一种基于纳米催化与微波加热的稠油裂解降粘方法

本发明涉及稠油裂解降粘的新方法，主要包括纳米催化剂、供氢剂、稠油以及微波加热系统等，具有降粘效果好、反应时间短、所需温度低、节约成本等特点，达到高效开发稠油的效果，属于采油工程及提高采收率领域。

稠油是指在油层温度下脱气，原油粘度大于100mPa·s，相对密度大于0.92，API重度小于20的原油，又称为重油，属于非常规石油资源。我国稠油资源非常丰富，陆上稠油、沥青资源约占石油资源总量的20％以上，预测资源量198×108吨，其中最终可探明的地质资源量为79.5×108吨。截至2007年，探明稠油地质储量20.6×108吨，已动用地质储量13.59×108吨，剩余未动用地质储量7.01×108吨。国内大部分含油气盆地都是稠油与常规油共存着的。目前，已在12个盆地发现了70多个稠油油田。其中，大多数稠油油藏埋深在1000m以内，属浅层稠油；部分油田埋深超过5000m，属深层稠油。随着轻质油可采储量的减少以及石油开采技术的不断提高，开采稠油所占的比重将会不断增大。近几十年来稠油的开发取得了巨大的进步，但是仍然存在许多技术挑战。稠油开采面临的困难主要来自两个方面：一是原油在油层的渗流阻力太大，无法从油藏流入井底；二是即使原油能成功采出，由于温度较低，地面集输原油粘度较大，需要采取经济的措施降低原油粘度。

目前，国内外常用的稠油降粘方法主要有物理降粘和化学降粘。物理降粘包括：掺稀降粘、加热降粘、微波降粘和超声波降粘。掺稀降粘是通过向稠油中加入稀油以降低稠油的粘度和密度，增加其流动性。掺稀降粘有较多的应用，然而掺稀降粘面临严重的稀油资源匮乏问题。加热降粘主要包括蒸汽吞吐、蒸汽驱以及由此发展的一系列改进方法，此类方法通过升温提高稠油流动性，目前应用较广泛。但是，随着温度的降低，稠油的粘度又常常发生反弹，不能从根本上解决降粘问题，同时这些工艺措施普遍面临着油层出砂、气窜和采油成本高的严峻挑战。化学降粘是向原油中加入某种药剂通过药剂的作用达到降低原油粘度的方法。常用的化学降粘方法包括：表面活性剂降粘、加碱降粘、油溶性降粘剂降粘、低温氧化降粘、水热裂解降粘、微生物降解和以减粘裂化、延迟焦化、催化裂解等为手段的稠油改质降粘。化学剂降粘效果比较显著，但是对不同的油田差异较大，应用范围小。同时还存在其它一些问题，如水溶性降粘工艺使油井含水上升、产油下降，油溶性降粘工艺成本高、环境污染等。催化裂解降粘近几年也有较多的研究并有较大进展，主要问题是需要高温、较长的反应时间以及粘度恢复。

本发明针对已有降粘技术存在的问题，研制出一种利用微波加热进行高效稠油纳米催化裂解降粘方法，该方法将物理降粘方法与化学降粘方法结合起来，为高效开发稠油提供技术支持，具有可观的油田现场应用前景。

本发明的目的是：针对已有催化裂解降粘技术的缺点，引入微波加热技术和纳米催化剂进行稠油裂解催化降粘，达到在较低温条件下和较短时间内，大幅度降低稠油粘度，且有效保持裂解后原油的流动性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在稠油中加入少量的碳纳米颗粒，在微波作用下，这些纳米颗粒既是高温载体又是催化剂，通过打断稠油分子中如C-S键这样的杂基支链，最终实现稠油的高效裂解降粘。

具体实施步骤如下：使用粒径较小的碳纳米颗粒作为催化剂；将油样、纳米催化剂以及供氢剂(四氢萘)按照一定比例进行混合配置，其中油样体积为20-30mL，催化剂浓度为0.5wt％，供氢剂浓度为1wt％；对配置完毕的油样进行微波加热，采用梯度升温法，加热2分钟，暂停4分钟，如此循环10次，累计加热20分钟；整个过程中通过热电偶及数据采集软件对油样温度进行实时监测(见附图1)，最高温度不超过150℃(见附图2)；对裂解前后油样的流动性、粘度以及族组分变化进行分析与测定；结果表明：本发明采用的碳纳米催化剂(粒径21nm)，在微波作用下，可使稠油降粘率达到96％(见附图3)，轻质组分(饱和烃与芳香烃)增加约11％，重质组分(胶质与沥青质)减小约5％(见表1)，有效流动性可保持20天(见附图4)，最终实现在较低温度和较短时间条件下稠油的高效裂解降粘。本发明经济环保、操作简单，具有可观的油田现场应用前景。

表1裂解前后油样族组分对比(与其他三种粒径的催化剂对比)

本发明的工作原理是：相对其他传统热处理方法，利用微波具有：(1)将能量直接传递于吸收微波的物质；(2)能量利用效率高；(3)加热速度快且加热均匀；(4)穿透能力强等特点。稠油吸收微波的能力较弱，因此有必要添加某些吸收微波能力较强的物质，才能通过微波加热达到裂解降粘所需的温度。碳的介电常数较高，具有良好的吸收微波能量的能力，因此采用碳纳米颗粒作为稠油裂解的催化剂。

