孫盈盈，周明輝，黃佳，江航，楊濟(jì)如，樊鋮

（1 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院采收率研究所，北京100083； 2 提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；

3北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，北京100081）

引 言

我國(guó)國(guó)內(nèi)及海外稠油權(quán)益儲(chǔ)量已達(dá)百億噸規(guī)模。這些稠油資源主要采用熱降黏衰竭式開采，如蒸汽驅(qū)和蒸汽吞吐，受油藏埋深、油層厚度限制應(yīng)用范圍窄，資源利用率低。開發(fā)后期油汽比往往降至0.15 甚至0.1 以下，接近采油的經(jīng)濟(jì)極限，但仍有60%～75%以上的儲(chǔ)量滯留地下。針對(duì)稠油高黏度特性，“高投入，高污染，低產(chǎn)出，低效率”的傳統(tǒng)熱采開發(fā)方式實(shí)屬無奈之舉，因此“節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)環(huán)保”已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為下一代稠油開發(fā)技術(shù)的主要攻關(guān)方向。

稠油地下改質(zhì)是通過向油藏中注入化學(xué)劑與稠油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)稠油地下不可逆降黏并高效采出的一種開采方式，是近十年來最受矚目的下一代稠油開采技術(shù)之一，有望從根本上解決稠油在開采、集輸與煉化等環(huán)節(jié)能耗、投資與環(huán)境問題。中石油、?？松梨?、殼牌和雪佛龍等大型石油公司先后開展了相關(guān)研究，在工藝、催化劑和數(shù)值模擬等領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，并開展了數(shù)個(gè)礦場(chǎng)試驗(yàn)。但稠油地下改質(zhì)技術(shù)尚處于起步階段，制約技術(shù)發(fā)展的主要問題在于技術(shù)應(yīng)用成本相對(duì)較高和地下改質(zhì)反應(yīng)效率較低。本文將從技術(shù)主要研究成果、應(yīng)用效果，面臨的瓶頸問題和技術(shù)發(fā)展方向四個(gè)方面進(jìn)行綜合性論述。

1 地下改質(zhì)開采技術(shù)

地下改質(zhì)技術(shù)是以油藏巖石的多孔介質(zhì)為反應(yīng)器，在地層條件下實(shí)現(xiàn)原油催化改質(zhì)，不可逆地大幅降低原油黏度。此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于通過實(shí)現(xiàn)稠油在油藏條件下的改質(zhì)降黏，同時(shí)解決了稠油開發(fā)過程中采出程度低和運(yùn)輸煉化成本高兩大難題。與傳統(tǒng)的熱采方法相比，實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈能量一次利用和降耗減排，顯著提高采收率的同時(shí)也可為產(chǎn)出原油的運(yùn)輸和處理節(jié)約大量成本。地下改質(zhì)技術(shù)的開采機(jī)理是實(shí)現(xiàn)“地下煉油”，在油藏條件下將稠油改質(zhì)為易于流動(dòng)的低黏原油后再進(jìn)行開采；稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)的核心是改質(zhì)催化反應(yīng)；地下改質(zhì)效果的影響因素為地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模和改質(zhì)降黏效果。

1.1 地下改質(zhì)開采機(jī)理

地下改質(zhì)技術(shù)的開采機(jī)理是通過實(shí)現(xiàn)地下的稠油改質(zhì)催化反應(yīng)，將油藏條件下難以流動(dòng)或不具備流動(dòng)性的稠油改質(zhì)降黏為在生產(chǎn)壓差下可以流動(dòng)的原油并采出，其中稠油的降黏機(jī)理包括稠油在改質(zhì)催化反應(yīng)后發(fā)生的不可逆化學(xué)降黏和改質(zhì)后的原油與原始稠油相互稀釋、溶解的物理降黏。圖1 中給出了常用的蒸汽吞吐方式實(shí)施地下改質(zhì)技術(shù)的開采機(jī)理，技術(shù)的應(yīng)用方法是通過向地層注入改質(zhì)催化劑，利用蒸汽、電磁等方法加熱油藏提供改質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)溫度來實(shí)現(xiàn)稠油的地下改質(zhì)，在經(jīng)歷一系列復(fù)雜的化學(xué)、物理反應(yīng)后，可在正常的生產(chǎn)壓差下實(shí)現(xiàn)稠油的開采的同時(shí)油品質(zhì)量亦得到了明顯改善，稠油地下改質(zhì)催化反應(yīng)發(fā)生的必要條件是催化劑、反應(yīng)物和反應(yīng)基礎(chǔ)溫度，其中反應(yīng)物包括注入體系中供氫劑等化學(xué)藥劑及稠油中長(zhǎng)鏈烷烴、芳香烴、膠質(zhì)等組分。注入的改質(zhì)催化劑必須與稠油充分接觸且周圍環(huán)境溫度達(dá)到化學(xué)反應(yīng)的門檻溫度后才會(huì)發(fā)生改質(zhì)催化反應(yīng)。因此，高效的改質(zhì)催化劑是反應(yīng)的核心，實(shí)現(xiàn)催化劑在油藏中充分分散的注入工藝和大規(guī)模油藏加熱方法是改質(zhì)反應(yīng)降黏效果的保障。

