一种稠油的开采和集输技术.pdf

本发明涉及一种稠油的开采和集输技术，特别是一种利用表面活性剂水溶液改变油管和稠油表面润湿性，辅助稠油开采和集输的技术。其特征是选择一种表面活性剂制成一定浓度水溶液；稠油开采和集输前使用表面活性剂水溶液对油管表面预处理，油管吸附表面活性剂后表面具有亲水疏油性；稠油开采和集输过程中，在油管内补充表面活性剂水溶液，使油管和稠油表面都形成亲水表面吸附层，阻止了稠油在油管表面的吸附，稠油以段塞或油珠的形式随部分表面活性剂水溶液流动，运用气举、有杆泵、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵等举升方式将稠油采出地面，靠稠油开采后井口的剩余能量或地面泵补充能量实现稠油集输。该技术有效消减了稠油的粘附阻力，稠油不需要加热，不需要乳化，不需要掺稀，甚至不需要对稠油降粘，大大提高稠油的可开采性和输送性。其推广应用经济和社会效益显著。

1、  一种稠油的开采和集输技术，其特征在于：
(1)使用一种表面活性剂制成一定浓度水溶液；
(2)使用表面活性剂水溶液对油管表面预处理，油管吸附表面活性剂后表面具有亲水疏油性；
(3)使用表面活性剂水溶液辅助稠油在油管内流动，稠油以段塞或油珠的形式随部分表面活性剂水溶液流动；
(4)使用表面活性剂水溶液辅助气举、有杆泵、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵等举升方式开采稠油；
(5)使用表面活性剂水溶液辅助稠油以开采后井口的剩余能量或地面泵补充能量集输。

2、  权利要求1所述的技术，其特征在于：使用的是水溶性表面活性剂，其HLB值范围为8～18。选自烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、石油磺酸盐、羧酸盐、硫酸脂盐、磷酸脂盐、氨基酸盐、聚氧乙烯的任意一种或多种的混合物。优选十二烷基苯磺酸盐。
单组分的HLB值可以通过从表面化学手册查到，n种表面活性剂的混合表面活性剂HLB_T值近似计算如下式：
HLB T = Σ i = 1 n HLB i · W i % ]]>
式中：HLB_i为第i种表面活性剂的HLB值，W_i为第i种表面活性剂在混合物中所占重量比。

3、  权利要求1-2所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂与水配制成溶液，活性剂在水溶液中的浓度(W％)为0.2～20％，优选0.5～2％。

4、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液对油管表面预处理，油管吸附表面活性剂后表面具有亲水疏油性。

5、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助稠油在油管内流动，油管表面和稠油表面吸附表面活性剂后都具有亲水疏油性。

6、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助稠油在油管内流动，稠油以段塞或油珠的形式随部分表面活性剂水溶液流动。

7、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助气举、有杆泵、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵等举升方式开采稠油。优选表面活性剂水溶液辅助气举采油。

8、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助稠油以开采后井口的剩余能量或地面泵补充能量集输。

9、  权利要求1-3所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助稠油流动时，水溶液与稠油的比例(体积比)为5～90％，优选20％～40％。

