戈尔斯科耶油田超高粘度油热蒸汽处理工艺的建模

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Modeling of the thermal steam treatment process of ultra-high-viscosity oil from the Gorskoye field

　　

摘要超稠油是一种前景广阔的非常规烃类资源，但此类油料的生产和加工需要额外的技术方案和操作条件。这决定了研究提高采收率（EOR）方法的重要性，其中一种方法是热蒸汽处理（TST）。本研究的目的是调查热蒸汽处理对鞑靼共和国伊格拉金区戈尔斯科耶油田超稠油的影响。实验室模拟过程在高压反应器中进行，温度为250和300 °C，时间为24–96小时。所得结果表明，热蒸汽处理导致油样运动黏度降低，沥青质-树脂质物质含量减少，同时轻烃组分含量增加，包括气态化合物。研究发现，与初始沥青相比，250 °C水热裂解后在60 °C下测量的油样运动黏度降低了一倍以上，而96小时实验的气体含量是24小时实验的两倍。此外，用300 °C蒸汽处理含油岩石96小时后，运动黏度急剧下降，相对于初始油达到99.8%的降低。对液体产品组成进行定量分析表明，在250 °C下经过48小时水热裂解后，饱和烃含量比初始油增加了22%。用300 °C过热蒸汽处理72小时，饱和烃含量增加了54%，树脂含量降低了33%。研究结果表明，热蒸汽处理可作为开发该油田的一种有效提高采收率方法予以推荐。研究成果的实际应用为评估类似储层中该过程的有效性提供了科学依据，从而为其未来更广泛的应用开辟了前景。此外，所获数据可能有助于改进现有的非常规烃类资源生产和加工技术，这对于提高稠油升级和精炼效率至关重要。引言重油（HO）在全球烃类产量中占有相当大的比重，其产量仍在逐年增加。这一类别包括密度较高的原油，以及超稠油（UHVOs）和天然沥青（NBs）。超稠油和天然沥青被视为前景广阔的非常规烃类资源，被广泛用于石油化工行业。重油资源已在各大洲的110个含油气盆地中被发现，约占世界石油和天然气盆地总数的60%。在俄罗斯联邦境内，已发现了745个重油田，其中61%集中在伏尔加-乌拉尔含油盆地[1]。然而，由于流动性低、特殊的物理性质和化学组成，以及生产井产能低，此类油料的开采和加工需要额外的操作条件和先进的技术解决方案[2]，[3]。这一挑战不仅限于俄罗斯，而是具有全球重要性。最广泛应用的提高采收率（EOR）方法之一是热蒸汽处理（TST），该过程也称为水热裂解[4]，[5]，[6]。热采方法涉及向储层注入具有高比热容的载热剂，输送大量热能。该能量用于加热储层和周围岩层，降低原油黏度，并促进所有储层流体的热膨胀。热蒸汽处理导致原油组分组成、流变行为和物理化学性质发生变化，从而提高其流动性[7]，[8]。一项使用四氢噻吩作为模型化合物的详细高温水解研究表明，其发生了热分解，生成了硫化氢、二氧化碳、烃类气体以及复杂的液态产物混合物。对加拿大重油组成以及在蒸汽处理过程中产生的气体进行分析[9]发现，在高温高压条件下，蒸汽与重油的相互作用可以促进脱硫、脱氮和加氢反应。在文献[10]中，研究了乌辛斯科耶油田（俄罗斯科米共和国）高含硫重油与辽河油田（中国东北部）低含硫重油，以及它们与模拟含油岩石组分的添加剂混合物的水热裂解。实验在间歇式反应器中进行，温度范围为150至350 °C，条件模拟储层中的热蒸汽处理。水热裂解伴随着乌辛斯科耶油的脱氮和辽河油的脱硫，以及气体（包括H?S）、不溶碳化产物（碳烯和碳质体）的生成，以及原油元素、官能团和组分组成的改变。水热裂解的液态产物相比初始原油表现出更高的芳香度。其组成特征为含氮碱性化合物和含氧结构片段（包括酰胺和亚砜）含量增加。此外，树脂-沥青质物质含量，特别是沥青质含量增加，而原油比例减少。文献[11]，[12]的作者研究了在成岩矿物存在下的热蒸汽处理过程。为此，采用了铝和镍的氧化物水溶液、硫酸镍和硫酸铜，以及单羧酸和多羧酸。实验使用的超稠油来自碳酸盐储层，密度为0.9857 g/cm3，储层黏度超过10,000 mPa·s，且含硫量和树脂-沥青质化合物含量较高。结果表明，热蒸汽处理促进树脂-沥青质物质的分解，形成新的有机化合物并增加有机物的流动性。这有助于提高碳酸盐岩层中的采油效率，并改善重油质量，具有相当大的实际意义。