稠油催化改質(zhì)反應(yīng)的原理是在地層條件下，稠油中的大分子在高溫和催化劑作用下發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂變成小分子，一方面通過減少C22以上烷烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量，增加C21以下烷烴、芳香烴等輕質(zhì)組分含量，降低原油平均分子量；另一方面是發(fā)生脫硫、脫氮反應(yīng)，降低原油中雜原子含量減弱其分子間作用力，以此實(shí)現(xiàn)稠油的大幅度不可逆降黏[1?13]。對(duì)稠油改質(zhì)降黏機(jī)理的研究是催化劑研發(fā)的基礎(chǔ)，目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)際發(fā)生的降黏化學(xué)反應(yīng)缺乏關(guān)鍵理論數(shù)據(jù)支撐，因此目前改質(zhì)催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多只能依靠經(jīng)驗(yàn)或嘗試，而不能從分子反應(yīng)角度有針對(duì)性地設(shè)計(jì)高效催化劑。相信稠油改質(zhì)降黏理論研究的突破會(huì)大幅度提升催化劑性能。

圖1 蒸汽吞吐方式實(shí)施地下改質(zhì)技術(shù)機(jī)理示意圖Fig.1 Mechanism schematic diagram of heavy oil in?situ upgrading technologies implemented by steam huff and puff

1.2 改質(zhì)催化劑

目前，稠油改質(zhì)常用的催化劑可分為三類：水溶性催化劑、油溶性催化劑和納米級(jí)催化劑。各類催化劑成分、溶解性以及制備工藝的不同，將決定其催化改質(zhì)的性能和應(yīng)用成本的差異。

（1）水溶性催化劑

Clark等[1?6]最早提出水熱裂解反應(yīng)過程中，水溶性過渡金屬鹽可促進(jìn)稠油中含硫化合物發(fā)生分解，生成烴類、CO2、H2和H2S 等。Fe、Ni、Zn、Mn 等水溶性過渡金屬無機(jī)鹽催化劑和過渡金屬羧酸鹽類、磺酸鹽類的油溶性催化劑被廣泛應(yīng)用于稠油改質(zhì)降黏實(shí)驗(yàn)中。張潔等[14]和范洪富等[15]研究了一系列水溶性過渡金屬配合物催化劑的改質(zhì)降黏效果，降黏率可達(dá)70%以上。水溶性催化劑的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，能很好地融入水相便于混合注入。但此類催化劑水溶性的特點(diǎn)決定其多作用于油水界面，與油相不能充分融合，導(dǎo)致催化效率較低。

