滲吸驅(qū)油用表面活性劑研究現(xiàn)狀及展望

侯向前，張福祥，胡廣軍，張 濤，苗紅生

（洲際海峽能源科技有限公司，四川 成都 610051）

我國(guó)非常規(guī)石油資源豐富，地質(zhì)資源量為1039.31×108t，技術(shù)可采資源量為198.93×108t，地質(zhì)資源量和技術(shù)可采資源量分別占到石油總資源量的49.18%、42.24%[1]。非常規(guī)儲(chǔ)層具有物性差、滲透率低等特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中存在著產(chǎn)量快速遞減的問(wèn)題，巖石表面油潤(rùn)濕是導(dǎo)致產(chǎn)量快速遞減的關(guān)鍵原因。表面活性劑是一種具有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的兩親性物質(zhì)，具有較高的表界面活性，其可以通過(guò)改變巖石潤(rùn)濕性、降低油水界面張力、乳化原油、增加巖石表面電荷密度等作用有效動(dòng)用儲(chǔ)層基質(zhì)中的殘油，表面活性劑滲吸驅(qū)油技術(shù)是提高原油采收率的重要手段[2]。

本文總結(jié)了表面活性劑的滲吸驅(qū)油機(jī)理，概述了傳統(tǒng)表面活性和新型表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑的優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，歸納了表面活性劑復(fù)配和納米顆粒強(qiáng)化展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并展望了表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑的未來(lái)發(fā)展方向。

1 表面活性劑滲吸驅(qū)油機(jī)理

1.1 改變潤(rùn)濕性

巖石潤(rùn)濕性從親油轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水或強(qiáng)親水是表面活性劑提高滲吸驅(qū)油效率的關(guān)鍵，潤(rùn)濕性的改變可以將毛細(xì)管力變?yōu)樽园l(fā)滲吸的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)降低原油的黏附功，從而實(shí)現(xiàn)提高滲吸采收率的目的。目前，改變潤(rùn)濕性的形式主要有離子對(duì)形成、表面活性劑吸附和表面活性劑膠束增溶。

1.1.1 離子對(duì)形成 離子型表面活性劑可以通過(guò)靜電作用與原油中帶電有機(jī)質(zhì)或原油組分形成離子對(duì)，由于離子對(duì)存在疏水基團(tuán)向巖石表面的原油遷移，最終將原油剝離使巖石表面變?yōu)樗疂?rùn)濕。

Liu 等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到陰離子表面活性劑AOS 將頁(yè)巖表面的有機(jī)質(zhì)和油膜剝離的現(xiàn)象，證實(shí)了陰離子基團(tuán)可以與吸附在頁(yè)巖表面帶正電的有機(jī)質(zhì)或原油組分相互作用形成離子對(duì)。Pinto 等[4]研究表明，陽(yáng)離子表面活性劑DTAB 的陽(yáng)離子基團(tuán)可以與吸附在碳酸鹽巖表面原油中的有機(jī)羧酸形成離子對(duì)。

1.1.2 表面活性劑吸附 表面活性劑在巖石表面的吸附通?？砂ㄎ锢砦胶突瘜W(xué)（靜電）吸附。非離子表面活性劑吸附屬于物理吸附，由于其疏水基團(tuán)與油潤(rùn)濕的非極性巖石表面存在親和力、親水基團(tuán)與極性水相存在親和力，會(huì)在巖石表面排列形成自組裝吸附層，巖石表面就會(huì)被吸附的表面活性劑分子層所覆蓋，從而由油潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂?rùn)濕。而離子型表面活性劑吸附過(guò)程除了物理吸附還與表面活性劑帶電基團(tuán)和巖石表面的靜電作用有關(guān)，通常伊利石、蒙脫石、石英、長(zhǎng)石等礦物表面帶有負(fù)電荷，方解石、白云石等表面帶有正電荷。

Chen 等[5]研究認(rèn)為，非離子和陰離子表面活性劑在帶負(fù)電荷的石英表面形成單分子層而使石英表面呈現(xiàn)水潤(rùn)濕；而陽(yáng)離子表面活性劑吸附過(guò)程中分為兩步，首先通過(guò)靜電吸引作用形成單分子層吸附，然后通過(guò)疏水作用形成雙分子層吸附，故低濃度的陽(yáng)離子表面活性劑使石英表面呈現(xiàn)油潤(rùn)濕，高濃度的陽(yáng)離子表面活性劑使石英表面呈現(xiàn)水潤(rùn)濕。

