聚表劑驅油技術研究現狀與發展趨勢

劉帥，白崇高，蒲春生，3，白云，姬志賢，劉靜

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2.延長油田股份有限公司靖邊采油廠，陜西 榆林 719000；3.延安中石大油氣工程技術服務有限公司，陜西 延安 716000)

國外油田多以海相沉積相為主，而我國油田多以陸相碎屑巖沉積相為主，具有地層孔隙度與滲透率低且儲層非均質性復雜的特點，因此對我國油田開發生產造成了很大的困難；并且我國的多數油田目前處于高含水和高采出程度階段，產量呈現出不同程度的遞減，開發效果差，開采成本大[1-2]。針對這些問題，我國的采油技術先后經歷了一次采油、二次采油以及三次采油來滿足不同階段的油田開發需求，其中化學驅是目前三次采油技術中提高采收率的主要手段。

1 油用聚表劑的提出

1.1 傳統的化學驅技術

1.1.1 聚合物驅 主要通過溶解后來增加驅替液的粘度，改善水油流度比來提高驅油波及系數。目前常用的水溶性聚合物主要分為兩類，一類是人工合成的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，因成本較低，增粘效果明顯而被廣泛使用，但卻不耐高溫，在較深地層中無法使用；另一類是生物聚合物黃原膠，具有抗鹽性能好、抗剪切性能好以及在地層中的吸附損失量小的優點，但其注入性差，成本高，不耐高溫且只有粘性沒有彈性使得無法大范圍推廣使用[3]。

1.1.2 堿水驅 利用原油中的酸組分與堿水進行反應，生成表面活性劑鹽類物質，再通過生成物來降低油水界面張力，減小油流阻力。

1.1.3 表面活性劑驅 該方法通過改變巖石潤濕性和毛細管現象產生的負面因素來提高洗油效率，但對地層條件的要求較為苛刻，包括地層水的礦化度、地層的溫度、滲透率以及巖性等，以避免表面活性劑的損失而影響驅油效果。

1.1.4 二元復合驅油 分為堿-表面活性劑驅(AS)和表面活性劑-聚合物驅(SP)，前者的驅油效果取決于原油中的含酸量，后者雖綜合了聚合物驅和表面活性劑驅各自的優點，但在高溫、高礦化度地層中卻很難投入使用。

1.1.5 三元復合驅油 即堿-表面活性劑-聚合物驅(ASP)，雖然通過使用價格便宜的堿代替了部分表面活性劑，降低了驅替成本，但同時也由于堿的使用，使得地層中的結垢現象嚴重，堵塞管道和地層孔隙；在驅替過程中還會在多孔介質中發生“色譜效應”[4]，影響驅油效果。

1.2 新型聚合物的研究方向

對傳統聚合物進行改良優化的主要有以下原因，一方面是由于在上述幾種傳統的化學驅方法中，聚合物驅表現出最為經濟有效的發展前景，適合在很長一段時間內進行大范圍推廣使用;另一方面是為解決在一些較為復雜地層中會出現注入的聚合物溶液與地層適應性差以及注入能力低等問題，通過對聚合物分子進行結構層次上的改造來提高其注入性能，且這項技術發展已較為成熟。其改造思路主要是通過對聚合物分子鏈的改造來提高聚合物的注入性能：在一級結構層面上引入耐溫、耐鹽、耐水解等活性基團，二級結構層面上增加分子鏈的剛性，三級結構層面上通過分子間作用形成超分子結構。目前研究的新型聚合物主要包括梳形聚合物、疏水締合聚合物、耐高溫、耐高鹽單體共聚物以及兩性聚合物的研究[5]。