（2）油溶性催化劑

油溶性催化劑主要為有機(jī)酸與Fe、Ni、Co、Va等過渡金屬離子形成的有機(jī)酸鹽。樊澤霞等[16?17]發(fā)現(xiàn)油溶性催化劑比同類水溶性催化劑的催化效率更高。成浪等[18]和馮旭陽等[19]研究了油溶性催化劑對(duì)原油的改質(zhì)降黏效果，其中馮旭陽等[19]使用0.4%（質(zhì)量）的磺化型有機(jī)酸鐵催化劑在220℃條件下反應(yīng)24 h，降黏率可達(dá)96.3%，對(duì)比反應(yīng)前后膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量降低約10.7%。油溶性催化劑比同類水溶性催化劑的催化活性高，同時(shí)油溶性催化劑可以更好地溶解在原油中，與油層亦具有良好的配伍性，極大提升了催化效率，成本相對(duì)較低。但溶解了油溶性催化劑的原油會(huì)增加后續(xù)原油處理和煉化的難度，同時(shí)這類催化劑很難通過水相注入到油藏中，通常需要加入助溶（分散）劑，對(duì)注入工藝要求較高。針對(duì)油溶性催化劑在注入中出現(xiàn)的問題，有學(xué)者在其催化劑分子結(jié)構(gòu)或注入體系中做出了優(yōu)化。Tang 等[20?21]合成了一種高分子聚合物雙功能降黏催化劑，通過聚合物負(fù)載過渡金屬離子改善了催化劑溶解性，催化劑可以改質(zhì)降黏的同時(shí)還具備良好的物理降黏功能。聚合物催化劑梳型的分子結(jié)構(gòu)可以有效分散膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中的芳香片層，減少其堆積和聚集。吳川等[22]合成了一種雙親型催化劑，通過核磁共振等多種手段綜合分析改質(zhì)前后原油樣品，發(fā)現(xiàn)雙親型催化劑同時(shí)具有促進(jìn)裂解和抑制聚合反應(yīng)的作用，從而實(shí)現(xiàn)稠油降黏效果。黃佳等[23]采用油溶性催化劑環(huán)烷酸鐵與水溶性催化劑硝酸鐵復(fù)配成為雙親催化改質(zhì)體系，雙親體系增加了改質(zhì)體系的溶解性，利用協(xié)同作用將油溶性催化劑的改質(zhì)降黏率由56.29%提高至97%。但催化劑雙親結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性難以控制，會(huì)出現(xiàn)親油親水不平衡，雙親復(fù)配體系在油藏運(yùn)移過程中容易發(fā)生組分分離，體系中油溶性和水溶性催化劑間的濃度變化會(huì)影響改質(zhì)效果。

（3）納米級(jí)催化劑

納米型催化劑是借助其特有的巨大比表面積特性，使其具備催化改質(zhì)作用的同時(shí)還具有強(qiáng)表面吸附性、雙親性、強(qiáng)滲透性等納米級(jí)顆粒的尺寸效應(yīng)，其中納米鎳的催化改質(zhì)效果最為突出，是納米型催化劑主要研究方向之一[11]。李彥平等[24]利用液相還原法制備了雙功能型鎳、鈀及鎳鈀合金納米晶催化劑，經(jīng)過一系列正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳改質(zhì)反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度240℃、催化劑濃度0.2%（質(zhì)量）、供氫劑濃度5%（質(zhì)量）和反應(yīng)時(shí)間24 h，降黏率最高可達(dá)91.3%。周明輝等[25]通過微乳液法制備并表征了納米過渡金屬催化劑，并在室內(nèi)開展了納米催化劑輔助的超稠油注空氣改質(zhì)吞吐實(shí)驗(yàn)，氧化改質(zhì)降黏率最高達(dá)99.86%；還研究了表面活性劑對(duì)微米級(jí)催化劑改質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)額外添加表面活性劑可以將改質(zhì)溫度從300℃降至240℃，改質(zhì)速率提高47%，注空氣驅(qū)的產(chǎn)油量提升40%。納米型催化劑能夠充分與水相和油相接觸，反應(yīng)效率高，非均相的納米顆粒在采出之后便于分離，可以實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)使用。納米金屬催化劑的制備廣泛采用基于液相的方法，具體有模板法、結(jié)晶法、還原法、微乳液法等多種方法[26?30]，其中適宜大規(guī)模生產(chǎn)的是微乳液法，一般采用油溶性金屬鹽在水中微乳化分散后加入還原劑形成納米級(jí)金屬單質(zhì)。納米級(jí)催化劑對(duì)制備條件和藥劑選擇要求苛刻，工業(yè)化應(yīng)用過程中難以保證注入體系的均勻性和穩(wěn)定性，成本高，配注工藝要求高。