Liu 等[6]研究表明，陰離子表面活性劑AES 和AOS 可將石英、長(zhǎng)石、伊利石和蒙脫石的表面潤(rùn)濕性由油潤(rùn)濕變?yōu)樗疂?rùn)濕，而陽(yáng)離子表面活性劑CTAB 可將方解石和白云石表面潤(rùn)濕性由油潤(rùn)濕變?yōu)樗疂?rùn)濕，原因是表面活性劑和巖石表面存在靜電吸附作用。

1.1.3 表面活性劑膠束增溶 表面活性劑的濃度足夠高時(shí)可以在極性水相中形成膠束，膠束的外部是親水基團(tuán)，內(nèi)部是疏水基團(tuán)，從巖石剝離的原油由于和表面活性劑疏水基團(tuán)具有親和力會(huì)進(jìn)入膠束內(nèi)部，形成水包油的乳液，并隨水相在巖石孔隙通道中運(yùn)移，最終提高滲吸采收率[7]。

1.2 降低油水界面張力

表面活性劑降低油水界面張力可促使原油的黏附功降低，流動(dòng)性提高，原油更容易從巖石表面被剝離。但并不是油水界面張力越低越好，因?yàn)橛退缑鎻埩μ蜁?huì)導(dǎo)致毛細(xì)管力變小，而毛細(xì)管力是滲吸驅(qū)油的主要?jiǎng)恿?lái)源。

Qi 等[8]研究了表面活性劑降低油水界面張力對(duì)碳酸鹽巖的滲吸驅(qū)油效果的影響，發(fā)現(xiàn)油水界面張力為15.2mN·m-1時(shí)，采收率為6.4%，降低到10mN·m-1時(shí)，采收率可提高到10.4%，降低到0.1mN·m-1時(shí)，采收率達(dá)到最大，為20.4%。

1.3 乳化原油

表面活性劑具有很強(qiáng)的乳化原油能力，可以將油膜乳化成乳狀液滴，提高從巖石表面剝離原油的效率[9]；同時(shí)，乳化形成的乳狀液可以降低水相的流動(dòng)性，改變水相在儲(chǔ)層微小孔隙中的運(yùn)動(dòng)和分布，擴(kuò)大波及面積，提高滲吸采收率。

Saxena 等[10]通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到皂堅(jiān)果類(lèi)陰離子表面活性劑鹽溶液可以與原油形成Winsor III 型乳狀液，乳狀液可以通過(guò)混相作用從儲(chǔ)層細(xì)小孔隙中剝離原油，對(duì)提高驅(qū)油效率具有顯著作用。

1.4 增加巖石表面電荷密度

當(dāng)離子型表面活性劑吸附在巖石和原油表面時(shí)，巖石和原油的表面電荷密度增加，靜電斥力增強(qiáng)，巖石表面形成水膜更加穩(wěn)定，巖石表面的親水性變強(qiáng)。

Liu 等[3]測(cè)試表明，頁(yè)巖表面Zeta 電位的絕對(duì)值隨著陰離子表面活性劑濃度的增大而增大，相同濃度下陰離子表面活性劑對(duì)頁(yè)巖表面Zeta 電位的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非離子表面活性劑。

1.5 防止瀝青質(zhì)沉淀

表面活性劑具有抑制瀝青質(zhì)沉淀和穩(wěn)定原油中的瀝青質(zhì)的能力，防止瀝青質(zhì)沉淀堵塞儲(chǔ)層基質(zhì)中微小孔隙而降低采收率，阻礙瀝青質(zhì)沉淀所導(dǎo)致的巖石潤(rùn)濕性由水潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蠞?rùn)濕甚至油潤(rùn)濕，但表面活性劑并沒(méi)有清除巖石表面已經(jīng)沉淀瀝青質(zhì)的能力[11]。

Gupta 等[12]研究表明，非離子表面活性劑抑制瀝青質(zhì)沉淀的能力優(yōu)于陰離子表面活性劑，非離子表面活性劑對(duì)Lyons 砂巖和Eagle Ford 頁(yè)巖的滲吸采收率比陰離子表面活性劑分別高0.7%和7.2%。

2 傳統(tǒng)表面活性劑滲吸驅(qū)油

2.1 陽(yáng)離子表面活性劑

陽(yáng)離子表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑，具有耐溫性較好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其與二價(jià)離子對(duì)表面帶正電荷的碳酸鹽巖通常表現(xiàn)出協(xié)同增效的滲吸驅(qū)油性能，而對(duì)表面帶負(fù)電荷的頁(yè)巖、砂巖吸附損失較大，實(shí)用性較差。

