表面活性劑在提高油田采收率中的應(yīng)用

于宏博

（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司，黑龍江大慶 163712）

隨著近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對石油的需求量和對外依存度持續(xù)上升，但國內(nèi)大部分油田經(jīng)過多年的開采，采收率持續(xù)下降。我國剩余石油儲(chǔ)量中大部分為高溫、高鹽、低孔、低滲、稠油油藏等難以開采的苛刻性油藏。一般來說，石油的開采可分為三個(gè)階段：①在地層內(nèi)部壓力作用下以自噴方式開采的一次采油階段，這個(gè)階段也是最容易開采的階段，采出率約占總儲(chǔ)量的20%；②依靠注水或注氣來提高地層壓力的二次采油階段，這個(gè)階段通?？梢垣@得30%左右的采收率；③為了有效動(dòng)用地層中剩余的60%～70%的儲(chǔ)量，學(xué)者們又提出了依靠化學(xué)驅(qū)、微生物驅(qū)、混合驅(qū)等更先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行的三次采油階段，其中化學(xué)驅(qū)中的表面活性劑驅(qū)油技術(shù)是目前發(fā)展最快最有潛力的研究方向。因此表面活性劑驅(qū)油技術(shù)是開發(fā)難采儲(chǔ)層的有效技術(shù)手段之一。本文綜述了不同表面活性劑的特點(diǎn)以及目前的研究情況，并對表面活性劑的未來發(fā)展方向提出了一些建議。

1 表面活性劑在石油工程中的作用

一般而言，表面活性劑是由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)組成的具有兩親特性的有機(jī)化合物，已經(jīng)在石油工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。表面活性劑主要通過四個(gè)方面來影響油田采收率：降低界面張力、改變潤濕性、產(chǎn)生泡沫和乳化。

1.1 降低界面張力

表面活性劑可以降低儲(chǔ)層巖石的表面接觸角。表面活性劑進(jìn)入儲(chǔ)層后通過降低地層孔隙的毛細(xì)管力使油滴更容易被開采出來，從而提高了低滲透儲(chǔ)層的采收率。20世紀(jì)40年代國外學(xué)者開始了表面活性劑與采收率之間的作用研究，到70年代，Taber和Foster兩位學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)了界面張力和原油采收率之間的關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)表面張力小于10-3mN/m時(shí)，可以大幅度提高采收率。Wade等的研究表明，界面張力最終的平衡值對計(jì)算原油采收率有重要的參考價(jià)值。

1.2 改變潤濕性

儲(chǔ)層的親油和親水性對采收率也有很大影響。一般來說，親水性強(qiáng)的儲(chǔ)層原油更容易流動(dòng)，驅(qū)油效果也更好。選擇適宜的表面活性劑可以將儲(chǔ)層巖性從親油變?yōu)橛H水，降低原油在孔隙中的流動(dòng)阻力。

1.3 產(chǎn)生泡沫

在鉆井行業(yè)可以利用表面活性劑的起泡特性來制作霧化/泡沫鉆井液和微泡沫鉆井液，通過形成欠平衡鉆井來提高機(jī)械鉆速和解決部分易漏失地層的鉆井難題。在采氣井中可以通過于地層水形成泡沫而將地層水從井底排出。

1.4 乳化作用

在鉆井行業(yè)中最常使用的油包水鉆井液就是利用表面活性劑的乳化作用配制而成的。在稠油的輸送過程中，使用表活劑對稠油進(jìn)行乳化后，可以大幅降低稠油黏度，從而減少運(yùn)輸成本。在一定條件下，表面活性劑可以和地層中的油水產(chǎn)生乳化作用，從而降低油相的流動(dòng)阻力，使原本難以開采的儲(chǔ)層原油被驅(qū)替出來從而提高采收率。

2 三次采油用表面活性劑研究進(jìn)展

20世紀(jì)20年代，國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)加入木質(zhì)素亞硫酸鹽等表面活性劑可以提高原油采收率，因?yàn)楸砻婊钚詣┚哂袃捎H結(jié)構(gòu)，通過降低界面張力等作用使儲(chǔ)層孔隙中原本不易流動(dòng)的原油變得易于流動(dòng)，從而在驅(qū)替壓力的作用下更容易的被采出。從20世紀(jì)60年代開始，表面活性劑的合成成為研究的熱點(diǎn)，相關(guān)的評價(jià)手段和實(shí)驗(yàn)方法也逐步被開發(fā)出來。我國20世紀(jì)80年代的三元復(fù)合驅(qū)中主要使用磺酸鹽作為表面活性劑。用于提高采收率的表面活性劑應(yīng)該具有以下優(yōu)點(diǎn)：①有效降低界面張力；②較少的被地層吸附并能適應(yīng)復(fù)雜的儲(chǔ)層工況；③價(jià)格較為便宜。