評(píng)價(jià)改質(zhì)催化劑性能的關(guān)鍵指標(biāo)為反應(yīng)溫度和降黏率，反應(yīng)溫度越低、降黏率越高則地下改質(zhì)反應(yīng)效率越高，采油效果越好。表1 根據(jù)催化劑類型、改質(zhì)反應(yīng)溫度和降黏效果整理了目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果，可供同行業(yè)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和參考。雖然各實(shí)驗(yàn)條件和催化劑種類不同，無法直接比較，但為了更好地展示各類催化劑的改質(zhì)效果，將實(shí)驗(yàn)原油黏度大于2000 mPa·s 的室內(nèi)研究成果繪制成圖2，其中藍(lán)色虛線示意水溶性催化劑的平均降黏率，而綠色虛線示意油溶/納米型催化劑的主流改質(zhì)效果隨溫度變化趨勢(shì)，可見實(shí)驗(yàn)溫度在240℃以上時(shí)，油溶性和納米級(jí)催化劑降黏率平均可達(dá)96%以上。其中馮旭陽等[19]、吳川等[22]和周明輝等[25]的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以在240℃以下實(shí)現(xiàn)96%以上的降黏率，改質(zhì)效果相對(duì)較好。

1.3 開采效果的影響因素

地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模和稠油改質(zhì)降黏效果，因?yàn)槎邲Q定了稠油的發(fā)生改質(zhì)降黏的總量和平均黏度。參與改質(zhì)降黏的原油越多、平均原油黏度越低，地下改質(zhì)技術(shù)的開采效果越明顯。

1.3.1 地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模影響因素 地下改質(zhì)反應(yīng)的規(guī)模是指油藏中發(fā)生參與催化和降黏反應(yīng)的稠油總量，是衡量稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)成功的關(guān)鍵指標(biāo)。在相同油藏條件下，油層中改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模越大，也就是參與改質(zhì)降黏原油總量越多，增產(chǎn)效果越明顯。地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模主要受改質(zhì)催化劑與原油接觸效率和改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔大小決定。

表1 國(guó)內(nèi)外稠油地下改質(zhì)催化相關(guān)研究室內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果Table 1 Laboratory experiment results of underground catalytic modification at home and abroad

圖2 國(guó)內(nèi)外地下改質(zhì)催化相關(guān)研究室內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度和降黏率統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of laboratory temperature and viscosity reduction of underground catalytic modification

（1）改質(zhì)催化體系與原油接觸 效率注入的改質(zhì)體系與地層深部的原油充分接觸才能發(fā)揮其催化改質(zhì)作用，這是發(fā)生地下改質(zhì)催化反應(yīng)的基礎(chǔ)條件，化學(xué)劑注入量和油層非均質(zhì)性決定了改質(zhì)催化體系的波及范圍。目前的礦場(chǎng)試驗(yàn)多采用吞吐的注入和生產(chǎn)方式[11]，僅能保證油水界面和化學(xué)劑波及區(qū)內(nèi)的原油與催化改質(zhì)劑充分接觸，注入化學(xué)劑如何能深入油藏內(nèi)部充分分散在未波及區(qū)內(nèi)的富集原油中是地下改質(zhì)技術(shù)以及傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)技術(shù)共同面臨的難題。油溶性和納米級(jí)催化劑在油相中的溶解、擴(kuò)散作用和先進(jìn)的配注工藝有利于提高改質(zhì)催化劑與原油的接觸效率。

（2）地下改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔 稠油改質(zhì)催化反應(yīng)需要較高的基礎(chǔ)溫度，油藏加熱后以基礎(chǔ)溫度為界，大于和等于這個(gè)溫度的油層范圍可以定義為地下改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔，此腔的大小決定了油層中發(fā)生改質(zhì)催化反應(yīng)的范圍。地下改質(zhì)反應(yīng)溫度腔的大小取決于催化改質(zhì)劑的反應(yīng)溫度門檻和油藏加熱方式。相同的油藏加熱條件下，改質(zhì)催化反應(yīng)溫度門檻越低，地下改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔范圍相對(duì)越大，同時(shí)提升油藏溫度的難度越低，消耗能量越少。油藏的加熱熱源主要為蒸汽、電磁和微波等，其中蒸汽的加熱能力最強(qiáng)，最高溫度可達(dá)270℃，電磁加熱約為150℃。直井加熱與水平井加熱相比，后者的超長(zhǎng)水平段建立的加熱溫度范圍更大。因此，可以通過降低改質(zhì)催化劑反應(yīng)溫度門檻和水平井加熱的方法擴(kuò)大地下改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔。

