微乳液在油氣增產(chǎn)中的驅(qū)油機(jī)理淺析＊

康園園 楊鵬舉 呂建國

（1.陜西省延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，陜西延安 716000；2.陜西省川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司第二工程項(xiàng)目部，陜西西安 710000）

1943年Hoar和Schulman意外發(fā)現(xiàn)了一種新的分散體系，并于1959年被正式命名為微乳液，自問世以來得到眾多學(xué)者的關(guān)注和研究，人們對其性質(zhì)、相態(tài)、驅(qū)替機(jī)理以及制備工藝等的認(rèn)識也很快達(dá)到一個(gè)新的高度[1-2]。經(jīng)過不斷的研究、鉆研與創(chuàng)新，大幅度地推動了微乳液的發(fā)展，微乳液目前可廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括醫(yī)藥、采油、日化品及環(huán)境保護(hù)等。我國在微乳液方面的研究起步雖晚，但自1980后經(jīng)過刻苦鉆研，在基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面也取得了一些成績[3]。我國非常規(guī)油氣資源占比較大，開采難度大，微乳液作為新興增產(chǎn)助劑，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.微乳液的類型和特點(diǎn)

1.1 類型

微乳液是由油、水、表面活性劑、助表面活性劑以及鹽五組分按一定比例混合而成的溶液體系。5種組分中任意一種組分的性質(zhì)或質(zhì)量的改變都會影響微乳液組成。表面活性劑有陰離子型、陽離子型、兩相離子型以及非離子型。類型不同、濃度不同的表面活性劑制備出來的微乳液的性質(zhì)大不相同[4]。助表面活性劑既溶于油相又溶于水相，使得助表面活性劑與表面活性劑相輔相成，能夠很好地改善微乳液體系的性能。常用的助表面活性劑有醇、醛、醚及其衍生物。

1.2 微乳液的相態(tài)

和乳狀液相比，微乳液是更為分散的體系，因而具有大界面和較高界面自由能。這一性質(zhì)使微乳液在驅(qū)油方面很有應(yīng)用前景。微乳液的相態(tài)很復(fù)雜，5種成分重點(diǎn)任意一種組分和濃度的變化都影響其相態(tài)的變化，而且它也沒有通用的狀態(tài)方程。因此體系的相態(tài)是通過實(shí)驗(yàn)來的測定的，常以相圖的形式來表示出來的。微乳液以3種相態(tài)存在，它們是上相微乳液、上相微乳液和中相微乳液。上相微乳液是指在配制微乳液的容器中上部生成了微乳液，其下部是過剩的水。下相微乳液是容器下部是微乳液，上部是過剩油。中相微乳液便是容器上部是過剩油，下部是過剩水，中部是微乳液[5-6]。

1.3 特點(diǎn)

它是自發(fā)形成，不需要外界提供能量且熱力學(xué)穩(wěn)定，分散相不容易發(fā)生聚沉。

1.3.1 液滴粒徑小

微乳液的分散相粒徑是納米級，其進(jìn)入地層后滲透性好，容易進(jìn)入微小孔隙驅(qū)替原油，提高洗油效率。

1.3.2 界面張力低

表面活性劑吸附于油水界面而降低其界面張力。但是表面活性劑在油相和水相內(nèi)部的溶解度較小，當(dāng)超過臨界濃度時(shí)，其活性劑分子會在溶液內(nèi)部形成膠束，其降低界面張力的作用有限。因此在溶液中再加入助表面活性劑后，表面活性劑和助表面活性劑協(xié)同作用，使得油水界面張力進(jìn)一步降低。因此能否大幅度降低油水界面張力是評價(jià)微乳液體系驅(qū)油效果的重要指標(biāo)之一[7-8]。