稠油高粘的根源在于其内部存在的大分子碳链结构，如沥青质及胶质。因此，将大分子打断成为小分子对于稠油降粘十分必要。在稠油的化学组分中，C-C键、C-H键等化学键能较大，热稳定性较高，难以断裂，为了实现稠油裂解，关键在于打断诸如C-S键(键能最小)这样的杂基支链。传统催化剂的颗粒相对较大，其与C-S键等相互作用的难度较大。

颗粒较小的纳米催化剂与稠油分子的接触面较大，因此加入后，在微波作用下，油样的温度上升更快、更高。如图2所示，裂解过程中，油样1中加入本发明所采用的催化剂A(粒径21nm)，其升温最快且最高(142℃)，因此催化剂颗粒尺寸越小，裂解过程中油样的温度越高。需要指出的是，温度-时间并不呈线性关系。

由于催化剂颗粒的尺寸属于相对较小的纳米级，因此单位体积内催化剂颗粒的数量较大，同时颗粒作用于C-S键的可能性就越大，最终催化剂打断C-S键的能力就越强，从而实现稠油裂解降粘，纳米催化稠油分子裂解示意图请见附图5。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)降粘效果好，本技术将微波降粘和催化裂解降粘技术结合起来，根据微波加热特点引入纳米催化剂，在稠油整体加热温度不高的情况下，出现大量高温点，达到快速降粘的效果；(2)能量利用率高，由于微波加热为体加热，能量利用率好于常规加热方式；(3)污染小，由于只加入少量的纳米催化剂，所以该技术相对于传统化学降粘技术具有对储层原油污染小的特点；(4)成本低，相对于掺稀降粘和化学剂降粘技术，该技术成本低很多；(5)该方法具有稠油降粘所需时间短(最快不到一小时)、裂解降粘所需温度低(最低可在150℃左右)等优势，并且有效阻止了裂解后原油粘度的快速反弹。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

附图1为微波加热稠油裂解装置原理图；

如图所示：1-微波炉(额定频率2450MHz，输出功率为800W)；2-微波能量；3-反应试管；4-热电偶；5-温度数据采集；

附图2为稠油裂解过程中温度随时间变化曲线图；

如图所示：油样1中加入的是本发明所采用的碳纳米催化剂(21nm)，为突出效果，选用粒径分别为80nm、6μm以及40μm的碳颗粒催化剂作为对比组；

附图3为降粘率柱状图；

如图所示：催化剂A为本发明所采用的碳纳米催化剂(21nm)，为突出降粘效果，选用催化剂B-D作为对比组，其粒径分别为80nm、6μm以及40μm；

附图4为裂解前后原油流动性变化图；

附图5为纳米催化稠油分子裂解示意图；

附图6为微波加热稠油裂解在油田现场应用示意图。

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1(使用本发明所采用的碳纳米催化剂)：首先选择国内某油田的超稠油作为目标油样，其原始粘度为57800mPa·s(30℃，10s-1)；选择粒径为21nm的碳纳米颗粒作为催化剂；将油样、纳米催化剂以及供氢剂(四氢萘)按照一定的比例进行混合配置，其中油样体积为20mL，催化剂浓度为0.5wt％，供氢剂浓度为1wt％；对配置完毕的油样进行微波加热，采用梯度升温法，加热2分钟，暂停4分钟，如此循环10次，累计加热20分钟；如附图1所示，加热过程中通过热电偶及Libview软件对油样温度进行实时采集；对裂解前后油样的流动性、粘度以及族组分变化进行测定。

实施例2(使用粒径较大的催化剂进行对比)：如实施例1所述，不同的是将催化剂换成粒径为80nm的碳纳米颗粒。

实施例3(使用粒径较大的催化剂进行对比)：如实施例1所述，不同的是将催化剂换成粒径为6μm的碳纳米颗粒。；

实施例4(使用粒径较大的催化剂进行对比)：如实施例1所述，不同的是将催化剂换成粒径为40μm的碳纳米颗粒。

对测定结果(温度、降粘率、轻质/重质组分变化，流动性等)进行综合分析，确定出对于稠油降粘效果最好的纳米催化剂，即本发明采用的碳纳米催化剂(粒径21nm)，其对于稠油样品的降粘率达到96％(见附图3)，轻质组分增加约11％，重质组分减小约5％(见表1)，有效流动性可保持20天(见附图4)，通过对比实验研究，可得出结论：催化剂的粒径直接影响着稠油的裂解降粘效果，粒径越小，降粘率越高。

实施例5：油田现场应用方面，如附图6所示，在酸化压裂(前置)液或其他入井流体中加入一定浓度的纳米催化剂与供氢剂，泵入储层后，通过加热井中的微波加热器产生热能对稠油进行持续加热，裂解降粘后的稠油便可通过生产井进入油气分离器获得工业油流，整个过程操作简单，节能环保，对于油田具有重要的实用价值。

如上所述，便可以很好的实施本发明。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳的实施例表述如上，然而并非以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述技术内容做出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。