表面活性劑在油田中的應用及展望

于浩洋，郭思汗，王精一，楊　帆，胡旭博

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶　163318；2.大慶油田有限責任公司第三采油廠第三油礦，黑龍江大慶　163310；3.海洋石油工程股份有限公司，天津　300451；4.中國石油天然氣股份有限公司管道大慶（加格達奇）輸油分公司塔河輸油站，黑龍江塔河　165200）

?

表面活性劑在油田中的應用及展望

于浩洋1，郭思汗2，王精一3，楊帆3，胡旭博4

（1.東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責任公司第三采油廠第三油礦，黑龍江大慶163310；3.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；4.中國石油天然氣股份有限公司管道大慶（加格達奇）輸油分公司塔河輸油站，黑龍江塔河165200）

摘要：表面活性劑對于油田開發(fā)有著舉足輕重的地位，其種類繁多，在油田各個方面應用十分廣泛。基于石油生產(chǎn)，本文系統(tǒng)介紹了表面活性劑在鉆井、采油及集輸三個方面的主要應用，及相應的作用原理，并對未來表面活性劑的研究發(fā)展進行歸納展望，為我國對于表面活性劑的創(chuàng)新研究提供理論基礎及新的思路。

關鍵詞：表面活性劑；油田；應用；機理

石油是工業(yè)的“血液”，是國民經(jīng)濟的命脈，而表面活性劑是油氣田開發(fā)過程中不可缺少的油田助劑。表面活性劑是由親水的極性基團和疏水的非極性基團組成的，因其能夠吸附于兩界面上提高界面活性，降低界面張力而廣泛應用于石油工業(yè)中［1］。石油生產(chǎn)主要分成鉆井、采油和集輸三個過程［2］，在上述三個過程中，油田均要借助大量表面活性劑。因此，本文主要綜述了表面活性劑在油田中的應用，并介紹了相應的作用原理，這為我國在表面活性劑方面的研究和創(chuàng)新開拓了新的思路。

1　表面活性劑在鉆井過程中的應用

具有各種功能并能滿足鉆井需要的循環(huán)流體統(tǒng)稱為鉆井液，在鉆井過程中，鉆井液的主要作用是：（1）攜帶及懸浮鉆屑；（2）穩(wěn)固井壁；（3）冷卻并清洗鉆頭及井底；（4）平衡地層壓力［3］。因此，油田中常在鉆井液中添加各種化學物質(zhì)以滿足對鉆井液的不同需求，而大部分的化學助劑與表面活性劑都有直接的關系。

1.1鉆井液用乳化劑

鉆井液用乳化劑通常包括水包油型和油包水型乳化劑，面對復雜的地層，油田有時需要配制油基鉆井液以及油包水型鉆井液；然而，有時也需要配制混油泥漿即水包油型，以提高地層溫度以及潤滑性。目前，國內(nèi)常用的且有質(zhì)量指標的乳化劑主要有以下三種：（1）主要用于油包水型鉆井液的乳化：烷基苯磺酸鈣，其HLB值小于7；（2）主要用于油包水型鉆井液的乳化及深井泥漿的高溫穩(wěn)定劑：Span-80（失水山梨醇油酸酯），其HLB值為4.3；（3）主要用于深井水包油型鉆井液的乳化：聚氧乙烯烷基苯酚，主要有OP-4、OP-7等，其HLB值均大于8。

鉆井液對乳化劑的要求：（1）穩(wěn)定周期較長；（2）起泡性較弱，以免引起鉆井液密度變化；（3）能適用于各種水質(zhì)；（4）能滿足井溫和壓力的要求。

1.2鉆井液用起泡劑

起泡劑即為表面活性劑的一種，在水基鉆井液中加入起泡劑，可以使操作中混入氣體并產(chǎn)生泡沫，目的在于降低鉆井液密度，提高鉆速。目前國內(nèi)油田使用的較成熟的起泡劑主要有兩種：烷基磺酸鈉（AS）以及烷基苯磺酸鈉（ABS）。