1.3 新型驅油劑——聚表劑

傳統化學驅所使用的驅油劑已不能夠滿足當下提高采收率的需求，在對傳統驅油劑進行改性的基礎上，聚表劑作為近年來新興發展起來的一種高效驅油劑，利用分子間相互作用的分子設計思想，將某些專用的活性物質官能團接枝到柔性的聚合物分子鏈上，從而設計出有針對性的驅油劑分子，故其又稱多元接枝聚表劑或功能型聚合物表面活性劑(以下簡稱聚表劑)[6]。相比三元復合驅油，聚表劑可以在不用堿的條件下，綜合了聚合物驅和表面活性劑驅二者的優勢，屬于集增粘、乳化于一體的一元驅。

2 聚表劑特性、驅油機理及其礦場應用

2.1 聚表劑的特性

在傳統驅油技術中，各大油田常以加聚合物和表面活性劑(提高波及系數和洗油效率)這兩種途徑來提高采收率，而聚表劑綜合了二者的優勢，與傳統驅油劑相比，具有明顯的優越特性。

2.1.1 降低界面張力 普通聚合物不具有表面活性，但聚表劑由于對其結構上的改變而賦予其特有的表面活性，在親水基團和疏水基團的作用下，體系的油水界面張力趨于降低。

2.1.2 更穩定的乳化特性 與一般表面活性劑不同，聚表劑的乳化原油性能是依靠其長鏈結構來包裹油滴，再借助長鏈上嫁接的表面活性劑發揮作用。相比單個表面活性劑分子吸附在油水界面使原油乳化，聚表劑依靠其在水中形成的特有的三維空間結構來包裹油滴，形成的界面保護膜更牢固，能夠有效阻止油滴聚集。

2.1.3 更強的增粘效果 普通的聚合物HPAM溶液，其分子鏈在靜電斥力的作用下更加舒展，分子結構呈現無規則的空間立體網絡結構；而聚表劑分子由于在其分子側鏈上嫁接了不同的活性基團，之間會發生分子間與分子內的交聯反應，使分子鏈更加舒展，并且分子結構呈現片-網狀三維空間結構。相比普通聚合物HPAM溶液，聚表劑分子在水溶液中的分子結構體積更大，形成的分子線團平均尺寸更大，故表現出更強的增粘性能，可以更有效地改變水驅油過程中的水油流度比。

2.1.4 耐溫抗鹽性能大幅度提升 當地層水礦化度較高時，普通HPAM分子鏈上的電荷會被溶液中的離子屏蔽，離子間的靜電斥力作用減弱，溶液中的電解質會壓縮分子鏈上水化膜的雙電子層，使分子鏈蜷縮，在宏觀上表現出粘度降低的效果，即表現出不耐鹽性；且溫度升高，聚合物分子運動速度加快，導致長鏈分子的形態和結構發生改變，即表現出不耐溫性。而聚表劑分子由于其非極性側鏈在溶液中不電離出離子，故其具有較好的耐鹽性能，同時還可以通過適當地引入較長側基或環狀結構來提高驅油劑的耐溫性。

2.1.5 具有抗生物降解，抗氧化降解能力 普通聚合物在有氧的條件下表現出粘度下降的特性，主要是由于氧氣的存在使得聚合物分子鏈發生部分斷裂，導致粘度下降。而聚表劑由于特殊的分子結構，能夠起到較好的抗生物降解以及抗氧化降解能力，因此聚表劑溶液的配制可使用采油污水進行配制，是一種對環境友好型的新型驅油劑。

2.2 聚表劑的性能評價

目前我國對油用聚表劑的研究主要集中在聚表劑分子結構、基本性質以及驅油機理這幾個方面，在聚表劑合成方面鮮有報道，且目前仍處于現場試用階段。

2.2.1 分子結構表征 冉法江[7]通過對聚表劑特征官能團研究，提出聚表劑是以丙烯酰胺為基礎且含有苯環結構和EO鏈的改性產物；閆麗萍[8]對聚表劑的分子結構特點做出詳細闡述，即具有分子自組裝行為的有序性，接枝改造后的雙親性和快速互溶性，抗鹽、抗氧化降解和抗生物降解的特性，形成超大分子網狀結構對原油的乳化增溶性能；牛麗偉等[9]認為聚表劑的分子側鏈上由于嫁接了活性基團，可在水溶液中發生大規模的交聯反應，與聚合物以及Cr3+聚合物凝膠相比較，其分子形態呈現片-網狀結構，分子線團尺寸最大，分布最分散。