2.1 陰離子表面活性劑

常規(guī)的陰離子表面活性劑（如SDS、IOS等）由于具有成本低、適用性廣等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于提高油田采收率的相關(guān)作業(yè)中，但由于陰離子表面活性劑的抗溫抗鹽性較差，所以在堿性和高鹽條件下驅(qū)油效果較差。

20世紀(jì)60年代，國外開始研究陰離子雙子表面活性劑。Liu等的研究成果表明，雙子表面活性劑間隔基團(tuán)的增加會(huì)降低臨界膠束濃度并提高界面吸附效率。GAO 等的研究成果表明，硫酸基的陰離子雙子表面活性劑的抗鹽鈣能力大幅度提高，在20%的NaCl和5%的CaCl2溶液中均有較好的分散穩(wěn)定性，并可將界面張力降低到10-3mN/m以下。由于雙子表面活性劑的合成步驟多、工藝相對復(fù)雜，所以成本相對較高，限制了它在提高采收率領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模。

為了進(jìn)一步提高陰離子表面活性劑的抗鹽能力，國內(nèi)外學(xué)者重新進(jìn)行了分子設(shè)計(jì)，開展了陰-非離子表面活性劑的合成研究，該類表面活性劑的特點(diǎn)是將非離子的氧乙烯基團(tuán)插入到疏水鏈中，從而使陰離子表面活性劑具有良好的抗鹽能力。美國的德克薩斯大學(xué)通過烷氧基化反應(yīng)在脂肪醇上引入環(huán)氧化合物，然后再引入陰離子基團(tuán)來合成陰-非離子表面活性劑，并通過調(diào)整聚合度來改變產(chǎn)物抗溫和抗鹽能力，滿足不同工況下的驅(qū)油需要。中國石油、中國石化和大連理工大學(xué)等國內(nèi)機(jī)構(gòu)也先后進(jìn)行了陰-非離子表面活性劑的合成研究，研發(fā)的烷基芳基醚羧酸/磺酸鹽陰-非離子表面活性劑等產(chǎn)品最高抗溫達(dá)到100℃，在中原油田高礦化度地層應(yīng)用，提高了9.2%的采收率。

2.2 陽離子表面活性劑

陽離子表面活性劑在工業(yè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用較為廣泛，目前最為成熟和產(chǎn)量最大的陽離子表面活性劑是十二烷基三甲基氯化銨和十六烷基三甲基氯化銨。20世紀(jì)90年代Milter等的研究結(jié)果表明：隨著碳鏈的增長，陽離子表面活性劑的潤濕能力加強(qiáng)，但當(dāng)使用濃度低于CMC濃度時(shí)，其潤濕性較差。陽離子表面活性劑具有良好的抗溫和抗鹽能力，并且在儲(chǔ)層巖石表面的吸附能力也較低，具有良好的提高采收率效果。但是因?yàn)槠涑杀据^高、用量較大，限制了在油田三次采油領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 兩性離子表面活性劑

兩性離子表面活性劑中最具代表性的是甜菜堿型兩性離子表面活性劑。由于甜菜堿類表面活性劑具有良好的抗高價(jià)離子和形成超低表面活性的能力，20世紀(jì)70年代就被應(yīng)用到三次采油中。李干佐等發(fā)現(xiàn)磺酸基甜菜堿可將體系的抗高價(jià)鹽能力提高到5g/L。大慶油田的王德民等研制的磺酸型甜菜堿在5×10-5加量下即可將界面張力降低到0.001mN/m以下。東北石油大學(xué)的XIA等研究了甜菜堿類表面活性劑在微觀條件下的驅(qū)油效果，并證實(shí)其可以通過進(jìn)一步驅(qū)替殘余油來提高采收率。甜菜堿型表面活性劑的主要缺點(diǎn)是與儲(chǔ)層巖石之間的靜電引力較大，造成其大量吸附，影響驅(qū)油效果，所以如何解決這一缺點(diǎn)也是相關(guān)學(xué)者急需攻克的技術(shù)難題。

2.4 非離子表面活性劑

非離子表面活性劑也是一種被廣泛研究并應(yīng)用于三次采油領(lǐng)域的表面活性劑。該類表面活性劑的性能較為穩(wěn)定，具有較好的抗高價(jià)鹽能力，但由于非離子表面活性劑具有濁點(diǎn)效應(yīng)，通常不能用于高溫儲(chǔ)層。Standnes等的研究發(fā)現(xiàn)，雖然增加非離子表面活性中的烯烴鏈節(jié)數(shù)可以提高其濁點(diǎn)，但仍然不能在高溫儲(chǔ)層中應(yīng)用。