1.3鉆井液用潤滑劑

鉆井液潤滑劑由礦（植）物油復配多種表面活性劑組成，其作用是降低泥漿和鉆頭、鉆具間的摩擦以防止黏附性卡鉆問題［4］。針對鉆井液潤滑劑的主要要求為：（1）熒光級數(shù)較低；（2）更易于分散在鉆井液中；（3）在測井方面無干擾。

1.4鉆井液用消泡劑

針對高壓油氣層或者高壓水層，為防止井噴事故，有時需要一定的鉆井密度，此時，必須加入消泡劑消除泥漿泡沫以保持泥漿的高密度。通常國內(nèi)常用的消泡劑有以下三種：（1）甘油聚醚；（2）硬脂酸鋁；（3）聚醚、硬脂酸鋁與三乙醇胺的復配物。

1.5表面活性劑在鉆井過程中的其他應用

鉆井過程中，穩(wěn)固的井壁以及防坍塌工作是相當重要的。具有這樣功能的活性劑主要有兩類：（1）低分子有機陽離子表面活性物質(zhì)，可有效降低黏土的水化程度；（2）大相對分子質(zhì)量的陽離子聚合物即為高分子表面活性劑，可以橋聯(lián)黏土顆粒，使黏土顆粒成為牢固的整體，穩(wěn)定井壁而不易坍塌。

表1　酸化用添加劑的成分及作用

2　表面活性劑種類

2.1驅(qū)油劑

目前油田的開采大多進入高含水期，因此，有60%～70%的原油只能依靠三次采油技術來開發(fā)，同時每年也耗費大量的化學劑（包括表面活性劑）［5］。配制驅(qū)油劑所利用的是陰離子和非離子型表面活性劑。陰離子表面活性劑主要有磺酸鹽型、羧酸鹽型。非離子表面活性劑目前主要為聚氧乙烯類。

2.2堵水劑

在采油過程中，堵水劑的作用是通過封堵油層的大孔道或者裂縫提高采收率。利用表面活性劑所配制的堵水劑主要有：（1）泡沫型堵水劑：主要由水、氣和起泡劑組成；（2）乳狀液型堵水劑：主要由水、油和乳化劑組成（通常使用石油磺酸鹽）；（3）沉淀性堵水劑：主要由兩種物質(zhì)進行反應生成沉淀。

2.3酸化用添加劑

油田通常利用酸處理油層以提高低滲透油層的滲透率，目的在于使油井增產(chǎn)、水井增注。酸化處理一般有兩類：（1）注入低壓酸化液，通過溶蝕作用，消除井附近地層的堵塞；（2）注入高壓酸化液，這個過程也稱為酸化壓裂。通過水力及溶蝕的共同作用壓裂地層，將地層縫隙擴大，增加滲透通道。酸化過程中所添加的與表面活性劑有關的添加劑（見表1）。

2.4降黏劑和降凝劑

隨著油田進入開采后期，原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及石蠟含量較多，因此其黏度和凝固點也相對較高。針對這類原油，如果采用化學方法開采，可以添加諸如乳化降黏劑和降凝劑的化學藥劑，通過泵的作用促使高黏原油形成黏度低的水包油型乳狀液從而被采出。一般來說，油田通常使用的降凝劑為高分子表面活性劑，其作用原理為：碳鏈和蠟共晶或者吸附蠟微晶，此時，極性基團可以抑制蠟晶的生長。

2.5防蠟劑和清蠟劑

常溫情況下，蠟為固體，在油層中，蠟會溶解在原油中。開采過程中的溫度壓力會發(fā)生變化，因此會產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象。防蠟劑的類型及作用機理（見表2）。

對于結(jié)蠟的油井、管線及設備要進行及時清理，清理的方法主要有兩種，即加熱和化學清蠟劑。其中化學清蠟劑可分為油基清蠟劑及水基清蠟劑。

表2　防蠟劑的類型及作用機理

3　表面活性劑在集輸過程中的使用

3.1破乳劑

乳化原油中含有水，因此體積增加會加重設備及管線的負荷和腐蝕程度，因此，外輸之前，需要對原油進行破乳和脫水。破乳的方法通常為電加熱法及化學法（即添加破乳劑）。破乳劑的類型、成分及作用機理（見表3）。

