表面活性劑在提高油田采收率中的應用

于宏博

（大慶油田設計院有限公司，黑龍江大慶 163712）

隨著近年來經(jīng)濟的快速發(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階段：①在地層內部壓力作用下以自噴方式開采的一次采油階段，這個階段也是最容易開采的階段，采出率約占總儲量的20%；②依靠注水或注氣來提高地層壓力的二次采油階段，這個階段通常可以獲得30%左右的采收率；③為了有效動用地層中剩余的60%～70%的儲量，學者們又提出了依靠化學驅、微生物驅、混合驅等更先進的技術手段進行的三次采油階段，其中化學驅中的表面活性劑驅油技術是目前發(fā)展最快最有潛力的研究方向。因此表面活性劑驅油技術是開發(fā)難采儲層的有效技術手段之一。本文綜述了不同表面活性劑的特點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和親油基團組成的具有兩親特性的有機化合物，已經(jīng)在石油工程領域得到了廣泛的應用。表面活性劑主要通過四個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層巖石的表面接觸角。表面活性劑進入儲層后通過降低地層孔隙的毛細管力使油滴更容易被開采出來，從而提高了低滲透儲層的采收率。20世紀40年代國外學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兩位學者通過實驗分別證實了界面張力和原油采收率之間的關系，認為當表面張力小于10-3mN/m時，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算原油采收率有重要的參考價值。

1.2 改變潤濕性

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

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行乳化后，可以大幅降低稠油黏度，從而減少運輸成本。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阻力，使原本難以開采的儲層原油被驅替出來從而提高采收率。

2 三次采油用表面活性劑研究進展

20世紀20年代，國外學者研究發(fā)現(xiàn)加入木質素亞硫酸鹽等表面活性劑可以提高原油采收率，因為表面活性劑具有兩親結構，通過降低界面張力等作用使儲層孔隙中原本不易流動的原油變得易于流動，從而在驅替壓力的作用下更容易的被采出。從20世紀60年代開始，表面活性劑的合成成為研究的熱點，相關的評價手段和實驗方法也逐步被開發(fā)出來。我國20世紀80年代的三元復合驅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該具有以下優(yōu)點：①有效降低界面張力；②較少的被地層吸附并能適應復雜的儲層工況；③價格較為便宜。

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，目前已經(jīng)被廣泛應用于提高油田采收率的相關作業(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油效果較差。

20世紀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的增加會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、工藝相對復雜，所以成本相對較高，限制了它在提高采收率領域的應用規(guī)模。

為了進一步提高陰離子表面活性劑的抗鹽能力，國內外學者重新進行了分子設計，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是將非離子的氧乙烯基團插入到疏水鏈中，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通過烷氧基化反應在脂肪醇上引入環(huán)氧化合物，然后再引入陰離子基團來合成陰-非離子表面活性劑，并通過調整聚合度來改變產(chǎn)物抗溫和抗鹽能力，滿足不同工況下的驅油需要。中國石油、中國石化和大連理工大學等國內機構也先后進行了陰-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)品最高抗溫達到100℃，在中原油田高礦化度地層應用，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)領域的研究應用較為廣泛，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90年代Milter等的研究結果表明：隨著碳鏈的增長，陽離子表面活性劑的潤濕能力加強，但當使用濃度低于CMC濃度時，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。但是因為其成本較高、用量較大，限制了在油田三次采油領域的大規(guī)模應用。

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離子和形成超低表面活性的能力，20世紀70年代就被應用到三次采油中。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。東北石油大學的XIA等研究了甜菜堿類表面活性劑在微觀條件下的驅油效果，并證實其可以通過進一步驅替殘余油來提高采收率。甜菜堿型表面活性劑的主要缺點是與儲層巖石之間的靜電引力較大，造成其大量吸附，影響驅油效果，所以如何解決這一缺點也是相關學者急需攻克的技術難題。

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用于三次采油領域的表面活性劑。該類表面活性劑的性能較為穩(wěn)定，具有較好的抗高價鹽能力，但由于非離子表面活性劑具有濁點效應，通常不能用于高溫儲層。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，但仍然不能在高溫儲層中應用。

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，巖心驅替實驗證實該種表面活性劑可以使采收率提高20.5%?，F(xiàn)有的研究結果表明，高分子表面活性劑具有低毒和高效的特點，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，如何使其更好地應用于三次采油領域，仍是國內外學者需要研究的問題。

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)再生的綠色化學品。錢濤等在大慶和勝利油田進行相關的現(xiàn)場應用正式，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，相應的工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模較小，導致成本偏高，目前生產(chǎn)總量僅占全部表面活性劑總量的2%左右，在三次采油領域的應用則更少，有待于進一步研究和推廣。

2.7 復配表面活性劑

由于地下儲層的環(huán)境差異性較大，儲層構造也千差萬別，現(xiàn)場往往會出現(xiàn)實際驅油能力于與實驗室測試能力，在使用單一表面活性劑的情況下這種問題更為明顯。因此，相關學者在研發(fā)新型表面活性劑的同時，嘗試進行已有表面活性劑的復配，實驗發(fā)現(xiàn)部分復配的表面活性劑體系具有一定的協(xié)同效應，具有更好的驅油效果。

2.7.1 陰-陰離子表面活性劑

20世紀90年代，國內首次研究了石油磺酸鹽和聚氧乙烯壬基苯酚醚乙酸鹽復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合體系后，可以在提高驅油效果的同時，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行復配，發(fā)現(xiàn)體系表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用，復配后的體系能顯著降低表面張力，抗高價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行復配，發(fā)現(xiàn)復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、抗高價鹽的特性，其和陰離子表面活性劑復配也可以產(chǎn)生良好的驅油效果。王亞偉等將聚氧乙烯壬基酚醚和SDS組成復配體系，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鹽效果。孫志斌等研究了陰-非離子表面活性劑復配體系在地層中的吸附效果，研究發(fā)現(xiàn)吸附效應的存在使驅油效果大幅度降低，但該復配體系可以減少表面活性劑在地層中的吸附效應。

3 結束語

1）表面活性劑驅油技術是開發(fā)難采儲層的有效技術手段之一。隨著難采儲層的進一步開發(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，應該進一步加大研發(fā)力度和推廣應用規(guī)模。

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