2.5 高分子表面活性劑

高分子表面活性劑通常具有較高的分子量（分子量＞103）。在自然界中廣泛存在的淀粉、纖維素、蛋白石和生物聚合物等是天然高分子表面活性劑；由具有表面活性功能的單體共聚而成的是合成高分子表面活性劑。CAO 等使用纖維素和聚氧乙烯丙烯酸等為原料合成了一種高分子表面活性劑，在6×10-3的加量下可以將油水界面張力降低到0.01mN/m以下。ELRAIES 等使用丙烯酰胺和對甲基苯磺酸鈉作為反應(yīng)單體，APS作為引發(fā)劑，在較為友好的條件下，合成了一種高分子表面活性劑PES，隨后的測試結(jié)果表明：PES通過吸附在油水界面可以大幅降低油水界面張力，隨著堿性增加吸附能力下降，巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)證實(shí)該種表面活性劑可以使采收率提高20.5%?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，高分子表面活性劑具有低毒和高效的特點(diǎn)，但在降低油水間界面張力和改善巖石潤濕性方面的效果弱于常規(guī)的表面活性劑，如何使其更好地應(yīng)用于三次采油領(lǐng)域，仍是國內(nèi)外學(xué)者需要研究的問題。

2.6 生物表面活性劑

生物表面活性劑屬于可生物降解和可循環(huán)再生的綠色化學(xué)品。錢濤等在大慶和勝利油田進(jìn)行相關(guān)的現(xiàn)場應(yīng)用正式，生物表面活性劑可將采收率提高10%以上。生物表面活性雖然具有良好的環(huán)保特性，但是由于對它的研究開展的較晚，相應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模較小，導(dǎo)致成本偏高，目前生產(chǎn)總量僅占全部表面活性劑總量的2%左右，在三次采油領(lǐng)域的應(yīng)用則更少，有待于進(jìn)一步研究和推廣。

2.7 復(fù)配表面活性劑

由于地下儲(chǔ)層的環(huán)境差異性較大，儲(chǔ)層構(gòu)造也千差萬別，現(xiàn)場往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際驅(qū)油能力于與實(shí)驗(yàn)室測試能力，在使用單一表面活性劑的情況下這種問題更為明顯。因此，相關(guān)學(xué)者在研發(fā)新型表面活性劑的同時(shí)，嘗試進(jìn)行已有表面活性劑的復(fù)配，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)部分復(fù)配的表面活性劑體系具有一定的協(xié)同效應(yīng)，具有更好的驅(qū)油效果。

2.7.1 陰-陰離子表面活性劑

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)首次研究了石油磺酸鹽和聚氧乙烯壬基苯酚醚乙酸鹽復(fù)配后的體系抗鹽性能的改變情況。研究發(fā)現(xiàn)，聚氧乙烯壬基苯酚醚乙酸鹽可以有效提高整個(gè)體系的耐鹽能力。黃宏度等的研究發(fā)現(xiàn)，將不同的特性的陰離子表面活性劑組成復(fù)合體系后，可以在提高驅(qū)油效果的同時(shí)，減少堿的使用，從而降低對地下水資源的影響。

2.7.2 陰-兩性離子表面活性劑

由于兩性離子表面活性劑具有抗溫抗鹽的特性，因此將陰離子表面活性劑與之復(fù)配可提高綜合性能。周雅雯等將十二烷基苯磺酸鈉和十四烷基甜菜堿型表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，發(fā)現(xiàn)體系表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，復(fù)配后的體系能顯著降低表面張力，抗高價(jià)鹽能力也得到明顯提高；范海明等將十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基苯磺酸鈉分別與甜菜堿型磷酸酯兩性表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，發(fā)現(xiàn)復(fù)配體系的耐鹽性和抗剪切能力明顯提高，并且隨著陰離子表面活性劑碳鏈的增加，抗鹽性和抗剪切能力有增加的趨勢。

2.7.3 陰-非離子表面活性劑

非離子表面活性具有穩(wěn)定、抗高價(jià)鹽的特性，其和陰離子表面活性劑復(fù)配也可以產(chǎn)生良好的驅(qū)油效果。王亞偉等將聚氧乙烯壬基酚醚和SDS組成復(fù)配體系，研究發(fā)現(xiàn)，該體系可以降低油水界面張力和提高抗高價(jià)鹽效果。孫志斌等研究了陰-非離子表面活性劑復(fù)配體系在地層中的吸附效果，研究發(fā)現(xiàn)吸附效應(yīng)的存在使驅(qū)油效果大幅度降低，但該復(fù)配體系可以減少表面活性劑在地層中的吸附效應(yīng)。

3 結(jié)束語

1）表面活性劑驅(qū)油技術(shù)是開發(fā)難采儲(chǔ)層的有效技術(shù)手段之一。隨著難采儲(chǔ)層的進(jìn)一步開發(fā)利用，對表面活性的抗溫抗鹽能力提出了更高的要求，低成本高效率的表面活性劑成為研發(fā)的重要方向。

2）甜菜堿表面活性劑、高分子表面活性劑和生物表面活性劑均具有各自的優(yōu)勢，應(yīng)該進(jìn)一步加大研發(fā)力度和推廣應(yīng)用規(guī)模。

3）復(fù)配表面活性劑體系具有一定的協(xié)同效應(yīng)，具有更好的驅(qū)油效果，也是提高采收率的一個(gè)主要研究方向。