塔河超稠油膠質、瀝青質形貌分析

李 季 元 艷 陳 棟

(1中國地質大學材料科學與化學工程學院 2中國石化西北油田分公司工程技術研究院)

掃描電子顯微鏡(SEM)具有較高的分辨率,可以非常直觀地觀察樣品的三維微觀形態特征[1]。利用掃描電鏡從微觀角度對膠質和瀝青質進行分析,可以了解膠質和瀝青質分子的平面堆砌結構形態特征。

膠質、瀝青質是富含N、S、O等雜原子的非烴化合物,是石油中分子量較大的組分。膠質分子主要是由4～6個亞甲基將芳香環連在一起,主要含芳香羧酸、并含有一定數量的醚類,胺類和酚類等化合物[2,3]。瀝青質是由數目眾多、結構各異的非烴化合物組成的復雜混合物,它們的成分并不固定,性質也有所差異,是多種物質的締合體。但瀝青質具有一定的共性:即含多芳香核,N、O、S等雜原子含量高,同時還絡合有Ni、V、Fe等金屬元素,含烷基側鏈基團[4-6]。

稠油中膠質、瀝青質組分的含量和結構是影響稠油粘度的因素。通常,稠油中非烴含量越高,稠油粘度越大。膠質對稠油的增粘作用可能是由于其所含的大量雜原子促進了族分子間絡合物的形成,而與膠質本身的大小關系不大。瀝青質對稠油粘度的影響,除本身的高分子所具有的高粘度外,更體現在相互作用形成的膠束體系對粘度的影響。當原油中的膠質和芳香烴不足以包圍瀝青質而形成膠束時,瀝青質分子之間容易進一步締合形成大的團塊而聚沉,大大增加原油體系粘度。

本文通過分析塔河12區稠油SARA四組分含量差異,并通過掃描電子顯微鏡觀察膠質和瀝青質的平面結構形貌,探討膠質、瀝青質各組分對稠油流動性的影響,為該區稠油開采方法的優選奠定了理論基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器設備

試劑:塔河12區稠油樣品,正庚烷、甲苯、無水乙醇(均為分析純),石油醚(沸程60℃～90℃), Al2O3(層析用,100目～200目)。試劑均由天津市福晨化學試劑有限公司生產。

儀器設備:Quanta 200環境掃描電境(FEI有限公司),CS101-2電熱鼓風干燥箱(重慶儀器試驗設備廠),集熱式超級恒溫水浴鍋(SYC智能型,鞏義市予華儀器有限公司),電子萬用爐(北京市光明醫療儀器廠),索氏抽提器一套(140 mL抽提管和250 mL圓底燒瓶),自行設計層析柱,定性濾紙,漏斗,冷凝管,圓底燒瓶,燒杯。

1.2 膠質、瀝青質的分離與檢測

稱取預處理后的塔河稠油按照圖1流程進行族組分分離,各組分分別烘干、稱量、密封備用。膠質和瀝青質加熱烘干,截取新鮮的樣品斷面噴金制片,在20 kV電壓、高真空度條件下觀察膠質和瀝青質的形貌(圖2～圖9分別為膠質和瀝青質不同放大倍數下的照片)。

2 結果與討論

2.1 膠質和瀝青質形貌特征

從圖2～圖9可以明顯地觀察到膠質和瀝青質呈現以下不同的形貌:

(1)低倍數掃描圖(300倍)顯示膠質和瀝青質分子都各自發生分子間聚集作用,形成體積較大的顆粒,膠質顆粒之間縫隙小,聚集緊密,而瀝青質顆粒之間縫隙大,聚集松散。膠質和瀝青質分子中都含有大量的羧基,胺基和羥基等容易形成氫鍵的基團,同時瀝青質分子中含有大量的過渡金屬離子,容易形成以金屬離子為螯合中心的大分子螯合體。膠質分子平面結構較小,分子間相互作用空間位阻障礙小,分子聚集緊密,而瀝青質分子平面結構較大,平面芳環結構較多,分子之間斥力作用大,顆粒之間比較分散。

(2)中等倍數掃描圖(1200倍)中膠質和瀝青質顆粒均呈現不規則的顆粒形態,有柱狀、片狀、層狀、錐狀、棒狀等。

(3)高倍數掃描圖(2500和10000倍)中膠質和瀝青質顆粒差異較大,膠質呈現明顯的層狀結構,層與層之間有一定間隙,但是單層或單塊顆粒分子連接緊密;瀝青質呈現明顯塊狀結構,塊狀結構緊密,表面有明顯的沉積波紋,兩個瀝青質顆?？梢跃o密地連接為更大的顆粒,瀝青質顆粒上面還附形貌像膠質顆粒的物質,說明膠質和瀝青質分子之間存在相互作用,正是這種吸附作用使瀝青質被膠質包裹形成膠束穩定地存在于石油的膠體系統中。

