表面活性劑在石油開采中的應(yīng)用

程東旭

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

在科技驅(qū)動創(chuàng)新發(fā)展背景下，依托先進(jìn)石油開采技術(shù)提高石油采收率已經(jīng)成為石油鉆探開發(fā)企業(yè)以及相關(guān)學(xué)者關(guān)注與研究的重點(diǎn)，而表面活性劑作為石油開采過程中應(yīng)用較為廣泛的添加劑，其科學(xué)運(yùn)用對石油采收率的提升具有至關(guān)重要的意義。

1 表面活性劑概況

表面活性劑(surface active agent/surfactant)是一類具有親水親油基團(tuán)的有機(jī)化合物，其分子結(jié)構(gòu)主要包括“疏水基/親油基”與“親水基/疏油基”兩部分[1]。“疏水基/親油基”與“親水基/疏油基”以化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)，可使結(jié)構(gòu)、性能均不相同的基團(tuán)位于同一分子上，從而使該分子具備親水親油性。表面活性劑普遍具有潤濕/抗黏、乳化/破乳、消泡/起泡、洗滌、助懸、增溶、消毒、殺菌等理化作用與功能，通常被譽(yù)為“工業(yè)味精”，已被廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域[2]。對表面活性劑進(jìn)行分類，通常可分為陰離子表面活性劑(包括肥皂類陰離子表面活性劑、硫酸化物類陰離子表面活性劑等)、陽離子表面活性劑(如季銨鹽陽離子表面活性劑)、非離子表面活性劑(包括脂肪酸甘油酯、聚氧乙烯型非離子表面活性劑等)、兩性離子表面活性劑(如甜菜堿型兩性離子表面活性劑、卵磷脂等)。

2 表面活性劑在石油開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 表面活性劑的應(yīng)用范圍

在石油開采過程中，應(yīng)用表面活性劑是提升石油采收率的重要手段之一，表面活性劑已被廣泛應(yīng)用于鉆井、采油和石油集輸?shù)茸鳂I(yè)中。

就油田鉆井而言，所用到的表面活性劑主要有鉆井液起泡劑、鉆井乳化劑、鉆井液潤滑劑、泥漿消泡劑、泥漿降黏劑等。應(yīng)用表面活性劑的目的在于：①增強(qiáng)鉆井過程中井壁的穩(wěn)定性，提升鉆井安全水平；②進(jìn)行鉆屑懸浮，實(shí)現(xiàn)鉆屑科學(xué)處理，降低鉆屑對鉆井質(zhì)量、石油開采品質(zhì)的不利影響；③實(shí)現(xiàn)鉆井工具的有效清洗，對井底進(jìn)行凈化；④實(shí)現(xiàn)地層壓力的有效平衡，為石油開采提供有價值的井下資料。例如，在鉆井過程中，利用表面活性劑(起泡劑)將水基鉆井液轉(zhuǎn)換為泡沫鉆井液，實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的科學(xué)調(diào)整，以減少鉆井過程中井孔液柱壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆井效率與質(zhì)量的提升，給予低壓油氣層一定的保障。又如，油田鉆井過程中，當(dāng)油井井壁存在頁巖時，受其性質(zhì)影響，極易發(fā)生井壁坍塌問題，為石油開采企業(yè)油田開采人員帶來安全隱患，而利用表面活性劑——十二烷基三甲基氯化銨，能夠改善頁黏土水化現(xiàn)象，減少頁巖黏土水化問題對井壁的不利影響，提高井壁穩(wěn)定性。