Shahbazi 等[13]研究了十六烷基三甲基氯化銨鹽溶液對(duì)白云石的滲吸驅(qū)油性能，當(dāng)其濃度為300mg·L-1時(shí)，可以將白云石表面接觸角從140°降至32°，與鹽水驅(qū)替相比滲吸采收率可提高7.95%。Hosseini 等[14]研究表明，十二烷基三甲基溴化銨（C12TAB）與Ca2+、Mg2+二價(jià)離子的協(xié)同驅(qū)油性能優(yōu)于一價(jià)離子，C12TAB 的鹽溶液可以將碳酸鹽巖接觸角從90°降低到14°，而不含二價(jià)離子的C12TAB溶液僅能將接觸角從90°降低到71°。

2.2 陰離子表面活性劑

陰離子表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑，具有界面活性高、耐溫性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于其表面帶有負(fù)電荷，通常適用于頁(yè)巖、砂巖等儲(chǔ)層，但其抗鹽能力較差，容易與地層中的多價(jià)陽(yáng)離子作用形成沉淀，對(duì)儲(chǔ)層造成損害。

陰離子表面活性劑主要包括硫酸鹽、磺酸鹽、羧酸鹽和磷酸鹽，針對(duì)硫酸鹽和磺酸鹽作為滲吸驅(qū)油劑的研究較多。Zhan 等[15]研究表明，質(zhì)量濃度為0.05%的十二烷基硫酸鈉鹽溶液可以將致密砂巖的接觸角從144.1°降低到66.1°，滲吸采收率較鹽溶液可提高26.5%。Li 等[16]采用1,2-癸二醇、四丁基溴化銨和環(huán)氧氯丙烷合成了1,2-癸二醇二羥丙基磺酸鹽，其可使巖石表面接觸角從100.8°降低至17.8°。

2.3 非離子表面活性劑

非離子表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑，具有乳化性能強(qiáng)、吸附損失小等優(yōu)點(diǎn)，但其存在對(duì)酸堿敏感、界面性能差、溶解性受到濁點(diǎn)影響等缺點(diǎn)。非離子表面活性劑與巖石表面的吸附屬于物理吸附，無(wú)法滿(mǎn)足巖石表面電荷密度高的應(yīng)用。

Souayeh 等[17]將脂肪醇聚氧乙烯醚H27C13-（OCH2CH2）7OH 和H27C13-（OCH2CH2）20OH 復(fù)配，形成的體系在低濃度鹽水中可以將油水界面張力降低至0.01~0.1mN·m-1，將油潤(rùn)濕的方解石表面接觸角從160°降低到34°，顯示出較好潤(rùn)濕性改變能力。Amirpour 等[18]研究表明，辛烷基酚聚氧乙烯醚TX-10 可將砂巖表面接觸角從148°降低到50°，滲吸采收率提高10%。

2.4 兩性表面活性劑

兩性離子表面活性劑同時(shí)含有陽(yáng)離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán)，具有生物降解能力強(qiáng)、耐鹽性好、可與多種表面活性劑復(fù)配等優(yōu)點(diǎn)，兩性電荷的存在使其適用于頁(yè)巖、砂巖、碳酸鹽巖等儲(chǔ)層，缺點(diǎn)是相對(duì)成本高。

甜菜堿是應(yīng)用最為廣泛的兩性表面活性劑滲吸驅(qū)油劑，根據(jù)陰離子的不同可分為羧基甜菜堿、磺基甜菜堿和硫酸鹽甜菜堿。Kumar 等[19]采用N,N-二甲基四甲胺和氯乙酸鈉合成了N,N-二甲基十四烷基羧基甜菜堿，其在80℃下耐鹽可達(dá)到20%NaCl，在219℃下熱穩(wěn)定性較好，可將油水界面張力降低至3.06×10-2mN·m-1。朱維耀等[20]研究表明，3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜堿可將巖石的接觸角從81.7°降低到24.0°，滲吸采收率達(dá)到42.1%。

3 新型表面活性劑滲吸驅(qū)油

3.1 生物表面活性劑

生物表面活性劑具有毒性低、可降解、結(jié)構(gòu)多樣化、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被作為滲吸驅(qū)油劑廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景較好。

林軍章等[21]研究表明，生物表面活性劑鼠李糖脂和脂肽具有較強(qiáng)的降低界面張力和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力，將原油從巖石表面剝離的黏附功從14.2mN·m-1分別降低到0.069 和0.016mN·m-1，滲吸驅(qū)油效率分別達(dá)到8.46%、10.07%。王晨伊等[22]利用地衣芽孢桿菌L20 代謝制備了脂肽類(lèi)表面活性劑，其可將人造砂巖表面接觸角從103.2°降低到30.9°，對(duì)砂巖的驅(qū)替采收率可提高14.18%

3.2 雙子表面活性劑

雙子表面活性劑是由兩個(gè)親水性基團(tuán)和兩個(gè)疏水性基團(tuán)組成，與傳統(tǒng)表面活性劑相比，作為滲吸驅(qū)油劑具有表界面活性更好、臨界膠束濃度更低、改變潤(rùn)濕性能更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其在超低濃度下可將油水界面張力降低至超低值，應(yīng)用潛力巨大，缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。