1.3.2 改質(zhì)降黏效果影響因素 Clark 等學(xué)者[6,38?53]研究了改質(zhì)反應(yīng)條件對(duì)降黏效果的影響，在不同類型催化劑和不同實(shí)驗(yàn)條件下，統(tǒng)一認(rèn)為供氫劑、反應(yīng)時(shí)間和溫度均對(duì)降黏率有很大影響，影響規(guī)律研究結(jié)果也比較一致，具體的影響規(guī)律見理論示意圖3。

（1）供氫劑 催化裂解反應(yīng)中，供氫劑的加入可顯著提高改質(zhì)反應(yīng)降黏率[40?42]，也可保障反應(yīng)后實(shí)現(xiàn)不可逆降黏。水熱裂解反應(yīng)中水被認(rèn)為是供氫劑，因此反應(yīng)過程中的油水比會(huì)影響降黏效果。于波[38]認(rèn)為水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%以內(nèi)，含水量的增加會(huì)加劇水熱裂解反應(yīng)。更為高效的四氫化萘、甲烷、甲酸、甲酸甲酯、二氫蒽、醇類和環(huán)烷基直餾柴油等陸續(xù)被應(yīng)用為改質(zhì)反應(yīng)的供氫劑，一般供氫劑的使用濃度為2%～7%（質(zhì)量）。劉永建等[42]以有機(jī)鎳為催化劑，以甲酸為供氫劑，280℃條件下反應(yīng)24 h，甲酸的加入濃度0、3%和7%對(duì)應(yīng)的降黏率分別為64.7%、71.7%和87.0%，可見供氫劑的加入對(duì)催化改質(zhì)效果影響。雖然供氫劑種類繁多，但考慮成本、施工難度等因素，水仍是應(yīng)用最廣泛的供氫劑。

（2）反應(yīng)時(shí)間 在某一反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，改質(zhì)反應(yīng)程度會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸加劇，將這一時(shí)間定義為充分反應(yīng)時(shí)間，它與催化劑濃度、改質(zhì)溫度和催化劑種類關(guān)系緊密。充分反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)降黏率越高。趙法軍[43]實(shí)驗(yàn)證明240℃稠油和水的熱裂解充分反應(yīng)時(shí)間在24 h 以內(nèi)，最佳反應(yīng)時(shí)間為18～36 h。唐曉東等[31]在365℃條件下，使用0.12%（質(zhì)量）的石油酸鐵作為催化劑，充分反應(yīng)時(shí)間為40 min。李彥平等[24]在240℃條件下，使用0.2%（質(zhì)量）NiO納米晶催化劑，充分反應(yīng)時(shí)間約為16 h。

（3）反應(yīng)溫度 催化劑充分發(fā)揮作用需要一個(gè)反應(yīng)門檻溫度，它與催化劑本身密切相關(guān)，反應(yīng)溫度必須大于這一溫度才能產(chǎn)生大幅度降黏效果。同樣存在一個(gè)充分反應(yīng)溫度，實(shí)驗(yàn)溫度在反應(yīng)門檻溫度和充分反應(yīng)溫度之間，反應(yīng)溫度越高越有利于稠油改質(zhì)降黏；實(shí)驗(yàn)溫度大于充分反應(yīng)溫度，則原油黏度下降不明顯。表1中詳細(xì)列出了不同類型催化劑的稠油催化改質(zhì)實(shí)驗(yàn)溫度，最常用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)溫度為240℃。但考慮到現(xiàn)有技術(shù)對(duì)油藏的加熱能力和地質(zhì)條件，蒸汽加熱結(jié)束油層中200℃以上溫度范圍很難維持2 d 以上的時(shí)間，因此，中低溫（低于200℃）條件下的改質(zhì)降黏率應(yīng)該成為催化改質(zhì)劑篩選的重要條件。

圖3 改質(zhì)降黏效果影響因素示意圖[18,35,41,43]Fig.3 Schematic diagram of influence factors of the heavy oil upgrading and viscosity reduction[18,35,41,43]

綜上，稠油地下改質(zhì)技術(shù)經(jīng)過30 余年的發(fā)展，在技術(shù)機(jī)理和改質(zhì)催化劑性能方面取得了較好的進(jìn)展，其中油溶性和納米級(jí)催化劑室內(nèi)實(shí)驗(yàn)降黏率平均可達(dá)到96%以上，供氫劑加入和反應(yīng)時(shí)間、溫度等反應(yīng)條件的優(yōu)選可以進(jìn)一步保障改質(zhì)降黏效果。地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模和稠油降黏效果，因此，地下改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔的大小和催化改質(zhì)降黏率將是評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