然而，在较高温度（350 °C及以上）和压力（大于1.4 MPa）下，烃类聚合反应强度显著增加，导致形成碳质沉积物，可能堵塞储层岩石的孔隙空间。文献[13]介绍了使用溶剂组分对阿沙尔钦斯科耶油田沥青质油进行热蒸汽处理后填充床储层模型的组分组成对比分析结果。在储层模型上进行的过滤实验使实验室结果得以放大，并优化了热蒸汽处理在实际油田条件下的应用。作者证明，热法和化学法的联合应用可更有效地将沥青质油从填充床储层模型中驱出。此外，与单纯蒸汽驱实验相比，观察到C21–C40范围内重烃组分含量更高。来自中国大学的科研人员[14]报道，延长蒸汽暴露时间会导致原油黏度降低。热蒸汽处理过程的实验室模拟在最高操作温度为350 °C、压力高达40 MPa的高温不锈钢高压釜中进行。研究选择了肯尼雅克油田和渤中油田的重油作为研究对象，其相对密度分别为0.91和0.87，黏度分别为40 °C下的82.97 mPa·s和50 °C下的3760 mPa·s。在水热裂解过程后，作者观察到饱和烃馏分增加，而树脂和沥青质含量显著降低。此外，检测到高碳数烃浓度降低，表明长链烃分子发生了裂解。研究还确定，经过一定处理时间（约36小时）后达到平衡，此后黏度变化不再显著。作者得出结论认为，在水热裂解过程中发生了树脂和沥青质分子的加氢和脱硫反应。综述论文[15]概述了现代提高采收率（EOR）技术，包括周期蒸汽刺激（CSS，或"吞吐"）法、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油（SAGD）等。作者强调，许多机制在热蒸汽处理过程中共同作用以提高石油产量。主要因素是原油黏度的降低。此外，蒸汽暴露期间生成的部分轻烃冷凝并与重油混合，起溶剂作用，从而提高采收率。另外，热蒸汽处理过程中发生的高温反应促进溶解气体的循环，可能导致二氧化碳的生成，引起流体膨胀和额外的驱油效果。文献[16]的作者使用原位过热蒸汽注入法对大型油页岩样品进行了实验性热解研究。过热蒸汽用于热解反应的能量效率为42.7%。生产井产出的液体平均温度约为170 °C，可重复利用，在商业操作中实现13.19%的热利用效率。热解区的采收率超过95%，所研究油页岩样品的综合采收率达到70.7%。文献[17]的作者详细研究了油质改善、蒸汽温度和反应距离之间的定量关系。他们比较了使用不同热解方法获得的页岩油质量，并阐明了蒸汽注入热解过程中油页岩升级的机制。在蒸汽注入温度为450 °C时，页岩油的改造距离为1400 mm。将蒸汽注入温度提高到500 °C，改造距离延长至2600 mm。在更高蒸汽温度下，页岩油快速加氢升级的距离增加，同时升级程度也有所提高。为了完全热解油页岩并生产高质量页岩油，热蒸汽温度应至少为500 °C。通过蒸汽辅助油页岩热解获得的页岩油中轻组分含量可以直接蒸馏的两倍，是原油中的三倍。对国内外文献的分析表明，热蒸汽处理的效果因储层特征和原油组成不同而存在显著差异。因此，研究水热裂解对尚未投入商业开发的戈尔斯科耶油田超稠油的影响具有特殊意义。超稠油矿床广泛分布于伏尔加-乌拉尔含油盆地的梅莱凯斯凹陷，局限于下喀山地区石油-沥青碎屑-碳酸盐岩组合。戈尔斯科耶油田是该组合中最大的超稠油聚集区之一。储层岩石由遗迹型和鲕粒状白云质灰岩组成，具有较高的孔隙率、渗透率和含油饱和度值[18]。本研究的目的是调查热蒸汽处理对戈尔斯科耶油田超稠油的影响。所得结果将为评估该过程在提高类似储层采油效果中的有效性提供科学依据，从而扩展其未来应用的前景。此外，研究结果可能有助于改进现有的非常规烃类资源生产和加工技术，这对于提高稠油升级和精炼效率至关重要。研究内容研究对象本研究的研究对象是鞑靼共和国伊格拉金区戈尔斯科耶油田碳酸盐岩储层中超稠油（HVO）的样品，包括热蒸汽处理（TST）前后的样品。超稠油通过溶剂萃取法从含油储层岩石中提取。将破碎岩石样品在250和300 °C下分别进行24、48、72和96小时的热蒸汽处理。实验室模拟热蒸汽处理过程在高压反应器中进行。热蒸汽气相色谱分析在反应器中处理后可得气态产物使用气相色谱法进行分析。分析在配备热导检测器和计算机化数据采集系统的Chromatech–Crystal 5000.2气相色谱仪上进行。分析前，色谱柱用水热裂解气体进行条件化处理，直至达到饱和。自动分析过程中，气相色谱仪对保留时间输出信号的相对标准偏差。结果与讨论初始油样以树脂和沥青质含量高（>30%）为特征，根据V.A.分类标准。