2.2.2 降低界面張力評價 王猛[10]、高天怡[11]認為聚表劑分子鏈上的活性基團使聚表劑溶液具有一定的降低界面張力的能力，可顯著提高洗油效率，但由于具有較多的長支鏈結構，其降低油水界面張力的能力稍弱于普通表面活性劑。

2.2.3 增粘效果評價 姜祥成[12]、崔佳興等[13]均認為聚表劑的最佳增粘效果存在臨界濃度與臨界礦化度，且臨界濃度前后聚表劑溶液中的主導增粘機理不同，同時實驗結果也表明聚表劑溶液的耐溫性和粘度穩定性均優于普通聚合物溶液。李梅[14]通過開展聚表劑的乳化增粘特性研究，得出當聚表劑濃度>1 200 mg/L時，粘度增幅可達到50%，增粘效果明顯；陳楠對海博聚表劑的性能進行評價研究，提出海博聚表劑具有高效的增粘能力和長期的穩定性。

2.2.4 乳化性能評價 張興光[15]、陳成等[16]研究了功能型聚表劑對原油乳化性能的影響，陳成認為聚表劑水溶液呈現彈性的三維網狀結構，這些結構能夠將原油捕集其中，阻止了油滴的聚并。隋彥芬[17]通過對聚表劑乳狀液特性進行研究得出，含水率會使乳狀液的類型和粘度發生突變，而剪切對聚表劑乳狀液的穩定性影響較小。付國強[18]以室內實驗證明了聚表劑不僅具有良好的注入性能，且在HD1801-1型聚表劑作用下所形成的乳狀液經剪切后粘度保留率仍可達52.1%。

2.2.5 注入性能評價 李靜[19]、趙利等[20]對聚表劑的注入性能進行研究得出聚表劑具有較高阻力系數和殘余阻力系數。李丹等[21]認為聚表劑驅比普通的聚合物驅具有更好的注入性能，且剖面調整作用強，能夠改善薄差油層的原油流動狀況。

2.3 聚表劑的驅油機理

韓偉寧等[22]認為聚表劑主要通過黏彈機理、乳化增溶機理以及調控油水流度比來提高原油采收率。龔亞[23]以微觀驅油機理的實驗結果表明，聚表劑能夠有效地封堵高滲透層起到調剖作用，并在驅替過程中對原油表現出很強的拖拽能力。王貴江[24]、于倩男等[25]認為聚表劑主要通過流度控制能力與乳化封堵能力來實現對原油的驅替，且流度控制能力對原油的驅替效率要遠大于其洗油效率對提高采收率的貢獻。

2.3.1 增粘性驅油機理 聚表劑分子在水溶液中的超大分子結構賦予了聚表劑對水較強的稠化特性，而聚表劑對油的粘度幾乎沒有影響，在驅替過程中可以很好地控制水油流度比，進而增大波及系數。

2.3.2 黏彈性驅油機理 張宏方[26]通過實驗室巖心驅替實驗表明了殘余油是被聚合物溶液“拉”出來的，而不是“推”出來的，證實了聚合物溶液的黏彈性驅油機理。聚表劑是對聚合物分子的嫁接改造，同樣具有黏彈性驅油機理。在增加驅替液粘度的同時，也能夠對水驅后形成的柱狀、簇狀、膜狀以及盲端狀殘余油進行有效的“拽”“拉”驅替。即達到了在改善水油流度比的同時也減少了殘余油飽和度的目的，進而提高采收率。