2 地下改質(zhì)技術(shù)應(yīng)用及效果

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了不同類型催化劑和不同反應(yīng)條件下的大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，理論上驗(yàn)證了此技術(shù)的可行性，但在復(fù)雜的地質(zhì)和工藝條件的限制下技術(shù)的應(yīng)用仍困難重重。20 世紀(jì)末稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)逐漸形成應(yīng)用專利和開展礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了由理論研究邁入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵突破。目前，Conoco Phillips、Chevron 等國(guó)外公司申請(qǐng)了稠油地下催化改質(zhì)相關(guān)應(yīng)用專利，具體內(nèi)容見表2，主要實(shí)施方式為蒸汽驅(qū)和輔助SAGD，屬于溶劑輔助的地下催化改質(zhì)，但未見相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用報(bào)道。稠油改質(zhì)降黏技術(shù)的礦場(chǎng)試驗(yàn)開展相對(duì)較少，為了便于實(shí)現(xiàn)油藏加溫，試驗(yàn)區(qū)均是選擇實(shí)施過蒸汽熱采后的油藏直接進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)換。產(chǎn)出原油的降黏效果已經(jīng)驗(yàn)證了技術(shù)在油藏中應(yīng)用的可行性，但受成本和工藝條件限制尚無法進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。下面將從油藏加熱方式、試驗(yàn)井生產(chǎn)方式和試驗(yàn)效果三方面綜合對(duì)比新疆、遼河、勝利和加拿大Suncor Dover區(qū)塊開展的四個(gè)礦場(chǎng)試驗(yàn)。

（1）油藏加熱方式：受技術(shù)和工藝條件限制，目前稠油地下改質(zhì)開采以蒸汽加熱的方式為主。遼河油田和勝利油田采用蒸汽吞吐的方式；加拿大Suncor Dover 區(qū)塊采用電磁波生熱的方式[58]。綜合來講，蒸汽加熱方式對(duì)于開展過蒸汽熱采的油藏實(shí)施起來難度更低，更有利于油藏溫度控制；電磁波等物理加熱方式受工藝限制平均加熱溫度僅為100～150℃，雖然加熱范圍相對(duì)較低但生產(chǎn)成本更低，熱能利用率更高，更環(huán)保。

（2）生產(chǎn)方式：國(guó)內(nèi)的新疆、遼河和勝利油田的礦場(chǎng)試驗(yàn)均采用了單井吞吐的方式，選擇的生產(chǎn)井在試驗(yàn)前也都進(jìn)行了多個(gè)輪次的蒸汽吞吐，地面改造和技術(shù)轉(zhuǎn)換較容易。加拿大Suncor Dover 區(qū)塊則是采用了雙水平井的生產(chǎn)模式，上部水平井進(jìn)行電磁加熱和改質(zhì)劑的注入，下部的水平井依靠改質(zhì)降黏后的原油重力泄油后開采[58]，是在SAGD（蒸汽輔助重力泄油）基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)轉(zhuǎn)換。

表2 國(guó)外地下催化改質(zhì)專利情況Table 2 Patent status of underground catalytic modification abroad

（3）試驗(yàn)效果：在2005—2011 年間，遼河稠油地下催化水熱裂解現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在曙光油田和歡喜嶺油田先后進(jìn)行了30多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，典型實(shí)驗(yàn)井產(chǎn)出稠油黏度下降達(dá)到80%，單井平均增油達(dá)到550 t，累計(jì)增油5933.9 t。2008～2017年，勝利油田進(jìn)行了改質(zhì)降黏輔助蒸汽吞吐開采，原油原始黏度達(dá)到20050 mPa·s（50℃），措施后黏度降到3920 mPa·s（50℃），降黏率80.4%[11]，平均日產(chǎn)油由措施前的8.1 t 上升至平均13.7 t，截止到2019 年該井日產(chǎn)油10.0 t，取得了良好的降黏增油效果。

3 地下改質(zhì)技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

通過上述礦場(chǎng)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了稠油地下改質(zhì)技術(shù)應(yīng)用的可行性，取得了一定的降黏和增產(chǎn)效果，但距離工業(yè)化應(yīng)用尚有很大差距。目前，制約稠油地下改質(zhì)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵在于開采成本高和催化改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模相對(duì)較低，二者直接決定采油技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益和增油效果。下面將從應(yīng)用成本和地下催化改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模兩方面分析技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