Hou 等[23]以三甘醇、氯磺酸、4-辛基苯酚為主要原料合成了雙子磺酸鹽，在溫度120℃、礦化度20×104mg·L-1條件下，其可將油水界面張力降低至8.75×10-3mN·m-1，將石英的表面接觸角從128°降低到31°，滲吸采收率可提高17.3%。王成文等[24]以十二胺、甲醛、甲酸、甲胺、環(huán)氧氯丙烷和氯磺酸等為主要原料制備了得到硫酸鹽-季銨鹽型兩性表面活性劑，體系的臨界膠束濃度為5.4×10-4mol·L-1，油水界面張力為1.14×10-2mN·m-1，較水驅(qū)滲吸采收率可提高11.63%。

4 表面活性劑強(qiáng)化滲吸驅(qū)油

4.1 表面活性劑復(fù)配強(qiáng)化

表面活性劑復(fù)配對(duì)實(shí)現(xiàn)降本增效方面具有重要的意義，多種表面活性劑復(fù)配既能發(fā)揮協(xié)同作用，又能實(shí)現(xiàn)降低成本。表面活性劑復(fù)配可明顯提升滲吸驅(qū)油劑的耐溫抗鹽性能，滿(mǎn)足高溫高礦化度等特殊環(huán)境的應(yīng)用。

王友啟等[25]采用十二酸二乙醇酰胺與脂肪醇聚乙烯醚硫酸鈉復(fù)配，體系可將油水界面張力降低至3×10-3mN·m-1，在高礦化度、高鈣鎂離子濃度、高溫下具有較好的界面性能，在高鈣鎂油藏具有良好的應(yīng)用前景。Jia 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，十二烷基硫酸鈉與1-十二烷基-3-甲基咪唑氯鹽復(fù)配體系可將油水界面張力從10-1mN·m-1降低到10-4mN·m-1，滲吸采收率提高16.1%。

4.2 納米粒子強(qiáng)化

納米材料與表面活性劑復(fù)合驅(qū)油對(duì)低滲超低滲儲(chǔ)層提高采收率具有重要意義，納米SiO2與表面活性劑復(fù)合驅(qū)油體系研究最為廣泛，其驅(qū)油的機(jī)理包括改變潤(rùn)濕性、降低界面張力、結(jié)構(gòu)分離壓力及密度差異[27，28]。

He 等[29]研發(fā)了由椰子油二乙醇酰胺和納米SiO2顆粒組成的超低界面張力納米流體，體系與原油的界面張力降至10-3mN·m-1，滲吸采收率與表面活性劑相比可提高16.8%。Song 等[30]采用十二烷基磺基甜菜堿和SiO2納米顆粒構(gòu)建了高效納米流體驅(qū)油體系，體系平均尺寸為58.59nm，Zeta 電位表明體系穩(wěn)定性較好，滲吸驅(qū)油效率較鹽水和十二烷基磺基甜菜堿溶液相比分別提高了20.5%和8.5%。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

（1）表面活性劑作為滲吸驅(qū)油劑可顯著提高油潤(rùn)濕儲(chǔ)層的采收率，主要基于改變巖石潤(rùn)濕性、降低油水界面張力、乳化原油、增加巖石表面電荷密度及防止瀝青質(zhì)沉淀等5 項(xiàng)機(jī)理來(lái)發(fā)揮滲吸驅(qū)油作用。

（2）表面活性劑吸附損失對(duì)高效發(fā)揮滲吸驅(qū)油性能有較大影響，其在儲(chǔ)層巖石表面的吸附過(guò)程與表面活性劑類(lèi)型、巖石巖性物性特征、巖石表面電荷類(lèi)型及密度、水相礦化度等因素有關(guān)，加強(qiáng)表面活性劑結(jié)構(gòu)、巖石與流體之間的構(gòu)效關(guān)系研究，明確表面活性劑在巖石表面的吸附特征，用于預(yù)測(cè)表面活性劑吸附損失及設(shè)計(jì)表面活性劑滲吸驅(qū)油配方。

（3）攻關(guān)生物表面活性劑、雙子表面活性劑的制備技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)兩種表面活性劑的低濃度、低成本滲吸驅(qū)油。

（4）推動(dòng)表面活性劑復(fù)配強(qiáng)化滲吸驅(qū)油技術(shù)用于高礦化高溫等惡劣儲(chǔ)層提高采收率及降本的研究及應(yīng)用；加強(qiáng)納米材料與表面活性劑復(fù)合驅(qū)油體系的配方研究并推動(dòng)其在低滲透油藏的應(yīng)用。