1.3.3 熱力學(xué)穩(wěn)定

按照體系能量總是自發(fā)趨于最小的原則，微乳液應(yīng)當(dāng)是熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的體系，但事實(shí)上乳狀液卻是屬于熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定體系，微乳液屬于熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定體系，這主要是微乳液中的膠束不再僅僅是活性劑蒂合體，而是在活性劑中間插入了助劑的膠束，助劑與活性劑定向排列在界面形成的混合膜是微乳液能夠穩(wěn)定的原因[9]。

實(shí)驗(yàn)表明，微乳液長時(shí)間放置不會發(fā)生分層或聚沉現(xiàn)象，即使被離心也不會破乳。

1.3.4 增溶能力較強(qiáng)超低界面張力與微乳液體系高的增溶油和增溶水的能力有關(guān)。微乳液能夠溶解各種重質(zhì)烴組分，如瀝青、石蠟等還能溶解井底污垢、地層微粒等物質(zhì)，具有較強(qiáng)的溶解能力，兼具洗井的效果。

2.微乳液的增產(chǎn)機(jī)理

2.1 降低油水界面張力

界面張力的大小反映了界面能量的大小。界面張力越低，兩相之間越容易發(fā)生混相。微乳液中的表面活性劑可以大幅度降低油水的界面張力，提高洗油效率。對于油濕油藏注入合適的微乳液體系，可以使得巖石表面由親油性向親水性轉(zhuǎn)變，巖石的水濕程度增強(qiáng)，可以進(jìn)一步驅(qū)替不被動用的原油[10]。

2.2 增溶能力

盲端中的剩余油很難被開采的原因是它幾乎不受驅(qū)替壓差的，通常水驅(qū)時(shí)這部分剩余油只受到一個(gè)切向的拉力，因此很難被動用。當(dāng)微乳液注入后部分剩余油在微乳液的增溶作用下與水互溶形成乳化油滴而被驅(qū)替出去。

2.3 改善流度比

微乳液的粘度是水的粘度的數(shù)倍，因此相較于水驅(qū)，微乳液驅(qū)的油水流度比大幅度降低，這可以減弱驅(qū)油過程中的指進(jìn)現(xiàn)象，提高波及系數(shù)。

3. 微乳液的微觀驅(qū)油機(jī)理

將微乳液自注入井注入后注入端的流體逐漸和微乳液混合形成混相段塞，并向油層深部發(fā)展，在其前方形成一個(gè)過渡帶，在此過渡帶上兩相共存，流體組成逐漸由混相段塞向地下原油過渡。因此存在較低的界面張力，殘余油變得易于流動，過渡帶內(nèi)發(fā)生混相排驅(qū)后，流動的殘余油在過渡帶前方的孔隙中聚集，形成一個(gè)高含油飽和度帶。隨著排驅(qū)的進(jìn)行，高含油飽和度帶被后面的流體向前推進(jìn)，繼續(xù)增溶前方的殘余油，因而高含油飽和度帶尺寸不斷加長，此時(shí)采油端只有水采出，當(dāng)高含油飽和度帶突破油井時(shí)開始產(chǎn)油[11]。

由此可以看出，如果微乳液驅(qū)僅能將殘余油驅(qū)走但是不能形成高含油飽和度帶也起不到增產(chǎn)的目的。因此只有殘余油聚集起來并形成一定飽和度的油帶，并且油帶突破采油端后生產(chǎn)時(shí)間足夠長才是具有價(jià)值的3次采油。

4. 微乳液的制備

微乳液的制備較為簡單，一般有2種方法，即Schulman法和Shah法。

（1）Schulman法。按特定比例將水、油和表面活性劑混合，然后逐漸向混合溶液內(nèi)加入助表面活性劑，當(dāng)體系的顏色由渾濁變?yōu)橥该骰虬胪该鲿r(shí)微乳液便形成了。改變各組分的種類和含量，微乳液的類型也會相應(yīng)發(fā)生變化。