就油田采油而言，所用到的表面活性劑主要有降黏劑、驅(qū)油劑、防蠟降凝劑、酸化用添加劑等。應(yīng)用表面活性劑的目的主要為：改善油水界面張力，提升石油采收率；節(jié)約采油成本，提升采油質(zhì)量與效率。例如，在對原油，尤其是高黏油或高凝油進(jìn)行開采時，利用表面活性劑(乳化降黏劑或降凝劑)能夠有效改變高黏油黏度或降低高凝油凝固點(diǎn)，從而提升高黏油或高凝油的開采質(zhì)量與效率。又如，針對原油開采過程中存在的結(jié)蠟問題，可根據(jù)結(jié)蠟原理以及表面活性劑物理化學(xué)作用，制定原油開采防結(jié)蠟措施，減少結(jié)蠟現(xiàn)象的產(chǎn)生，控制結(jié)蠟問題對原油開采中存在的不利影響，即：利用油溶性表面活性劑轉(zhuǎn)化蠟微晶表面性質(zhì)，使其由非極性轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性，從而控制蠟的沉積，改善原油開采結(jié)蠟現(xiàn)象；利用水溶性表面活性劑，使蠟在結(jié)晶過程中，蠟微晶生長得到有效控制，從而改善原油開采結(jié)蠟現(xiàn)象。

就油田集輸而言，所用到的表面活性劑主要有乳化原油破乳劑與水處理劑。應(yīng)用表面活性劑的目的在于：①降低原油采收過程中，乳化原油對集輸裝置的不利影響，如集輸裝置腐蝕、損壞等；②降低采油含水量，減少污水對集輸裝置的不利影響，如腐蝕、結(jié)垢等，達(dá)到防垢、除油、滅菌、清理懸浮物等表面活性劑水處理目標(biāo)。例如，在石油開采過程中，一次開采與二次開采所得到的原油多為 W/O型乳狀液，而W/O型乳狀液中不僅存在瀝青質(zhì)酸，也存在微晶蠟等固體顆粒。對此，可利用高分子非離子型表面活性劑(HLB值與原油乳化劑不一致)進(jìn)行破乳，減少W/O型乳狀液對集輸裝置的不利影響。與此同時，在進(jìn)行三次采油時，所得到的原油以 O/W 型乳狀液為主[3]。而O/W型乳狀液乳化劑含水量較高，在集輸過程中，容易使懸浮物質(zhì)、細(xì)菌、溶解氣、微生物等融入水中，增加集輸裝置負(fù)荷，出現(xiàn)集輸裝置結(jié)垢現(xiàn)象、腐蝕現(xiàn)象、管道堵塞現(xiàn)象等。對此，可利用陽離子表面活性劑，使其與 O/W 型乳狀液乳化劑產(chǎn)生反應(yīng)，達(dá)到破乳、緩蝕目的；也可在陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、分支結(jié)構(gòu)陰離子表面活性劑等結(jié)合應(yīng)用下，降低界面膜強(qiáng)度，進(jìn)行油滴聚集。

2.2 表面活性劑的使用要求

在石油開采過程中，表面活性劑的運(yùn)用是廣泛、復(fù)雜且多變的，為提升表面活性劑應(yīng)用科學(xué)性、準(zhǔn)確性、合理性與有效性，需明確表面活性劑使用要求，在使用要求指導(dǎo)與規(guī)范下，進(jìn)行表面活性劑類型的科學(xué)選擇?；诮?jīng)驗(yàn)歸納與總結(jié)，可知石油開采過程中表面活性劑的使用需注意以下幾點(diǎn)：

①表面活性劑的運(yùn)用能夠有效降低巖石對原油的吸附，實(shí)現(xiàn)巖石吸附量的科學(xué)控制。

②表面活性劑的運(yùn)用能夠減小油水界面張力值，使其控制在0.01×10-5～0.001×10-5N/cm。

③表面活性劑的運(yùn)用經(jīng)濟(jì)效益顯著，能夠?yàn)槭烷_采企業(yè)帶來較高的經(jīng)濟(jì)利益。

④表面活性劑應(yīng)用后的pH、溶解度等參數(shù)適宜。

⑤表面活性劑于地層介質(zhì)接觸之后，其擴(kuò)散性較好。

⑥能夠根據(jù)原油含稅情況，確定驅(qū)油水平。通常含水量相對較低時，表面活性劑的驅(qū)油能力應(yīng)相對較強(qiáng)，起到較好的原油凝聚作用。