10、  权利要求1-9所述的技术，其特征在于：使用表面活性剂水溶液辅助稠油流动时不需要对稠油降粘，不以乳化为目的。

一种稠油的开采和集输技术
所属技术领域
本发明涉及一种稠油的开采和集输技术，尤其适用于深层稠油的开采和稠油长距离集输。
背景技术
在稠油的开采和集输过程中，胶质、沥青质或长链石蜡造成原油在井筒和地面油管中的流动性变差。稠油可在油层流动，流入井筒在油管内向上流动时，因地温不断降低，原油粘度不断上升，流动阻力随之增加，采用人工举升也难于采出地面；即使采出地面，也难于直接用油管长距离输送。
开采和集输稠油需要降低稠油在油管内的流动阻力。目前普遍认为开采和集输稠油的核心是降低原油粘度，而且要大幅度降低原油粘度，由几万毫帕秒降至几百毫帕秒。所使用的降粘技术主要有加热降粘、掺稀降粘和乳化降粘三种：
(1)加热降粘包括蒸气吞吐、蒸气驱、火烧油层和电加热等。因热传导损失，不适用于深层稠油开采和长距离稠油集输。
(2)掺稀降粘包括掺有机溶剂、掺稀原油和掺汽柴油等。因掺稀成本高，降粘程度受到控制。
(3)乳化降粘包括掺油溶性乳化降粘剂和水溶性乳化降粘等。因乳化后油水比表面大，乳化剂消耗量大；要求乳状液具有强稳定性，因此所用乳化剂都是特殊制备的。由于乳状液稳定性强，破乳也困难。
以上稠油的降粘减阻法都共同存在降粘成本高，降粘程度有限的局限性，更不适用于深层稠油的开采和长距离管道集输。
稠油开采关注的主要问题是寻找高效率、低能耗、低成本的开采方法。迫切需要新理论、新方法的突破和创新。
发明内容
为了解决稠油开采和集输过程中稠油在油管内的粘附使油管有效液流管径变细和稠油流动阻力大的难题，本发明使用了非降粘开采和集输技术。
本发明的目的之一是选择一类表面活性剂，制成水溶液，利用这类表面活性剂水溶液，在油管表面和稠油表面形成表面活性剂吸附层，使油管和稠油表面活性剂吸附层都具有稳定的水湿性，达到改变油管表面和稠油表面的润湿性，消减稠油在油管表面吸附，恢复油管有效液流管径的目的。
本发明的目的之二是提供一种表面活性剂水溶液辅助稠油流动的技术，利用这种技术，能使稠油在表面活性剂水溶液内低阻力流动。由于表面活性剂水溶液存在于油管与稠油之间，间接达到减小稠油在油管内流动阻力的目的。
本发明的目的之三是将一种表面活性剂水溶液辅助稠油流动的方法运用于稠油的开采和集输，使稠油能冷开采和冷集输，提高了稠油的开采性和输送性，达到高效率和低成本开采和集输稠油的目的。
以下对本发明作详细说明。
1、稠油开采和集输中流动阻力大的原因
根据表面化学原理，油管作为固体，其表面原子或分子的力场是不饱和的，因此就有吸引其它分子的能力，这就是吸附作用，它是固体表面最重要的性质之一。原始油管表面既可被水润湿，也可被油润湿，表现出既亲水又亲油的性质。
稠油作为液体，但它是具有高粘度的液体，其表面分子不能象其它低粘度液体表面分子那样自由移动，稠油表现出部分固体的性质，其表面分子的力场也是不饱和的，因此也具有吸引其它分子的能力。半固体状的稠油表面是强油润湿性的，表现出强亲油不亲水的性质。
当稠油在油管内流动时，油管和稠油界面分子互相吸引力强；再加上稠油作为液体在作为固体的油管表面的铺展作用，固液结合紧密，很容易在油管表面形成吸附层(或称粘附层)。稠油在油管表面吸附力强，吸附层不易清除，吸附层也不易被其它液体取代。由于稠油吸附层的形成，油管表面变为强油润湿性，表现出强亲油不亲水的性质。
由于稠油粘度高，分子间作用力强，内部分子难于摆脱油管表面吸附层而流动，变形流动阻力大。
因此稠油开采和集输中在油管内难流动的主要原因，是由于稠油在管壁上的粘附，稠油流动时管壁的粘附阻力和稠油本身变形流动阻力的大。参见图1。
2、表面活性剂水溶液中表面活性剂在本发明所述技术中的作用
根据表面化学定义，表面活性剂是一种物质，它在加入很少量时即能大大降低溶剂(一般为水)表面张力(或液-液界面张力、固-液界面张力)，改变体系界面状态，从而产生润湿或反润湿、乳化或破乳、起泡或消泡、以及加溶等一系列作用，达到实际应用的要求。
表面活性剂分子一般总是由非极性的、亲油(疏水)的碳氢链部分和极性的、亲水(疏油)的基团部分共同构成；而且两部分分处两端，形成不对称结构。因此，表面活性剂分子是两亲分子，具有既亲水又亲油的两亲性质。
开采和集输稠油前，使用表面活性剂水溶液对油管表面预处理，由于表面活性剂处在水溶液中，在油管表面形成的吸附层多数亲水基团朝向水，多数亲油基团朝向油管，油管吸附表面活性剂后表面表现出亲水疏油性。在开采和集输稠油时，由于表面活性剂处在水溶液中，并且原始稠油表面强亲油疏水性，在稠油表面形成的吸附层多数亲水基团朝向水，多数亲油基团朝向稠油内部，稠油吸附表面活性剂后表面润湿性改变，表现出亲水疏油性。油管和稠油两个亲水疏油表面吸附层阻止了稠油在油管表面的吸附，消减了稠油流动时的粘附阻力。参见图2。
