
温度下降后，稠油粘度会大幅反弹，降低蒸气吞吐
开采的效果。虽然稠油区块存在较大潜力，但由
于稠油粘度问题，限制了稠油区块采收率的提高。
稠油催化降粘技术是通过注人催化剂，使蒸气吞吐
中的高温水蒸气与地层中的稠油发生水热裂解反
应，从而不可逆地降低稠油的粘度，改善稠油性质，
增加稠油的流动性，达到提高稠油采收率的目的。
我厂Ｔ８２断块地质储量５．４５ Ｍｔ，原油粘度
高，造成有效动用程度低，虽然稠油区块存在较大
潜力，但由于稠油开发本身难度大、目前采出程度
和采油速度均很低，稠油的高粘度限制了稠油采
收率的提高。目前常用的降粘剂和掺水降粘并不
能有效解决稠油的降粘，现场常出现管堵、杆堵等
问题。针对稠油蒸气吞吐开采的特点，根据我厂
稠油的化学性质和组成，开展稠油催化降粘研究
十分必要，对提高我厂稠油蒸气吞吐开采的效果
有较大的现场指导意义。
１稠油催化降粘机理及可行性
１．１稠油催化降粘机理
稠油元素除Ｃ、Ｈ外，还有Ｏ、Ｓ、Ｎ等杂原子，
它们主要分布在胶质和沥青质中，对稠油的性质
影响最大。一般来说，胶质、沥青质含量越多，粘
度越大。稠油中主要的含硫有机物有硫醇类
（ＲＳＨ）、硫醚类（ＲＳＲ）、噻吩类；主要的含氧有机
物有酸（ＲＣＯＯＨ）、酚（ＡｒＯＨ）、醚（ＲＯＲ）、酮
（ＲＣＯＲ）、醇（ＲＯＨ）、醛（ＲＣＯＨ）；其中酸、酚含量
相对较多，其他含量较少；主要的含氮有机物有喹 啉类、吡啶类、吲哚类、咔唑类。在２００ ｏＣ以上注
蒸气吞吐过程中，水在２５０ ｏＣ的离子负对数值是
１１，￣ｉｉ２０ ｏＣ时的值是１４。当水温升高时，水变成了
更强的酸和更强的碱，除了动力学速率随温度的自
然增加外，由水产生的酸、碱催化作用在高温下也
提高了。稠油中主要化学键的离解能如下：Ｃ—Ｓ
＜Ｃ－－Ｎ＜Ｃ—Ｏ＜Ｃ－－Ｃ。因Ｃ—Ｓ的离解能最低，
最容易断裂，因此在高温水蒸气的条件下，可使有
机硫化合物发生水热裂解反应，同时还发生高温环
境下有机硫化物的热裂解反应。根据Ｈｙｎｅ等的研
究结果，有机硫化合物中Ｓ＿＿Ｃ键断裂是稠油水热
裂解中的重要步骤，其总的反应方程式如下：
ＲＣＨ２ＣＨ２ＳＣＨ３＋２Ｈ２Ｏ－＋ＲＣＨ３＋ＣＯ２＋ ＋Ｈ２Ｓ＋ＣＨ４
其次弱碱性硫原子的质子化可以产生活性中 间体，水最有可能进攻活性中间体，中问体中的正
电荷可以通过结合脱去碳原子，使其脱除Ｈ Ｓ，经
过分子重排生成醛。醛热解生成ＣＯ和烃，ＣＯ与
水蒸汽可发生水煤气转换反应，生成ＣＯ 和Ｈ ，
Ｈ 又参与稠油加氢裂解或加氢脱硫等改质反应。
因此，由水中的氢结合到稠油中实现改质是水热
裂解反应的重要步骤，反应机理如下：
收稿日期：２００９—０９—０２。 作者简介：王桂勋，工程师，现于胜利油田分公司胜利采油厂 工艺所从事油田化学、堵水调剖、三次采油方面的研究工作。
２０ｌ０年１月 王桂勋．胜坨油田稠油催化降粘技术研究 １５
另外金属离子与有机硫化物中的硫原子配
位，使电子发生转移，形成中间体。形成的中间体
可以按２种历程进行反应：
（１）水作为亲核试剂进攻中间体的ａ碳，导
致Ｓ—Ｃ键断裂，发生开环，释放出Ｈ Ｓ和ＣＯ，产
生的ＣＯ参与水煤气转换反应生成ＣＯ 和Ｈ 。
（２）中间体发生热解反应，分解为Ｈ：Ｓ、ＭＳｘ
和小分子烃，小分子烃可以进一步发生聚合反应。
金属离子与有机硫的络合将削弱ｃ＿Ｓ键，使得
分子链断裂，从而使沥青质和胶质等物质生成较
小的分子类，或改变外形成为能降低粘度的分子
类，部分地降低稠油粘度。无论硫是在芳香烃中
还是在脂肪烃中，所有过渡金属都加速了硫化物
的分解，反应机理如下：
…
合 泔＋ｎ＋
圭
ｃｏ＋烃＋ｍｓ＋Ｍｎ＋——水解—— 二 一ｃＨｏ
ｌｌ
１．２稠油催化降粘的可行性
笔者对Ｔ８２稠油区块的稠油性质进行了试验
分析，结果如表１所示。
表１ Ｔ８２区块部分原油性质
由表１可见，稠油中胶质、沥青质含量高，两
者合计约６０％，含硫２％一３％，因此其中的杂原
子含量较高，具有催化降粘的物质基础。
资料表明，在２００～３５０ ｏＣ之间，水热裂解反
应特征最明显。当温度在２００～３００ ｃＩ＝之间时，水
热裂解为主导的化学反应；温度在３００～３５０ ｏＣ时 有部分热裂解反应，热裂解反应可能会因水的存
在而受到抑制，而水的存在却对水热裂解反应有
利。而２００～３５０℃温度范围与蒸气吞吐采用的
