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辽河稠油水热裂解反应研究与应用

范洪富  
【摘要】: 热力采油是稠油开采最有效的方法之一。在注入蒸汽的过程中,注入油层的蒸汽将与稠油发生水热裂解反应。稠油经水热裂解反应后,其组成中饱和烃、芳香烃含量增加,胶质、沥青质含量降低,这为稠油的井下催化降粘开采技术的实施提供了理论依据。为此,本文在研究辽河稠油水热裂解反应可行性的基础上,研制井筛选了较合适的水热裂解催化剂,探讨了在催化剂作用下各种反应条件对辽河稠油水热裂解反应的影响,从而提出了稠油水热裂解反应的机理。并将室内的研究成果,成功地应用于现场稠油开采,取得了较为满意的效果。本论文的主要研究内容及创新点是: (1)系统研究了辽河稠油的水热裂解反应 在对辽河稠油发生水热裂解可行性方面,主要考察了反应温度、反应时间、加水量对辽河稠油组成、粘度、平均分子量的影响;考察了在上述不同条件下,稠油发生水热裂解反应时产生气体量的变化;考察了稠油组成中胶质、沥青质的转化。研究结果表明,在注蒸汽开采稠油的条件下,辽河稠油可以发生了明显的水热裂解反应。在240℃下经水热裂解反应36小时后,稠油的粘度可下降28%以上,其组成也发生了明显的变化,主要表现在经水热裂解反应后,稠油组成中饱和烃、芳香烃含量增加,胶质、沥青质含量降低:VPO测定结果表明,稠油和其中的沥青质的平均分子量下降,硫、氧等杂原子含量也降低。NMR和IR分析结果表明,辽河稠油经水热裂解反应后,其结构也发生了变化。所有这些变化说明,在蒸汽吞吐开采条件下,辽河稠油可以发生水热裂解反应。 (2)全面研究了催化剂对辽河稠油水热裂解催化反应的影响 在研究了辽河稠油发生水热裂解反应可能性的基础上,以富含重金属的矿物为原料,经过一定的加工程序,研制出了五种水热裂解催化剂体系,并筛选出了一种催化降粘性能较好的催化剂。在对水热裂解催化剂性能评价的基础上,研究了在催化剂存在下辽河稠油发生水热裂解反应行为。考察了催化剂浓度、反应时间、反应温度和反应体系含水量对稠油组成、粘度、平均分子量的影响,分析了稠油在水热裂解过程中结构的变化。研究结果表明,在反应体系中加入0.05wt%的催化剂,可以加速辽河稠油的水热裂解反应,缩短水热裂解反应的时间,使稠油的粘度下降80%以上。同时,稠油的族组成、平均分子量和结构都发生了较大的变化。 (3)考察了油层矿物、供氢剂对稠油水热裂解催化反应的影响 在深入研究了稠油水热裂解催化反应的前提下,本文研究了油层矿物、供氢剂对稠油水热裂解反应的影响。在注蒸汽的条件下,油层矿物和催化剂对稠油水热裂解反应有协同作用;供氢剂的加入,可以终止水热裂解反应过程中产生并残存于稠油中的活性链,阻止了聚合反应的进行,使稠油的粘度维持在较低的水平,抑制了稠油粘度的回升。 (4)详细探讨了稠油水热裂解机理 在研究稠油水热裂解反应机理方面,以噻吩、四氢噻吩为模型化合物,研究了模型化合物的水热裂解反应。在此基础上,较全面提出了稠油水热裂解反应的机理:①高温水蒸汽的酸碱催化作用;②金属盐络合物的催化作用;③油层矿物在高温下生成了结构类似于通常用于原油催化裂化的无定形的催化剂;④供氢剂的稳定作用和就地加氢作用;⑤水热裂解过程中的就地加氢作用;⑥水热裂解过程中生成的CO2和轻烃,对稠油的溶解作用;⑦由于杂原子含量的减少,导致稠油分子间作用力的降低。 (5)首次成功地进行了水热裂解开采稠油现场实验 摘 要 一 在全面、深入研究了辽河稠油油藏地质条件的基础上,在不改变现有注蒸汽开采稠油的前提下, 利用室内研究成果,在辽河油田进行了 15口井的井下催化降粘开采实验。现场实验结果表明,采用水 热裂解技术后,实验并平均单井增油699吨,投入产出比达1:7。同时,稠油的粘度下降75%以上。 通过大量的研究证明,利用水热裂解反应,可以实现稠油井下就地降粘,是稠油油田提高经济效 益、降低生产成本的一种切实可行的方法。


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