（1）地下改質(zhì)開采成本主要來自注入的化學(xué)劑和油藏加熱。①改質(zhì)劑注入體系通常包括催化劑、供氫劑和分散助劑，需要形成相對(duì)穩(wěn)定的分散注入體系才能保障稠油改質(zhì)效果，這額外地增加了注劑的配注工藝要求以及設(shè)備、人工成本。據(jù)筆者估算，目前地下改質(zhì)單井試驗(yàn)成本約為單井蒸汽吞吐的2～3 倍，目前低油價(jià)條件下短期內(nèi)很難進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。②現(xiàn)有的礦場(chǎng)試驗(yàn)仍大多采用蒸汽加熱油藏的方式提供反應(yīng)所需的基礎(chǔ)溫度，無法擺脫傳統(tǒng)蒸汽熱采方式的低效和高能耗的缺點(diǎn)。在地下改質(zhì)反應(yīng)基礎(chǔ)溫度的要求下和復(fù)雜的地質(zhì)條件下，在油層深部實(shí)現(xiàn)改質(zhì)反應(yīng)基礎(chǔ)范圍最大化是一個(gè)非常大的難題，現(xiàn)有的設(shè)備工藝很難實(shí)現(xiàn)，需要多學(xué)科交叉和多技術(shù)融合，形成一種適用于油藏改質(zhì)反應(yīng)的油藏加熱方式。

（2）催化改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模取決于催化劑與原油的接觸效率和改質(zhì)反應(yīng)溫度腔大小。①?gòu)?fù)雜的地質(zhì)條件和油藏較高的開發(fā)程度決定了直接注入的改質(zhì)體系通常會(huì)沿著高滲通道快速通過油層?，F(xiàn)場(chǎng)的施工注入過程中，如何擴(kuò)大催化改質(zhì)劑的波及體積，使其高效接觸和分散在富集區(qū)原油中是地下改質(zhì)開采技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用遇到的瓶頸問題。改善催化劑性能的同時(shí)還需研發(fā)穩(wěn)定的注入體系和針對(duì)性的注入方式，使得注劑能深入油藏內(nèi)部與原油充分融合。②以降黏率大于90%定義為高效改質(zhì)降黏的界限，目前高效改質(zhì)降黏的反應(yīng)溫度下限約為260℃，但現(xiàn)有的油藏加熱技術(shù)很難在油層中長(zhǎng)期維持200℃以上的高溫環(huán)境，因此很大程度上限制了催化改質(zhì)劑在油藏中的作用范圍。

4 地下改質(zhì)技術(shù)發(fā)展方向

稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)應(yīng)用雖然面臨著很大的挑戰(zhàn)，但必須積極尋求解決之道，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用才能使其成為稠油開采的下一代接替技術(shù)，有效緩解目前稠油油藏開發(fā)的“高能耗、高汽油比”的生產(chǎn)壓力。本文嘗試從降低開采成本和提高油藏反應(yīng)規(guī)模兩個(gè)角度，提出技術(shù)發(fā)展方向及研究思路建議。

（1）降低開采成本。①在于加大催化劑的研發(fā)力度，首先是研發(fā)高活性、低用量的催化改質(zhì)體系。然后通過稠油油藏逐漸增大的技術(shù)轉(zhuǎn)型需求推動(dòng)相關(guān)化學(xué)劑的工業(yè)化生產(chǎn)。改善注入性的磺酸鹽類油溶性催化體系、可回收循環(huán)使用的納米過渡金屬氧化物催化劑均是催化劑的研發(fā)方向。②在于轉(zhuǎn)換油藏加熱方式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的蒸汽加熱方式熱能利用率低，不可避免地產(chǎn)生后續(xù)水處理的成本。從20世紀(jì)50年代開始，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者致力于實(shí)現(xiàn)低成本的物理方法加熱油藏，宋建平等[59?61]提出的電脈沖采油技術(shù)，孫仁遠(yuǎn)等[62?63]開展的超聲波加熱采油技術(shù)，王穎等[64?70]開展的微波降黏技術(shù)，丁雨溪等[71?74]開展的電磁加熱技術(shù)，均可和地下改質(zhì)降黏技術(shù)相結(jié)合，提供稠油改質(zhì)反應(yīng)所需要的基礎(chǔ)溫度。通過物理方法加熱油藏可以真正實(shí)現(xiàn)高效、綠色開采。