表3　破乳劑的類型、成分及作用機理

3.2水處理劑

油田的生產(chǎn)污水量巨大，組分也較復雜，除了含有一定量原油和雜質(zhì)外，還含有一定的無機離子及微生物等等。污水中的各類成分會腐蝕金屬設備，造成管道結(jié)垢，也會堵塞地層通道的孔隙［6］。因此，必須對污水進行相應處理達標后才可進一步利用。

污水處理中主要用到的化學添加劑有：（1）緩蝕劑：減少污水對于金屬設備及管道的腐蝕作用，按作用機理主要可分為吸附膜型、中間相型及氧化膜型緩蝕劑；（2）防垢劑：防垢劑除了磷酸鹽等無機物外，還包括一些有機磷酸鹽及特殊聚合物，這些物質(zhì)實質(zhì)上也屬于表面活性劑；（3）助凝劑：非離子型高分子表面活性劑，此類聚合物通過吸附架橋懸浮物從而聚結(jié)污水中的黏土等固體粒子隨后迅速下沉；（4）殺菌劑：有效的吸附性殺菌劑主要為季胺鹽，它可以除去油田污水中的細菌分泌物，以免堵塞地層［7］；（5）除油劑：主要分為兩類：①有分支結(jié)構(gòu)的表面活性劑，它可以用來降低乳狀液的界面膜強度；②陽離子聚合物，此類聚合物針對原油可起到架橋作用由此使油滴聚結(jié)。

4　展望

油田用表面活性劑在油田化學中占有十分重要的位置，因此，新型功能的表面活性劑的發(fā)展將進一步推動油田開采技術的發(fā)展。目前，表面活性劑呈現(xiàn)出以下幾方面的發(fā)展動態(tài)：

（1）以可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為基礎，開發(fā)綠色環(huán)保、高效穩(wěn)定、配伍性強的表面活性劑。

（2）擴大表面活性劑的原料來源從而降低各類處理劑的成本。目前，應用于油田的大部分表面活性劑均來源于石油或煤炭，然而，石油及煤炭都屬于非可再生能源。因此，對于再生能源的開發(fā)利用需要進一步探索。

（3）充分利用表面活性劑之間的協(xié)同效應，以降低產(chǎn)品的用量提高使用效果。

參考文獻：

［1］張高勇，羅希權(quán).表面活性劑市場動態(tài)與發(fā)展建議［J］.日用化學品科學，2000，23（1）：11-14.

［2］于濤，丁偉.油田化學劑［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［3］徐同臺，王奎才，門廉魁.我國石油鉆井泥漿處理劑發(fā)展狀況與趨勢［J］.油田化學，1995，12（1）：74-83.

［4］康萬利，董喜貴.表面活性劑在油田中的應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［5］趙福麟.表面活性劑在油田的應用［J］.日用化學品科學，1999，22（增刊）：10-13.

［6］史曉東.表面活性劑在水質(zhì)改善上的應用現(xiàn)狀與前景［J］.日用化學品科學，2009，32（3）：21-22.

［7］李樹斌，江萍，陳海鑫.油田水處理劑的綠色化研究進展［J］.化學工程師，2004，109（10）：22-24.

The application of the surfactant in oilfield and expectation

YU Haoyang1，GUO Sihan2，WANG Jingyi3，YANG Fan3，HU Xubo4
（1.Petroleum Engineering Institude，Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318，China；2.Oil Production Plant 3 of Daqing Oilfield Limited Company，Daqing Heilongjiang 163310，China；3.China National Offshore Oil Corp，Tianjin 300451，China；4.Daqing Branch Company in PetroChina Company Limited，Tahe Heilongjiang 165200，China）

Abstract:Surfactant has a pivotal position for the development in oilfield，whose type is various，and is very extensive in every aspect of the application in oilfield. Based on the oilfield exploitation，the paper systematically introduces the main applications and corresponding mechanisms of surfactants in drilling，oil production and gathering，which provide theoretical basis and new ideas to the innovation of the surfactant research in our country.

Key words：surfactant；oilfield；application；mechanism

中圖分類號：TE254.4

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）06-0010-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.003

*收稿日期：2016－05-17