随着常规石油储量的减少和开采技术的进步，稠油作为原油的主要的替代能源受到了研究者的广泛关注。但氢碳原子比低、粘度高、杂原子浓度高等缺陷限制了稠油的高效利用。

 

       郭烈锦院士团队提出了以超临界水热化学转化为核心的重质油原位转化开采新思路，基于超临界水独有的高溶解性、高扩散性和高反应性，采用油田有机废液为原料通过超临界水气化与氢氧化原理生产超临界多元热流体，注入地层加热储层、同时原位转化稠油生成轻质油气，通过超临界混相驱大幅提高采收率，从而实现了高效清洁低成本的热流体生成、储层加热转化与油气高效采出。

 

图1 超临界流体原位转化开发非常规石油技术

 

       团队开展了一系列超临界水/多元热流体岩心注采及热化学转化的理论、实验及模拟研究，验证了该技术的可行性。

 

       近日，郭烈锦院士和赵秋阳助理教授研究团队采用分子动力学模拟方法研究了稠油液滴在超临界水和多元热流体中的溶解和混相特性，对比了稠油在超临界水和多元热流体中的溶解混相过程的差异。

 

 

图2 稠油分子在过热蒸汽/超临界流体中的溶解过程及应用分析

 

       结果表明，低溶剂密度条件下 (0.1~0.4 g/cm3)，超临界水对稠油的溶解速率较高，而在高溶剂密度条件下 (0.5 g/cm3)，多元热流体对稠油的溶解速率较高

       稠油的溶解特性主要由溶剂环境的密度、温度和油分子的结构决定。溶剂密度的增加抑制了稠油的溶解。温度的升高分别使溶剂的溶解度降低和溶质的解离程度增加，其影响效果是由两者之间的竞争关系来确定的。

       在油分子结构方面，碳原子数的增加不利于油的溶解，而链烷烃的异构化和沥青质中杂原子的变化对油的溶解没有显著影响。

       在重质组分中添加较轻质组分可以增强解离程度，并且静电吸引相互作用是导致极性油分子解离程度较差的主要原因。

 

       根据 Hildebrand 溶解度参数理论计算得到，相比于稠油分子，超临界水和多元热流体的溶解度参数对密度变化更敏感。表明在注采过程中可以通过改变超临界流体的温度和密度以调控超临界流体与稠油的混相特性，以此在原位热采过程中达到混相驱效果提高采收率。根据溶解度参数匹配准则，在 623~723 K 的温度范围内，超临界水在密度为 0.3 g/cm3 左右最容易与稠油自发混相，而多元热流体为 0.5 g/cm3。

 

图 3 稠油各组分与超临界水/多元热流体在温度为 623~723 K 和溶剂密度为 0.1~0.5 g/cm3 范围内的溶解度参数匹配关系

 

       这些结果在微观层面进一步完善了注超临界流体原位转化开发非常规石油机理。该成果以“Molecular dynamics simulation of heavy oil dissolution in supercritical water and multicomponent thermal fluid”(《稠油在超临界流体中溶解过程的分子动力学模拟》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Sustainable Energy Fuels 上，并入选为期刊封面文章。

 

 

       论文信息:

       Qiuyang Zhao*, Lichen Zheng, Yu Dong, Hui Jin, Yechun Wang and Liejin Guo* . Molecular dynamics simulation of heavy oil dissolution in supercritical water and multicomponent thermal fluid.Sustainable Energy Fuels, 2023, 7, 4094-4109

       http://doi.org/10.1039/D3SE00520H