CN108468537A - 化学增能实现地下稠油减粘裂化开采新技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种开采地下稠油的新技术，它可利用蒸汽将地层予热至250℃后，向地层注入特殊设计的氧化还原体系，利用氧化还原反应放出热量，使地层温度提升至350℃以上，经数小时，一部分稠油从大分子烃裂化为小分子烃，从而实现永久性减粘的目的。也可不予热地层，直接向地层注入氧化还原体系，只是采注比有所下降.所谓氧化还原体系由A组分液和B组分液构成。A组分液中包括氧化剂饱和溶液和其固体粉粒，B组分液中包括还原剂石油烃(如再生矿物油)、引发剂电石以及稠化剂和乳化剂等。A组分液也可以用富氧空气水基泡沫液代替。氧化还原体系具有含能高、自引燃、无公害的特点，并且原料廉价易得。施工简便，只需一台防砂泵车就可完成作业。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气工业中稠油开采的工艺技术。
背景技术
稠油是指在原始油藏温度下脱气原油粘度在100～10000mpa.s，或者在15.6℃及大气压下密度为934～1000kg/m3的原油。中国稠油的粘度相对较高，普通稠油定义为粘度100～10000mpa.s，特稠油为10000～50000mpa.s，超稠油则大于50000mpa.s。
稠油储量丰富，但却难动用。目前，针对稠油开采，中外所采用的工艺技术(包括正在试验的技术)有：溶剂稀释或轻油稀释、表面活性剂乳化、蒸汽吞吐和蒸汽驱、重力采油、热水驱、火烧油层、微生物降粘、电加热或微波加热、加催化剂裂化。我国石油工作者，经实践确认，有工业价值的尚属蒸汽吞吐、蒸汽驱和火烧油层。所以可略去对其它工艺技术的评价。
蒸汽吞吐是将370℃的过热蒸汽注入地层，使地层温度上升至250℃。蒸汽的注入量按冷水当量计算为每米油层70～120T，注入数天，再焖井3～14天。然后进入采油阶段，持续几个月后，地层温度下降了，需再次注蒸汽。蒸汽驱也是用370℃蒸汽注入地层，连续注入5～7年。若要提升注汽温度(如600℃)则需投巨资购设备，其运营维护费用施工方难以承担，对套管的破坏性损害油田方也难以接受。
所谓火烧油层是向地层注入空气，使地层稠油燃烧。利用燃烧产生的热量使稠油减粘。其实，火烧油层从1920年就开始试验，但失败的大于成功的。这主要是油层的非均质性引起的波及范围低及燃烧火线难控制，并不能形成人们希望的“一片火海”，地层温度达不到预期要求。
发明内容
为了提高轻质油产量，炼厂广泛采用裂化工艺。裂化是在一定温度作用下发生大分子烃裂解成小分子烃的工艺过程，分为高温热裂化和低温减粘裂化，近几十年，高温热裂化被催化裂化取代。低温(400～500℃)减粘裂化是针对常减压渣油，旨在通过不太高的温度达到一定程度的裂化，从而在渣油中提出一部分催化裂化原料。
地层稠油与炼厂渣油成分相近，渣油发生减粘裂化的条件同样适用于地层稠油。
根据化学动力学的碰撞理论，减粘裂化是由于分子热运动，两两碰撞，导致C-C键断裂，生成一分子烷烃和一分子烯烃：
R1-CH2-CH2-R2→R1＝CH2+R2-CH3
以上反应是分几个基元步骤进行的，
R1-CH2-CH2-R2→R1-CH2·+·CH2-R2，
R1-CH2·→R1＝CH2+H·，
R2-CH2·+H·→R2-CH3。
其中第一个基元反应最慢，是控速步骤，决定了整体反应速度，所以第一个基元反应的速度方程就是整体反应的速度方程。根据质量作用定律，这个一级反应的速度方程为：