（2）Shah法。按特定比例將油、表面活性劑和助表面活性劑混合，然后向混合溶液中逐漸加水，當(dāng)體系中開始變得透明時(shí)油包水型的微乳液形成了。水的增加會引起微乳液結(jié)構(gòu)的變化，隨著水的含量的增加會變成雙連續(xù)型微乳液，最后又向著水包油型轉(zhuǎn)變[12]。

目前微乳液各組分及其含量之間的匹配關(guān)系的方法中最常用的方法是HLB法和鹽度掃描法。

（1）HLB。HLB值是衡量表面活性劑是親油還是親水的重要指標(biāo)，當(dāng)HLB值在4～7時(shí)，會形成油包水型微乳液，當(dāng)HLB值在9～20時(shí)，會形成水包油型微乳液。非離子型表面活性劑的HLB值較低，而且溫度對其影響極大，因此在實(shí)驗(yàn)前需固定實(shí)驗(yàn)溫度，通過改變親水基和親油基得到多需要的HLB。

（2）鹽度掃描法。鹽度不同時(shí)微乳液的相態(tài)也會不同。當(dāng)混合物中鹽度較低時(shí)得到的是下相微乳液，隨著鹽度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹邢辔⑷橐海^續(xù)增加鹽度，最后變?yōu)樯舷辔⑷橐骸?/p>

當(dāng)微乳液進(jìn)入油層后與地下流體接觸，油水性質(zhì)必然影響微乳液，配制微乳液盡可能采用處理層的油和水。由于微乳液體系比較昂貴，為降低微乳液中表面活性劑在油層壁面上的吸附，在注入前注入含有犧牲吸附劑的預(yù)沖洗液，不過預(yù)沖洗液的消耗量較大，而且不容易獲得預(yù)期的效果，所以設(shè)計(jì)預(yù)沖洗液要慎重[13]。

從技術(shù)上來說，微乳液段塞尺寸應(yīng)該保證它的前后緣退化后能采出全部二次殘余油，但是過大的段塞是不經(jīng)濟(jì)的。因此微乳液段塞設(shè)計(jì)必須將技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)效益結(jié)合起來。

5. 微乳液的應(yīng)用

微乳液最初應(yīng)用于3次采油，由于其表面活性劑能大幅度降低油水界面張力，從而動用大量剩余油而使得油井增產(chǎn)，因此是較為有效的化學(xué)驅(qū)油劑。

通常將微乳液驅(qū)和聚合物驅(qū)結(jié)合起來，微乳液注入后再注入聚合物，這樣在微乳液段塞和后續(xù)水之間存在一個(gè)有利的流度比，聚合物可以保護(hù)微乳液段塞后緣免遭后續(xù)注入水的指進(jìn)破壞，將聚合物帶稱為緩沖帶，其可以保護(hù)微乳液段塞的穩(wěn)定[14]。該技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段，還沒有在整個(gè)油田范圍內(nèi)進(jìn)行過工業(yè)性應(yīng)用。國外進(jìn)行的油田試驗(yàn)已有幾百個(gè)，但是都是小面積的先導(dǎo)性試驗(yàn)，除個(gè)別試驗(yàn)外，多數(shù)在淺油層中試驗(yàn)。

殷代印等近年來針對微乳液在低滲透油藏提高采收率開展了一系列研究，取得了一定成果，但由于其成本較高，適用于現(xiàn)場的驅(qū)油體系有限，沒有大規(guī)模應(yīng)用[15]。

微乳液能夠較好地溶解有機(jī)化合物，可以降低原油的黏附功，促使原油從地層壁面脫落，因此采用微乳液浸泡油井，能夠緩解地層堵塞現(xiàn)象，提高地層滲透率，降低注入井的注入壓力，增大油氣產(chǎn)能。

6.結(jié)語

微乳液具有多種優(yōu)勢性能，國內(nèi)外關(guān)于微乳液的研究也不勝枚舉，但是應(yīng)加強(qiáng)它在非常規(guī)油氣方面的應(yīng)用研究，使其有更廣闊的的應(yīng)用前景。