辽河稠油井下改质催化体系的研制与应用

论文摘要

目前稠油开采的主要方法是注蒸汽热力采油法。热采过程中，利用注入的高温水蒸汽与稠油之间发生的一系列反应就地改质提高稠油品位、不可逆地降低稠油粘度、改善吞吐采油效果是一项具有广阔应用前景的稠油开采新技术。因此，开展与此相关的基础理论研究和化学剂的研制具有重要的现实意义。本文深入研究了辽河油田稠油在注蒸汽条件下井下改质反应及其机理；研制开发了适合辽河油田稠油的井下改质催化剂及相关助剂，为现场采油生产提出了初步的施工工艺，经过现场试验，取得了较为满意的结果。针对辽河油田低硫稠油(含硫量为0.5wt％)分析了注蒸汽热采过程中胶质和沥青质催化降解反应的机理。研究表明低含硫的稠油中胶质和沥青质的降解除了脱硫作用以外，胶质和沥青质稠环上的脂肪族支链和稠环间脂肪族桥链的断裂起了相当大的作用。通过实验证实脂肪侧链和桥链的断裂主要按本位取代(ipso substituyion)的机理进行。本文研制开发了适合辽河油田稠油井下改质的催化剂及其相关助剂，提出了催化剂制造工艺，将过渡金属离子置于有机分子骨架上，催化剂具有油溶性，实现了均相催化。该催化剂的合成方法简单，成本低廉，热稳定性良好，催化效率高。使用温度在200℃左右。本文开展了井下改质反应降低稠油粘度和乳化降低稠油粘度相结合的综合功效研究。过渡金属化合物的过渡金属在井下改质反应中起催化作用，在注蒸汽的条件下使稠油在井下实现部分降解，从而降低稠油的粘度；在反应结束后有机过渡金属化合物与复配的抗高温表面活性剂一起起到乳化作用使稠油形成O／W型均匀的乳液，在催化改质降粘的基础上进一步通过乳化降低稠油的粘度。综合功效是总体降粘率可达90％以上。分析了甲苯作为井下改质反应添加剂的作用原理。稠油井下改质反应是裂解和聚合的对行反应，裂解反应生成自由基“碎片”，甲苯在注蒸汽热采条件下生成氢自由基和卞自由基，二者均可以消除自由基，阻止自由基重新聚合为大分子。另一方面，甲苯作为溶剂在高温下使层状的沥青质聚集体溶解开，便于其与催化剂充分接触。根据室内研究成果，提出了初步的采油施工方案，可用于指导现场生产。应用本文的研究成果，2003～2004年在辽河油田的不同区块实施采油6口井。实验周期内，6口实验井累计增油4457吨，平均单井增油742.83吨，投入产出比为1:7。采出稠油的粘度大大降低，稠油中的饱和分、芳香分含量增加，胶质、沥青质含量减少，表明在注蒸汽条件下采用适合的化学剂可以使油藏稠油发生催化改质反应，应用本文催化体系可以更大程度地发挥改质、降粘作用，更有效地开发稠油油藏资源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 常规的注蒸汽热采稠油技术简介
• 1.1.1 蒸汽吞吐
• 1.1.2 蒸汽驱
• 1.2 注蒸汽热采稠油技术的新进展
• 1.3 注蒸汽热采条件下稠油井下催化改质研究进展
• 1.3.1 井下改质催化剂
• 1.3.2 井下改质供氢剂
• 1.3.3 井下改质条件
• 1.4 本文研究内容及意义
• 第二章 辽河稠油性质与组成
• 2.1 稠油性质和组成的测定
• 2.1.1 主要测定分析仪器
• 2.1.2 测定分析方法
• 2.2 辽河稠油测定分析结果及讨论
• 2.2.1 含氧化合物
• 2.2.2 含硫化合物
• 2.2.3 含氮化合物
• 第三章 沥青质和胶质在注蒸汽热采条件下的催化降解
• 3.1 沥青质和胶质的化学结构
• 3.1.1 沥青质和胶质的化学结构模型
• 3.1.2 胶质和沥青质的主要化合物类型
• 3.2 胶质和沥青质在注蒸汽热采条件下的催化降解
• 3.2.1 胶质和沥青质催化降解实验
• 3.2.2 胶质和沥青质催化降解率
• 3.3 胶质和沥青质的降解机理
• 本章小结
• 第四章 注蒸汽热采条件下稠油井下催化改质体系的制备与表征
• 4.1 多相催化和均相催化
• 4.2 注蒸汽热采条件下稠油井下催化改质体系的制备
• 4.2.1 油溶性催化剂有机分子骨架的筛选
• 4.2.2 油溶性催化剂过渡金属离子的筛选
• 4.2.3 油溶性井下改质主催化剂的制备
• 4.2.4 稠油井下改质催化体系的构建
• 4.3 稠油井下改质催化体系性能的评价
• 4.3.1 催化体系性能与反应温度的关系
• 4.3.2 催化体系性能与投药量的关系
• 4.3.3 催化体系对辽河稠油SARA含量变化的影响
• 4.4 pH值对于稠油井下催化改质反应的影响
• 4.5 井下改质催化体系热稳定性的评价
• 本章小结
• 第五章 甲苯在稠油催化改质反应中自由基消除作用研究
• 5.1 利用四氢化萘消除稠油中的自由基
• 5.2 甲苯在高温条件下的化学性质
• 5.3 甲苯在稠油改质反应中消除自由基作用研究
• 5.4 甲苯在稠油催化改质反应中的溶剂作用
• 本章小结
• 第六章 稠油催化改质室内动态模拟实验研究
• 6.1 稠油催化改质采油模拟实验
• 6.1.1 催化改质驱替实验设备
• 6.1.2 催化改质驱替实验过程
• 6.1.3 催化改质驱替实验结果与讨论
• 6.2 稠油催化改质蒸汽吞吐采油模拟实验
• 6.2.1 吞吐实验过程
• 6.2.2 吞吐实验结果及分析
• 本章小结
• 第七章 辽河稠油注蒸汽热采条件下井下催化改质现场实验研究
• 7.1 实验井基本状况
• 7.2 现场施工方案
• 7.3 现场实验结果及讨论
• 7.3.1 实验井稠油性质变化
• 7.3.2 实验井生产状况变化
• 7.3.3 实验井经济效益分析
• 本章小结
• 结论
• （1） 分析了注蒸汽热采过程中的辽河低硫稠油中胶质和沥青质降解的反应机理
• （2）研制开发了适合辽河低硫稠油的油溶性井下改质催化剂
• （3） 将井下改质降粘和乳化降粘结合在一起,发挥综合功效
• （4） 分析了甲苯作为井下改质反应添加剂的作用原理
• （5） 开发并建立了一套井下降解动态实验装置
• （6） 根据室内研究成果,提出合理方案,指导现场采油生产
• 本文主要创新点
• 附录
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的科研工作及发表的学术论文
• 详细摘要