乌斯宾斯基（原油）被归类为高树脂原油。初始原油中树脂-沥青质物质（RAS）的主要部分是树脂，这表明该油分散体系对沥青质析出具有较高的稳定性。

表1列出了岩石在热蒸汽处理（TST）前后的沥青质物质含量，如下

结论

本研究对戈尔斯科耶油田的超高黏度原油在不同温度和处理时间条件下进行了热蒸汽处理的实验室模拟。研究表明，对初始油样进行热蒸汽处理会导致水热裂解产物的气体组成发生显著变化，同时还会改变所研究样品的流变性能、组分组成和总烃分布。样品的动力黏度

作者贡献声明

穆哈马季诺夫·伊列克·伊.：撰写-原稿、监督、方法论、调查。
穆哈马季诺娃·雷泽达·叶.：撰写-原稿、可视化、方法论、调查、概念构思。
西特诺夫·谢尔盖·阿.：验证、调查。
布德希勒·阿夫法内：撰写-审稿与编辑。
伊斯潘斯基·鲍里斯·弗.：项目管理。
卢克扬诺娃·雷泽达·格.：软件、正式分析。
穆达里索娃·劳沙尼亚·阿.：方法论、调查、正式分析。
瓦欣·阿列克谢·弗.：项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由俄罗斯科学基金会和塔塔尔斯坦共和国科学院资助，项目编号：26-27-20062，https://rscf.ru/project/26-27-20062/

雷泽达·叶.·穆哈马季诺娃 | 伊列克·伊.·穆哈马季诺夫 | 布德希勒·阿夫法内 | 谢尔盖·阿.·西特诺夫 | 阿列克谢·弗.·瓦欣 | 劳沙尼亚·阿.·穆达里索娃 | 雷泽达·格.·卢克扬诺娃 | 鲍里斯·弗.·伊斯潘斯基

喀山联邦大学，克里姆洛夫斯卡亚街18号，喀山420008，俄罗斯联邦