式中k——反应速度常数，s-1
t——反应时间，s
a——反应物原始浓度，mol·L(1)-1
y——经过时间t后已反应的浓度，mol·L(1)-1
积分得
定义转化率为则
或
上式说明转化率x与速度常数k和反应时间t的乘积正相关。即若获得一定的转化率，必须要有足够大的速度常数和足够长的反应时间。炼厂采用将渣油在加热炉中一过式加热到400-500℃或采取将渣油在塔式反应器中用较低温度(350-370℃)较长时间(3小时)处理方式，都能达到减粘裂化的目的，显然处理地下稠油更适合于第二种方式。
那么，将目前所能达到的地层温度250℃提升到350℃时，裂化反应的速度常数会有什么变化呢？速度常数k与温度和活化能有关：
式中，
Z——频率因子，s-1
ΔE——活化能，J·mol-1
R——气体常数，8.314J·mol-1·K-1
T——反应温度，K
其中Z与温度T的平方根成正比。
以C40烃类为例，ΔE＝171.44×103J·mol-1，令K350为350℃时的裂化反应速度常数，K250为250℃时的速度常数，则有
同样方法，可以算出当温度从400℃升至500℃时，速度常数的变化：
可见，温度从250℃升至350℃时，速度常数变化最显著。
理论分析和炼厂实践都说明，当地下稠油的温度达到350℃以上时，会发生减粘裂化。
本发明是利用化学增能方法，即向地层注入特殊设计的氧化还原体系，使部分稠油分子发生裂化反应，变成小分子，达到永久减粘的目的。当然，也可以不予热地层，直接向地层注入氧化还原体系，只是采注比有所下降。本发明的技术含量和工业应用价值在于：
所选择的化学品含能较高，目前用于化学增能解堵、助排的化学品含能较低，不能选用；选择廉价易得的再生资源，提高采注比；不含有毒有害物质，不污染环境；采收油无需特殊处理，可直接进油气中心站；增能效果显著，使产层温度提高到350℃以上，持续数小时，就可以使部分稠油发生裂化反应。炼厂实践说明，只要有10％稠油分子发生裂化反应变成小分子，就可以达到永久减粘目的。另外，施工简便，一台防砂泵车就能完成施工作业。
根据上列的原则，本发明给出如下氧化还原体系：
A组分液：氧化剂---氯酸钠(Naclo3)饱和水溶液加固体氯酸钠粉粒，
亚氯化钠(Naclo2)粉粒，
增稠剂---水基压裂液增稠剂，如聚丙烯酰胺(PAM)。
B组分液：还原剂---石油烃类，如再生矿物油(柴机油等)，
稠化剂---油基压裂液稠化剂，如环烷酸铝，脂肪酸皂等，
乳化剂---石油磺酸钠等，
引发剂(引燃剂)---电石颗粒，
A组分液催化剂-----二氧化锰粉，或更高效的氧烛催化剂。
A组分液从油管注入，B组分液从油套环空注入。A液和B液在地层中混合，同时驱替地层中原有的水份。A液和B液混合后，B液被乳化，同时发生下列化学反应：
①CaC2+2H2O＝Ca(OH)2+C2H2↑
②Ca3P2+6H2O＝3Ca(OH)2+2PH3↑
③Ca3As2+6H2O＝3Ca(OH)2+2AsH3↑
④NaClO2＝NaCl+O2↑
⑤2NaClO3＝2NaCl+3O2↑
⑥2PH3+4O2＝P2O5+3H2O
⑦2AsH3+3O2＝As2O3+3H2O
⑧2C2H2+5O2＝4CO2+2H2O
⑨2nCH2+3nO2＝2nCO2+2nH2O(烃类燃烧反应简式)。
其中P和As是电石中的杂质。
