表面活性劑在石油開采中的應用

程東旭

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

在科技驅動創新發展背景下，依托先進石油開采技術提高石油采收率已經成為石油鉆探開發企業以及相關學者關注與研究的重點，而表面活性劑作為石油開采過程中應用較為廣泛的添加劑，其科學運用對石油采收率的提升具有至關重要的意義。

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的有機化合物，其分子結構主要包括“疏水基/親油基”與“親水基/疏油基”兩部分[1]?！笆杷?親油基”與“親水基/疏油基”以化學鍵聯結，可使結構、性能均不相同的基團位于同一分子上，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，通常被譽為“工業味精”，已被廣泛應用于化工領域[2]。對表面活性劑進行分類，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用現狀

2.1 表面活性劑的應用范圍

在石油開采過程中，應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用于鉆井、采油和石油集輸等作業中。

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。應用表面活性劑的目的在于：①增強鉆井過程中井壁的穩定性，提升鉆井安全水平；②進行鉆屑懸浮，實現鉆屑科學處理，降低鉆屑對鉆井質量、石油開采品質的不利影響；③實現鉆井工具的有效清洗，對井底進行凈化；④實現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)將水基鉆井液轉換為泡沫鉆井液，實現鉆井液密度的科學調整，以減少鉆井過程中井孔液柱壓力，進而實現鉆井效率與質量的提升，給予低壓油氣層一定的保障。又如，油田鉆井過程中，當油井井壁存在頁巖時，受其性質影響，極易發生井壁坍塌問題，為石油開采企業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象，減少頁巖黏土水化問題對井壁的不利影響，提高井壁穩定性。

就油田采油而言，所用到的表面活性劑主要有降黏劑、驅油劑、防蠟降凝劑、酸化用添加劑等。應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；節約采油成本，提升采油質量與效率。例如，在對原油，尤其是高黏油或高凝油進行開采時，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，從而提升高黏油或高凝油的開采質量與效率。又如，針對原油開采過程中存在的結蠟問題，可根據結蠟原理以及表面活性劑物理化學作用，制定原油開采防結蠟措施，減少結蠟現象的產生，控制結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化蠟微晶表面性質，使其由非極性轉變為極性，從而控制蠟的沉積，改善原油開采結蠟現象；利用水溶性表面活性劑，使蠟在結晶過程中，蠟微晶生長得到有效控制，從而改善原油開采結蠟現象。

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、結垢等，達到防垢、除油、滅菌、清理懸浮物等表面活性劑水處理目標。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、細菌、溶解氣、微生物等融入水中，增加集輸裝置負荷，出現集輸裝置結垢現象、腐蝕現象、管道堵塞現象等。對此，可利用陽離子表面活性劑，使其與 O/W 型乳狀液乳化劑產生反應，達到破乳、緩蝕目的；也可在陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、分支結構陰離子表面活性劑等結合應用下，降低界面膜強度，進行油滴聚集。

2.2 表面活性劑的使用要求

在石油開采過程中，表面活性劑的運用是廣泛、復雜且多變的，為提升表面活性劑應用科學性、準確性、合理性與有效性，需明確表面活性劑使用要求，在使用要求指導與規范下，進行表面活性劑類型的科學選擇?；诮涷灇w納與總結，可知石油開采過程中表面活性劑的使用需注意以下幾點：

①表面活性劑的運用能夠有效降低巖石對原油的吸附，實現巖石吸附量的科學控制。

②表面活性劑的運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表面活性劑的運用經濟效益顯著，能夠為石油開采企業帶來較高的經濟利益。

④表面活性劑應用后的pH、溶解度等參數適宜。

⑤表面活性劑于地層介質接觸之后，其擴散性較好。

⑥能夠根據原油含稅情況，確定驅油水平。通常含水量相對較低時，表面活性劑的驅油能力應相對較強，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劑應用后副反應的產生。

⑧表面活性劑能夠在鹽濃度較高的油層中保持穩定，具備抗高濃度鹽水的能力。

⑨表面活性劑的運用需綜合分析表面活性劑與其他化學劑、油層溫度、注水量、地層礦物等存在的關系，保證表面活性劑應用科學，注重表面活性劑應用綜合效益的提升。

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。一方面實現油水界面張力的有效降低，另一方面實現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，以實現親油油層毛管阻力的有效降低，增加波及系數，達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”。

②根據原油特征，在原油中加入適當的堿，使其與環烷酸作用，生成皂類表面活性劑，進行界面膜強度的降低，實現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”，具有投入成本低的優勢。值得注意的是，在應用該方法時需根據實際情況適當加入輔助性物質，提升表面活性劑使用效果。

③根據表面活性劑存在的起泡作用，結合石油開采情況與需求，進行驅油劑科學配置。如在水驅后的地層注入氮氣，氮氣能夠占據油孔道，將束縛在油孔道的原油轉變為可流動原油；在水、氮氣以及原油有機結合下，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”。

3 表面活性劑在石油開采中的應用前景

展望未來發展，表面活性劑的應用將趨向多樣化、綜合化、創新化、環?；l展。例如，在保證表面活性劑使用效果有效發揮的同時，加大表面活性劑及其替代品、輔助品研發，開展低成本表面活性劑應用技術的研發。與此同時，根據石油開采流程與特征，將表面活性劑應用技術與石油開采工藝技術緊密結合，在促進表面活性劑應用技術創新發展的同時，帶動石油開采工藝革新，提升石油開采質量、效率與效益。此外，根據表面活性劑特征，進行無毒、無污染表面活性劑研發，讓其在實際應用中，不會對石油開采產生二次污染。

4 結 語

總之，提升石油采收率是當前石油開采企業實施可持續競爭發展的重要手段，在石油采收率提升過程中，表面活性劑的科學運用發揮著至關重要的作用。因此，在明確認知表面活性劑運用重要性的基礎上，應加強對表面活性劑的研究。一方面提升表面活性劑應用的科學性、準確性、合理性、有效性；另一方面進行表面活性劑性能優化，實現表面活性劑驅工藝技術的創新，更好地服務石油開采生產。