锅炉亚Ｉ临界注汽锅炉、超临界注汽锅炉注气开采
的稠油油藏的温度条件相当。因此注气的温度满
足稠油水热催化降粘反应的温度条件。
２稠油的水热裂解试验
２．１含水量对稠油催化降粘的影响
稠油的水热裂解反应是指稠油中的有机化合
物与水蒸气在高温下发生的裂解反应。２７０ ｃＩ＝时
改变反应体系中水的含量，测定反应前后稠油粘
度变化，评价水量对稠油水热裂解反应的影响，结
果如表２所示。
表２含水量对催化降粘的影响
从表２可以看出，随着含水量的增加，超稠油
的粘度降低，但当含水量超过２０％后，超稠油的
粘度不再下降，说明在超稠油的水热裂解反应中，
含水量为２０％时，降粘率已经达到极限程度，再
提高含水量，反应后超稠油的降粘率基本不变。
２．２反应催化剂的研究试验
催化剂在稠油水热裂解降粘中的作用：①降
低水热裂解的活化能；②提高反应速度。根据稠
油蒸气吞吐开采的特点，催化剂必须具有以下几
个条件：①易注入油层，尽可能扩大波及范围；②
良好的耐温性；③与地层水的配伍性好；④抗毒性
好，不易被原油中的组分毒化；⑤活性好，寿命长，
成本低。因此选择均相催化剂类型作为稠油水热
催化降粘的催化剂，分别筛选几种不同的催化剂
活性组分进行试验，结果见表３。
表３
不同活性组分的催化降粘率 ｌ６ Ａ ＡＮ细
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从表３可知，不同的金属活性组分存在不同
的降粘率，其中以Ｎｉ 为活性组分的催化剂降粘
率为５３．６％，降粘效果明显好于其他组分，因此确
定催化剂的活性组分为Ｎｉ¨。根据催化活性组
分筛选试验以及水热催化反应的机理，合成了水
热催化反应的催化剂。
２．３反应催化剂含量优化
通过不同含量的以Ｎｉ２＋作为活性组分的催
化剂降粘试验，筛选出较合适的催化剂含量，结果
见表４。
表４不同催化剂含量下的降粘率
从实验可知，当催化剂含量小于０．８％时，随
含量的增加，降粘率增大，催化剂含量大于０．８％
时，降粘率变化不大，因此催化剂的含量约为
０．８％时，即可达到最佳的降粘效果。
２．４稳定剂试验
经水热裂解和水热催化裂解反应后的稠油虽
然在反应后粘度下降幅度大，但随着放置时间的
增加，粘度反弹，如表５和表６所示。
表５水热裂解降粘率随时间变化
表６水热催化降粘率随时间变化
究其原因可能是：在裂解反应过程中，由于脱
杂原子等一系列反应形成了活性链和自由基，在
放置过程中这些活性链可能发生聚合反应，从而 导致粘度升高。因此必须添加稳定剂，阻止聚合
反应发生。稳定剂的机理如下：
无稳定剂时：Ｒ・＋・Ｒ—Ｒ—Ｒ ………聚合反应
有稳定剂时：Ｒ・＋Ａ—Ａ・＋ＲＨ……自由基交换
Ｒ・＋Ａ—＋ＲＨ……………链终止
加入稳定剂可以与稠油裂解后的活性自由基
反应，阻止链的增长，终止自由基重新聚合，加人
稳定剂后降粘率随时间的变化如表７所示。
表７加入稳定剂后降粘率随时间的变化
项目 反应后１天后３天后５天后１０天后
粘度／ｍＰａ・８ ８ ７３１ ８ ７７７ ８ ８２５ ８ ８００ ８ ８２２
降粘率．％ ６１．７ ６１．５ ６１．３ ６１．４ ６１．３
从表７可以看出，在有稳定剂存在下，经水热
裂解反应后，在不同放置天数条件下，稠油的粘度
变化不大，这说明当反应体系中有稳定剂存在时，
可以使反应体系中的活性链发生终止，从而避免
活性链之间的结合，即聚合反应的发生从根本上
控制了稠油的粘度反弹。
３现场施工选井及注入方式
根据稠油催化降粘的机理及实验，筛选了以下
选井条件：①稠油粘度较高（２０ ０００ ｍＰａ・ｓ以上）；
②含硫２％以上；③注汽温度较高（３００ Ｃ左右）。
现场施工注入方式：注蒸汽前将催化剂和助
剂注入地层，使之在随后的蒸汽作用下与稠油发
生反应。
４结论
（１）在蒸汽吞吐开采中，水蒸汽不仅可用作
热载体，同时还可与稠油反应，为稠油催化降粘提
供了客观条件。
（２）稠油的水热催化降粘不可逆地降低稠油
粘度，从而可提高蒸汽吞吐的效果。
（３）在催化剂及助剂作用下，稠油降粘率可
达６０％以上，可提高稠油蒸汽吞吐的采收率。
参考文献
１刘永建，钟立国等．辽河油田超稠油水热裂解采油现场试验． 大庆石油学院学报，２００２，１２６（３）：９ ２贺时中，范洪福．蒸汽和金属盐作用下稠油粘度变化研究．化 学工程师，２００６，ｌ３１（８）：８ （下转第１９页）