上述的氧化还原体系其构成和作用机理是：NaClO3是主氧化剂，分解温度300℃，有催化剂存在时，分解温度可降低。NaClO2是助氧化剂，分解温度是175℃，注入予热到250℃的地层，助氧化剂会立即分解，放出氧气。A组分液中加入固体NaClO3和NaCl2粉粒是为了减小注入水的量。增稠剂的加入是为了增强对固体粉粒的携带能力。B组分液中的还原剂需要事先脱水，稠化剂环烷酸铝、脂肪酸皂是为了增稠，以便携带固体颗粒，乳化剂的加入是为了扩大化学反应的接触面，使B组分液遇到A组分液立即乳化，形成水包油型乳液，电石的加入不仅为了产生乙炔，还巧妙利用电石中的磷、砷等杂质，在水环境中产生低燃点的PH3和AsH3气体，遇到分解出的氧气，就可以产生明火，进一步点燃再生矿物油。只要氧化剂足够，再生矿物油就会完全燃烧，在燃烧过程中，自然破乳，同时有害气体CO、H2S、PH3、AsH3也会消除。为了增加低燃点气体的量，也可以适量添加磷化钙(Ca3P2)。燃烧是在矿物油滴表面由O2、C2H2、PH3气体形成的微空间不断进行的。
上列的9个反应，多为放热反应，其中以⑧⑨为主，⑨是烃类的燃烧反应，烃类的燃烧热大约为48000KJ/Kg，即1Kg烃完全燃烧可使115.2Kg的水温升高100℃，显然这个投入产生比奠定了工业规模实施的基础。
A组分液也可以换成富氧空气水基泡沫液，富氧空气由工业富氧机产生。现国内技术先进的制造商，利用单塔变压吸附技术已能造出氧含量92.5％、能耗0.3kwh/Kg O2的工业富氧机，但需定制大容量、可车载或撬装的形式。届时，施工成本会进一步下降。
附图说明
附图1所示为施工中化学品注入路线图。
图中：1油管，2密封盒，3生产阀门，4套管阀门，5油管头，6油层套管，7桥塞。
其中，A组分液(或富氧空气水基泡沫液)从油管注入，B组分液从油套环空注入。A液和B液在即将进入产层时相遇相混，其所携带的固体粉粒及颗粒受到桥塞阻挡，随液进入地层。
具体实施方案
选用SPT-DS25型防砂泵车作为主要施工设备。在混砂罐(容量3.975m3)中配制A组分液：根据NaClO3溶解度(10℃---90g/100g水，20℃---101g/100g水)配制饱和溶液，取1000kg水，投入1010kg NaClO3搅拌溶解，再加入150kgNaClO3粉粒和50kgNaClO2粉粒。加粉料型大分子的聚丙烯酰胺15kg。
同时在前置液罐(3.18m3)中，配制B组分液，取再生矿物油1000kg，环烷酸铝10kg，石油磺酸钠3kg，二氧化锰0.1kg，电石颗粒(16--60目)150kg。
A组分液(或富氧空气水基泡沫液)从油管注入井内，B组分液从油套环空注入井内，同时进行。按1kg再生矿物油消耗3.43kg氧的比例调整A液(或富氧空气水基泡沫液)和B液的比例注入，由于忽略CaC2和NaClO2的量，实践中，A液和B液的比例适当调整。
Claims (4)
1.一种地下稠油开采新技术，其特征在于，利用氧化还原体系在地层发生的化学反应产生热能，使地层温度提升至350℃以上，部分稠油分子裂解为小分子，实现永久减粘。
2.根据权利要求1所述的新技术，其特征在于，氧化还原体系由A组分液和B组分液构成，A组分液包括氧化剂氯酸钠的饱和溶液及其氯酸钠和亚氯酸钠的粉粒，水基压裂液增稠剂；B组分液包括还原剂石油烃类(如再生矿物油)，油基压裂液稠化剂，乳化剂石油磺酸钠等，引发剂电石颗粒。
3.根据权利要求2所述的新技术，其特征在于，A组分液和B组分液分别从油管和油套环空同时注入，使其在进入地层后相遇相混。
4.根据权利要求2所述的新技术，其特征在于，A组分液可以用富氧空气水基泡沫液代替。
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