（2）提高催化改質(zhì)體系應(yīng)用效率。①提高改質(zhì)體系與原油的接觸效率。通過改善注入方式和工藝，解決油層非均質(zhì)性和采出程度較高部位造成的注入劑無效循環(huán)或無效堆積?？梢越梃b針對(duì)水驅(qū)開發(fā)后期實(shí)施的深度調(diào)剖和加密井的方式，讓注入劑避開滲流優(yōu)勢(shì)通道，波及原油富集區(qū)域。②擴(kuò)大地下催化改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模，其一可以選擇合適的生產(chǎn)方式，利用水平井的長(zhǎng)水平段在油藏中制造一個(gè)較大范圍的地下改質(zhì)反應(yīng)溫度腔，是改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模最大化的生產(chǎn)方式，是技術(shù)未來的應(yīng)用方向。另外可以降低催化改質(zhì)反應(yīng)溫度門檻（200℃以下），因?yàn)橄嗤訜釛l件下，反應(yīng)溫度越低，地下改質(zhì)反應(yīng)溫度腔相對(duì)越大，增油效果越明顯，改質(zhì)成功率也更高。

稠油地下改質(zhì)技術(shù)目前正處于發(fā)展初期，最有潛力成為下一代主體開采技術(shù)。需求和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展，相信在稠油油藏開發(fā)形勢(shì)的緊迫壓力下，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，此項(xiàng)技術(shù)有望在不遠(yuǎn)的未來取得革命性突破。

5 結(jié) 論

（1）稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)核心在于改質(zhì)催化反應(yīng)，其關(guān)鍵在于改質(zhì)催化劑的選擇，目前催化劑類型主要分為水溶性催化劑、油溶性催化劑、雙親型催化劑和納米級(jí)催化劑。其中水溶性催化劑便于混合注入、成本相對(duì)較低，但催化效果相對(duì)較差，平均降黏率僅為74.7%；油溶性催化劑催化效率相對(duì)較高，降黏率可達(dá)90%以上，但對(duì)注入工藝要求較高，同時(shí)會(huì)增加油品后續(xù)處理成本；雙親型催化劑在油相和水相中均具有很好的溶解性，但分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差；納米型催化劑反應(yīng)效率高，降黏率可達(dá)90%以上，但成本相對(duì)較高。

（2）地下改質(zhì)開采效果取決于地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模和稠油降黏效果，地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模主要受改質(zhì)催化劑與原油接觸效率和改質(zhì)催化反應(yīng)溫度腔大小決定；稠油降黏效果除改質(zhì)催化劑以外，供氫劑、反應(yīng)時(shí)間和溫度均對(duì)降黏率有很大影響。

（3）稠油改質(zhì)降黏技術(shù)的礦場(chǎng)試驗(yàn)在新疆油田、遼河油田、勝利油田和加拿大油砂Suncor Dover區(qū)塊開展。試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了稠油地下改質(zhì)開采技術(shù)在油藏中應(yīng)用的可行性，但尚不具備擴(kuò)大應(yīng)用的能力。國(guó)內(nèi)礦場(chǎng)試驗(yàn)多采用蒸汽加熱油藏，通過單井吞吐的方式進(jìn)行生產(chǎn)；Suncor Dover采用電磁波生熱加熱油藏，通過雙水平井的方式進(jìn)行生產(chǎn)。

（4）目前，降低應(yīng)用成本和提高催化改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模是實(shí)現(xiàn)稠油地下改質(zhì)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。降低開采成本的關(guān)鍵在于控制催化改質(zhì)劑價(jià)格，研發(fā)廉價(jià)改質(zhì)催化劑和催化劑分離重復(fù)使用是主要的解決途徑，另外，通過使用相對(duì)綠色、高效的物理加熱油藏方式可進(jìn)一步降低應(yīng)用成本。大幅度提高地下改質(zhì)反應(yīng)效率，必須實(shí)現(xiàn)地下改質(zhì)反應(yīng)規(guī)模最大化，可以通過建立相應(yīng)的注采方式增加注入體系與原油的接觸效率、擴(kuò)大地下改質(zhì)反應(yīng)溫度腔和降低催化改質(zhì)劑的反應(yīng)溫度門檻來實(shí)現(xiàn)。