2.3.3 乳化增溶驅油機理 一般表面活性劑分子通過在油水界面上的定向吸附，可形成水包油型乳狀液或油包水型乳狀液，從而阻止液滴聚集。在一定的表面活性劑濃度下，表面活性劑分子緊密的排列在油水界面上，親水基伸向水相，親油基留在油相中，能夠有效地降低界面張力并乳化原油。而聚表劑由于其網狀的空間結構能夠形成巨大的吸附腔來包裹油滴，形成的界面保護膜更加牢固，乳液穩定性更好，增溶原油能力更強；同時在聚表劑強的增粘作用下，驅替液粘度增加，能夠有效抑制乳液的分層與乳液液滴的聚集。

2.2.4 潤濕反轉驅油機理 對于水濕性巖石，毛管力是水驅油的動力，而對于油濕性巖石，毛管力是水驅油的阻力。故改變巖石潤濕性是水驅油過程中提高原油采收率的一個重要因素。表面活性劑通過在巖石表面的吸附能夠有效地改變巖石潤濕性，并起到降壓增注的效果。通過在聚表劑分子結構上引入季銨鹽等表面活性劑單元，降低原油對巖石的吸附作用，提高洗油效率。

2.4 聚表劑的應用

聚表劑作為近年來一種新型的驅油劑，雖然目前的大多數研究停留在實驗室研究階段，但仍有部分油田對聚表劑進行了現場投入試用，如大慶油田[27]、河南油田[28]、長慶油田[29]等。其使用的現場資料表明，聚表劑在驅油過程中表現出獨特的粘彈性與乳化增溶性效果，使得采出液中的含水率極大降低，原油采收率得到很大程度上的提高。例如在大慶油田杏五試驗區，截至2011年3月底，使用聚表劑驅替的采油井其含水率最大可下降68%左右，原油采收率最大可提高18.6%左右。

但聚表劑在一些低滲透油藏中的使用也表現出一些問題，由于其在水溶液中形成的超大分子網狀結構，在增大驅替液粘度的同時也會封堵一些低滲透層孔隙，導致儲層滲透率下降，需要注入一定的化學劑進行解堵。目前國外對于聚表劑驅替過程中出現的堵塞問題已經積累了一定的經驗，例如利用一種降解酶對堵塞地層進行調控，該方法已經開始在現場進行推廣使用，并取得了較好的效果。

3 聚表劑驅油技術發展趨勢展望

隨著全球油氣勘探開發由常規油氣向非常規油氣的進一步拓展，同時多年的化學驅技術采油已經造成了較大的環境污染以及儲層污染，這對未來的采油技術以及驅油劑研發提出了更為苛刻的要求。聚表劑作為一種新型驅油劑，有望于將來進行大范圍推廣使用。

(1)聚表劑是一種環保低污染型驅油劑。聚表劑由于具有較好的抗生物降解、抗氧化降解性能以及抗鹽性能，其溶液配制的溶劑可采用采油污水進行配制，減少對環境污染的同時也節約了大量的水資源，是一種對環境友好型的新型驅油劑。

(2)聚表劑與納米流體結合。納米驅油劑由于“尺寸足夠小”，能夠實現全油藏的波及；且本身具有強憎水強親油的特性，能夠實現智能找油。聚表劑具有較強的流度控制能力，納米流體具有較好的注入能力，二者的結合使用可以在顯著改善流度比的同時提高洗油效率，進而提高原油采收率。

(3)智能聚表劑的研發。在未來油氣勘探開發領域向智能化方向邁進的驅使下，將研發一系列的智能驅油劑，在大數據以及人工智能的背景下，以化學改性為手段，賦予驅油劑以多種功能特性，真正實現“一劑多用”的智能采油。

4 結束語

在以化學驅為主導的三次采油技術中，研究新型驅油劑是目前提高采收率的主要任務之一，包括加大對梳形聚合物、疏水締合聚合物、耐高溫、耐高鹽單體共聚物等新型聚合物的研究力度；聚表劑由于在驅油過程中表現出獨特的粘彈性與乳化增溶性能成為近年來的研究熱點，但其研究目前仍處于初級階段，應加強對聚表劑基本性質和驅油機理進行深入研究的同時，開發新型的解堵劑以解決現場試用問題，為將來的大規?，F場推廣使用奠定基礎。