⑦表面活性劑能夠在一定程度上阻止其他化學(xué)劑應(yīng)用后副反應(yīng)的產(chǎn)生。

⑧表面活性劑能夠在鹽濃度較高的油層中保持穩(wěn)定，具備抗高濃度鹽水的能力。

⑨表面活性劑的運(yùn)用需綜合分析表面活性劑與其他化學(xué)劑、油層溫度、注水量、地層礦物等存在的關(guān)系，保證表面活性劑應(yīng)用科學(xué)，注重表面活性劑應(yīng)用綜合效益的提升。

2.3 表面活性劑的用法

在石油開采過程中表面活性劑的用法多種多樣，以下是幾種較為常見的運(yùn)用方法：

①在油層注入滲吸型非離子表面活性劑、硫酸酯鹽型陰離子表面活性劑等濃度小于臨界膠束濃度的表面活性劑。一方面實(shí)現(xiàn)油水界面張力的有效降低，另一方面實(shí)現(xiàn)地層表面潤濕性的改變，從而降低油與巖石的黏度，使油能夠有效從巖石表面拉出，提高原油采收率；此外，增加油對巖石表面的潤濕角，以實(shí)現(xiàn)親油油層毛管阻力的有效降低，增加波及系數(shù)，達(dá)到提升石油采收率目的。我們將該方法稱之為“表面活性劑水驅(qū)”。

②根據(jù)原油特征，在原油中加入適當(dāng)?shù)膲A，使其與環(huán)烷酸作用，生成皂類表面活性劑，進(jìn)行界面膜強(qiáng)度的降低，實(shí)現(xiàn)石油采收率的有效提升。通常情況下，將這種方法稱之為“表面活性劑堿水驅(qū)”，具有投入成本低的優(yōu)勢。值得注意的是，在應(yīng)用該方法時需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)加入輔助性物質(zhì)，提升表面活性劑使用效果。

③根據(jù)表面活性劑存在的起泡作用，結(jié)合石油開采情況與需求，進(jìn)行驅(qū)油劑科學(xué)配置。如在水驅(qū)后的地層注入氮?dú)?，氮?dú)饽軌蛘紦?jù)油孔道，將束縛在油孔道的原油轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪鲃釉?；在水、氮?dú)庖约霸陀袡C(jī)結(jié)合下，降低地層表面對原油的黏度，提升原油采收率。這種方法稱之為“表面活性劑泡沫驅(qū)”。

3 表面活性劑在石油開采中的應(yīng)用前景

展望未來發(fā)展，表面活性劑的應(yīng)用將趨向多樣化、綜合化、創(chuàng)新化、環(huán)?；l(fā)展。例如，在保證表面活性劑使用效果有效發(fā)揮的同時，加大表面活性劑及其替代品、輔助品研發(fā)，開展低成本表面活性劑應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)。與此同時，根據(jù)石油開采流程與特征，將表面活性劑應(yīng)用技術(shù)與石油開采工藝技術(shù)緊密結(jié)合，在促進(jìn)表面活性劑應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的同時，帶動石油開采工藝革新，提升石油開采質(zhì)量、效率與效益。此外，根據(jù)表面活性劑特征，進(jìn)行無毒、無污染表面活性劑研發(fā)，讓其在實(shí)際應(yīng)用中，不會對石油開采產(chǎn)生二次污染。

4 結(jié) 語

總之，提升石油采收率是當(dāng)前石油開采企業(yè)實(shí)施可持續(xù)競爭發(fā)展的重要手段，在石油采收率提升過程中，表面活性劑的科學(xué)運(yùn)用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，在明確認(rèn)知表面活性劑運(yùn)用重要性的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)對表面活性劑的研究。一方面提升表面活性劑應(yīng)用的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、合理性、有效性；另一方面進(jìn)行表面活性劑性能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)表面活性劑驅(qū)工藝技術(shù)的創(chuàng)新，更好地服務(wù)石油開采生產(chǎn)。