本发明所述技术中使用的表面活性剂是是水溶性表面活性剂，主要起润湿剂作用，有一大类可选择，选自阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型，包括烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、石油磺酸盐、羧酸盐、硫酸脂盐、磷酸脂盐、季铵盐、氨基酸盐、聚氧乙烯等。使用的是水溶性表面活性剂，其HLB值范围为8～18。选自烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、石油磺酸盐、羧酸盐、硫酸脂盐、磷酸脂盐、氨基酸盐、聚氧乙烯的任意一种或多种的混合物。单组分的HLB值可以通过从表面化学手册查到，n种表面活性剂的混合表面活性剂HLB_r值近似计算如下式：
HLB T = Σ i = 1 n HLB i · W i % ]]>
式中：HLB_i为的i种表面活性剂的HLB值，W_i为的i种表面活性剂在混合物中所占重量比。
考虑到成本的因素，优选十二烷基苯磺酸盐，因为它是洗衣粉的主要成分，民用产品、市场价格相对低廉。活性剂在水溶液中与水的比例(质量比)为0.2～20％，优选0.5～5％。
3、表面活性剂水溶液中水在本发明所述技术中的作用
水作为表面活性剂的溶剂，在表面活性剂吸附于油管和稠油表面时，起到了平衡表面吸附层和水相内表面活性剂浓度的作用，使吸附层保持稳定。
在稠油流动时，油管内形成覆盖整个油管表面的水相，稠油以段塞或油珠的形式存在于表面活性剂水溶液中，部分水相的流动携带稠油流动。
由于表面活性剂水溶液粘度远小于稠油粘度，在油管内随水流动的稠油流动阻力远小于单纯的稠油在油管内的流动阻力。
本发明所述技术中对水溶液用水无严格要求，选自地表水、地下水。矿化度100～100000mg/L。表面活性剂水溶液在油管内流动时与稠油的比例(体积比)为5～90％，优选20％～40％。
4、本发明所述技术中稠油的开采方式
由于稠油粘度大的影响，目前只对中浅层(1000m以内)稠油具有大规模开采，对深层高粘度稠油的开采属世界级难题，都处于试验开采阶段。目前稠油的开采方式主要是降粘后的有杆泵、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵开采。
由于本发明所述技术中稠油以段塞或油珠的形式随部分表面活性剂水溶液流动，大大降低了稠油的流动阻力，所以许多以前普遍认为不适用于稠油开采的技术和方法都因本技术变为可用，甚至成为优选的稠油开采技术。开采方式选自气举、有杆泵、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵等，优选气举采油法。尤其表面活性剂水溶液辅助气举技术运用于深层稠油开采，提高了深层稠油的可开采性。
一般认为气举适用于具有高气油比的轻质油，常规采油使用气举方法是不被推荐的，稠油主要在管壁上吸附，不能被气体举升。参见图3。
但本发明所述技术中消减了稠油的粘附阻力，稠油随部分活性剂水溶液流动，使用气举形成气体段塞、水段塞和稠油段塞，通过地面压缩机控制气体流量，可以调节油管内气液比例，减小液柱形成的压力，降低井底流压，提高油井生产效率。由于稠油相对稀油不易变形，能形成更稳定的段塞流，气举效率更高。所使用的气举气选自天然气、氮气。参见图4。
5、本发明所述技术中稠油的集输方式
一般稠油不适宜长距离集输，主要是稠油粘度大，集输时降粘成本大。
但本发明所述技术中消减了稠油的粘附阻力，不需要对稠油降粘，稠油以段塞的形式随部分活性剂水溶液流动，使稠油长距离集输成为可能。特别适合于稠油开采后的集中处理和海上稠油管道输送。集输的能量可以是稠油开采后井口的剩余能量，也可以地面泵补充。
附图说明
图1是不含表面活性剂水驱动稠油段塞在油管内流动示意图。稠油流动阻力大，难于流动。
图2是表面活性剂水溶液驱动稠油段塞在预处理后油管内流动示意图。稠油流动阻力小，随水流动。
图3是单纯气驱稠油在垂直油管内流动示意图。稠油粘附在管壁，不流动。
图4是表面活性剂水溶液辅助稠油气举示意图。稠油随活性水和气举气流动，能实现稠油气举开采。
图中：1——油管；2——稠油；3——水(或活性水)；4——气。
具体实施方式
(1)将表面活性剂与水混合，制成一定浓度的表面活性剂水溶液。表面活性剂在水溶液中的浓度(W％)为0.1～10％，优选0.5～2％。
(2)开采和集输前使用表面活性剂水溶液对油管表面预处理，油管吸附表面活性剂后表面具有水湿性，表现出亲水疏油性。
(3)在稠油开采过程中，在垂直油管内补充表面活性剂水溶液，使油管和稠油表面都形成亲水表面吸附层，阻止了稠油在油管表面的吸附，稠油以段塞或油珠的形式随部分表面活性剂水溶液流动，靠人工举升将稠油采出地面。表面活性剂水溶液在油管内流动占油管内也液体的比例(V％)为5～90％，优选10％～20％。
表面活性剂的加入方式选自从井口沿油管靠油水(或气水)重力差和地面泵送动力加入、沿空心油管加入、沿套管环空加入或沿油管外壁专门安装的注入管加入。优选沿套管环空从气举阀加入。
采油方式选自气举、抽油机、螺杆泵、水力活塞泵或水力射流泵等。优选气举采油。
(4)在稠油集输时，也需要补充表面活性剂水溶液，作用也是辅助稠油流动，但在长距离管道输送时需要对表面活性剂水溶液形成一定比例的气体泡沫，以保证整个油管表面都形成稳定的表面活性剂吸附层。起泡的方式选自天然气鼓泡、氮气鼓泡。优选天然气鼓泡法。
(5)对输送后的稠油进行脱水脱气处理，所脱出的水含有表面活性剂，重复使用；所脱出的气体重复使用。