稠油致黏机理研究

Heavy oil is an important part of the world oil resources, however, its properties of high viscosity and low rheology make it extremely difficult to exploit. Currently, there are more researches and methods on the heavy oil recovery technology, not enough on the internal mechanism which results in the high viscosity of heavy oil. And most of the studies were mainly concentrated in the macro-components content to describe the viscosity mechanism of heavy oil while less research was at molecular level. Therefore, the project focuses on reaching polar groups distribution, the structure of heteroatom compounds, and the existing forms of metals in heavy oil to reveal their relationship with the viscosity. The research method is using X-ray absorption fine structure analyzer(XAFS), Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry(FT-ICP MS), energy spectrum analysis and other equipments. We intend to reveal the mechanism from the intermolecular interaction levels including asphaltic association and stability, the effects of molecular interaction on the viscosity of heavy oil, establishing the molecular structure model of asphaltene. The research will provide theoretical guidance for extraction and processing of heavy oil to improve the recovery and utilization of heavy oil.

稠油是世界石油资源的重要组成部分，但由于其高黏度、低流变的性质使开采极其困难。目前，对稠油开采技术及方法研究较多，但对导致稠油高黏度的内在机理研究还不足，多数研究是从原油宏观组分含量进行描述说明，从原油分子水平上进行研究的很少。本研究采用同步辐射、高分辨质谱仪、能谱分析等先进仪器，通过研究超稠油极性基团分布、杂原子化合物的分子结构、金属元素的存在状态等，探索杂原子与金属元素同稠油黏度的关系；通过研究沥青质缔合性质和体系稳定性对稠油粘度的影响，研究分析稠油分子之间相互作用力（如氢键、偶极矩、π-π键等），建立超稠油沥青质分子结构模型，从分子作用力、缔合体动力学层次上揭示稠油致黏机理，从而为超稠油开采技术及降黏剂的研究提供基础。

为解决稠油开采效率低、开采难度大等问题，从稠油及其致黏关键组分性质研究、金属元素对稠油黏度的影响、稠油分子间相互作用力对黏度的影响、沥青质分散性对黏度的影响、稠油致黏关键组分微观性质研究等方面研究稠油的致黏机理。通过项目研究得出：在温度下降过程中，稠油分子发生了缔合，导致了稠油黏度急剧增大。稠油黏度受分子的极性、构型、分子量、分子之间的作用力等因素共同影响。稠油中重质组分含量较多，杂原子、金属元素含量高，主要聚集在沥青质中。沥青质是稠油致黏的关键组分，其片状层厚度越小，稠油黏度越大。芳烃有利于沥青质的分散，有利于体系的稳定，使稠油黏度降低。随着沥青质的H/C减小，芳香碳率fA增加，芳环数目越多，成迫位缩合的环数越多，越容易形成层状与三维结构的共轭π键体系，产生缔合，稠油的黏度增加。稠油中杂原子的存在产生偶极作用，使得沥青质分子的正负电荷中心不重合，分子间靠静电吸引互相吸引成为较大的分子，导致沥青质分子缔合。稠油中沥青质分子量越大，分子之间色散力越大，分子之间相互作用越强，缠绕的程度加剧，不利于石油胶体的稳定性，使稠油黏度增大。稠油中的杂原子官能团（羟基、胺基、羧基、羰基等）主要集中在沥青质、胶质中，这些官能团不仅使分子具有极性，而且可产生氢键。稠油沥青质中的V、Ni以金属卟啉的形式存在，导致沥青质分子的聚集程度增加，增加了稠油黏度。通过烣熵关联分析了稠油中各金属元素和非金属元素对稠油致黏的影响大小。根据分析结果，建立了塔河超稠油沥青质分子三维结构模型。项目研究成果为超稠油开采技术及新型稠油降黏剂的开发提供了理论基础。