2.2 膠質、瀝青質含量

石油是以瀝青質和其表面或內部吸附的部分可溶物質為膠束核心,以余下的可溶質為分散介質構成的膠體系統,實際系統中并不存在截然變化相界面,而是沿膠束核心向外,其芳香度和分子極性連續遞減至最小,呈現“梯度”變化的特征。以SARA四組分來表征石油的組成,石油膠體體系的穩定性主要取決于飽和分、芳香分、膠質和瀝青質各組分濃度之間的比例關系(其中以膠質與瀝青質之比尤為重要),以及各組分的相對分子質量、芳香度、雜原子含量和它們的分布狀況。

塔河12區稠油中飽和烴、芳烴、膠質、瀝青質平均含量分別為 24.25%、25.41%、13.17%、23. 07%,非烴含量高,而膠質含量偏低。當稠油體系中膠質含量較少時,各組分之間不能形成連續的芳香梯度,膠質分子不足以包覆瀝青質表面,瀝青質分子容易聚集形成顆粒更大的分子空間聚集體,增加了體系中大分子的含量。同時,膠質含量不足時,整個膠體體系處于凝膠狀態,體系粘度增大,流動性變差。

2.3 膠質、瀝青質對稠油粘度影響

稠油中膠質含量不足,瀝青質含量較多時,稠油體系中膠質分子不足以包覆瀝青質分子,從而使瀝青質分子發生締合形成大的團塊而聚沉,大大增加原油體系粘度。膠質、瀝青質平面堆砌形貌結構表明:膠質分子聚集體體積小,顆粒表面粗糙,顆粒之間連接緊密,易發生分子間相互作用。瀝青質分子聚集體體積大,且顆粒表面光滑,顆粒之間相互作用少,顆粒之間較多地通過膠質作用溶于整個稠油體系中,因此,拆散瀝青質分子聚集體比較困難,需要較強的作用力。通常,液體體系粘度隨其中大分子組分含量的增加而增大,在稠油膠體系統中,拆散稠油中膠質和瀝青質大分子聚集體,特別是瀝青質分子聚集體,使體系中大分子聚集體含量相對減少,可以有效降低稠油粘度,從而使稠油的低溫流動性得以改善。

2.4 結論

塔河超稠油的開采目前應用較多的是電加熱技術,但超稠油在井筒提升過程中粘度隨溫度降低急劇增大,稠油難以開采。油溶性降粘劑分子憑借較強的形成氫鍵能力和滲透、分散作用能夠進入膠質和瀝青質片狀分子之間,部分拆散平面重疊堆砌而成的聚集體,形成片狀分子無規則堆砌,結構松散、有序程度低、空間延伸度小、有降粘劑分子參與的新的聚集體,剩余的平面堆砌結構包含的膠質和瀝青質分子數目較少,從而使整個體系的結構比較松散,大分子聚集體含量較少,體系粘度減小。油溶性降粘劑可以從本質上改變稠油中各組分性質,從而使稠油在開采過程中受溫度影響較小。

因此,添加油溶性降粘劑來降低稠油的粘度可以作為塔河稠油開采方法的選擇之一。降粘劑分子的研制需要針對不同的稠油選擇適合的主劑和助劑分子,該區稠油由于膠質含量不足而瀝青質分子大量堆砌聚集,需選擇極性較強、和瀝青質分子結構相似的降粘劑分子作主劑,才能有助于拆散膠質和瀝青質大分子的平面堆砌結構,特別是瀝青質分子的結構?？傊?油溶性降粘劑的加入可以改變稠油體系各組分性質,使稠油流動性改善,從而提高稠油采收率。

1 韓利雄,嚴春杰,諶 剛.中原石油焦的微觀形貌分析[J].電子顯微學報,2004 ,23 (4 )

2 Hepler L G,G ChuHis,梁文杰等譯.AOSTRA油砂,瀝青,重質油技術手冊[M].東營:石油大學出版社,1992

3梁文杰.重質油化學[M].東營:石油大學出版社,149-150

4契林蓋里等編,俞經方譯.瀝青,地瀝青和瀝青砂.石油科學進展7[M].北京:石油工業出版社,1988

5秦匡宗,郭紹輝.石油瀝青質[M].北京:石油工業出版社.2002

6譚 健.中國主要氣藏開發分類及開發對策.天然氣工業,2008,28 (2):107-110