表面活性剂驱油机理分析及现状研究

王威 张云宝 王楠 李彦阅 薛宝庆 那日苏 马凤春

摘      要：表面活性剂是一种高界面活性化学剂，具有降低油水界面张力的特性。应用表面活性剂驱油能够有效地提高洗油效率，实现提高采收率的目的，但据现场试验表明，表面活性剂在地下储层驱替过程中，常会出现见水快、稳油效果差等现象。在驱替过程中，表面活性剂驱油效果受到温度、矿化度、浓度、药剂类型等因素影响，且由于岩石吸附作用会造成大量表面活性剂的损失。因此，基于表面活性剂驱在油田开发上的实际效果，归纳了表面活性剂对储层物性的改善方式，分析了表面活性剂驱油及吸附的机理，针对表面活性剂驱油现状，为油田实际生产提供参考性建议。

关  键  词：表面活性剂;界面张力;储层物性;驱油现状

中图分类号：TE39       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1850-04

Abstract： Surfactant is a high interfacial active chemical agent， and has the characteristics of reducing the interfacial tension of oil and water. Surfactant flooding can effectively improve oil washing efficiency and enhance oil recovery， but according to field tests， surfactant flooding in underground reservoirs often results in rapid water breakthrough， poor oil stabilization effect and other phenomena. In the process of displacement， the effect of surfactant flooding is affected by temperature， salinity， concentration， type of reagent， and a large number of surfactants will be lost due to rock adsorption. Therefore， based on the actual effect of surfactant flooding in oilfield development， the ways of improving reservoir physical properties with surfactant were summarized in this paper， the mechanisms of surfactant flooding and adsorption were analyzed. At last， in view of the current situation of surfactant flooding， some suggestions for oilfield actual production were put forward.

Key words： Surface active agent; Interfacial tension; Reservoir physical property; Oil displacement status

随着原油需求量的日趋增长，如何高效地开发油藏成为石油科技工作者关心的问题[1]。注入水驱油方式以其技术简单、操作流程简便、投资成本较小的优势被应用于各大油田[2，3]。据研究表明，当油田进入高含水期后，水驱不能满足生产实际需要，储层中的剩余油不能合理高效地开发出来[4]。化学驱通过改变驱替相与储层流体及岩石孔隙之间的物性使得原油采收率得到大幅提高[5]。而表面活性剂作为化学驱常用药剂之一，表面活性剂性能的研究受到科研工作者得的高度重视[6]。表面活性剂是一种高界面活性的化学药剂，它可以有效的降低油水界面张力，改变储层中原油及岩石表面与水的润湿性，进而达到提高油层采收率的目的[7，8]。而表面活性剂的这些优良性能与其结构是密不可分的。大部分表面活性剂具有极性和非极性两个基团，这两个基团分别具有亲水和亲油的特性[9]，使得表面活性剂在溶液中形成疏水的效应，降低界面张力。从矿场实际效果来看，单独使用表面活性剂驱油稳油效果差、提高采收率有限，因此研究表面活性剂驱油机理尤为重要。本文针对油田上表面活性剂驱油现状，研究了表面活性剂的驱油机理，对聚合物表面活性剂复合体系及表面活性剂与其它调剖调驱剂复配体系进行机理分析，寻找表面活性剂在油田生产实践过程中的有效用途，为油田开发提供参考性建议。

1  表面活性剂相关驱油方法

1.1  表面活性剂稀体系

活性水是表面活性剂的稀释体系，其中的表面活性剂浓度小于临界胶束浓度。表面活性剂稀体系驱提高原油采收率机理如下：低界面张力机理[10]、润湿性反转机理[11];提高表面电荷密度机理;聚并形成油带机理[12]。

1.2  胶束溶液

胶束溶液也属稀表面活性剂体系，与活性水相比，胶束溶液中存在胶束，开始形成胶束的表面活性剂浓度为临界胶束浓度CMC，含有胶束的活性剂溶液称为胶束溶液。

胶束溶液驱是介于活性水驱和微乳驱之间状态的一种表面活性剂驱。为了降低胶束溶液与油之间的界面张力，在胶束溶液中，除了表面活性剂外，还需加入醇（如异丙醇、正丁醇）和（或）盐（如氯化钠）。与活性水相比，胶束溶液有两个特点：胶束的存在和醇 、盐等助剂的加入[13]。同时与活性水驱相比，胶束溶液由于胶束存在而產生了使微溶物溶解度增加的增溶机理[14]。

1.3  微乳液體系

微乳液属浓表面活性剂体系，它包括两种基本类型和一种过渡类型。基本型分别为油包水型微乳、水包油型微乳，过渡型为中相微乳[15，16]。表面活性剂的亲水性与亲油性取决于温度、油的性质、水中的电解质类别、浓度和体系中的助表面活性剂的类别、浓度、亲水部分和亲油部分等多种因素影响[17，18]。因此微乳的基本类型可在上述因素的影响下发生相互转化。此外，微乳与乳状液存在区别。对于微乳来说，油和水是增溶在表面活性剂胶束之中，所以是稳定的分散体系。对于乳状液来说，油与水间存在界面，所以是不稳定体系。微乳虽不同于乳状液，但在一定条件下，也可发生相互转化。配制微乳需用三个主要成分和两个辅助成分。三个主要成分是油、水和表面活性剂，两个辅助成分是助表面活性剂和电解质。配制微乳最好用石油磺酸盐（钠盐或铵盐），配制微乳的助表面活性剂最好用醇，也可用酚。助表面活性剂可参与胶束的形成，增加胶束的空间，增加胶束对油或水的增溶能力。配制微乳的电解质可用无机的酸、碱、盐。电解质是通过减小表面活性剂和助表面活性剂极性部分的溶剂化程度，使胶束在更低的表面活性剂浓度下就可形成，同时可使微乳与油或水产生超低界面张力。微乳可用于驱油，而微乳驱则是以微乳作为驱油剂的驱油法。

1.4  表面活性剂与聚合物复合体系

常见的表面活性剂复合体系包括S/P二元复合体系以及A/S/P三元复合体系。所谓的二元复合体系，是指表面活性剂与聚合物复配体系，而三元复合体与二元体系相比其中加入了碱。碱的存在能够与油中的有机酸反应，从而降低酸对表面活性剂的影响，而碱与表面活性剂同时存在会产生皂化反应，在二者协同作用下，使表面活性剂更好的发挥其作用。聚合物能够提高驱替相的粘度，降低驱替相与被驱替相的流度比，减弱在地层中驱油造成的指进现象，扩大了在储层中的波及体积，而碱的存在又能够有效的促进聚丙烯酰胺发生水解，相同条件下使聚合物浓度得以提升，聚合物浓度的提高能够使三元体系的粘度变大，改善提高原油采收率。当碱的浓度过高，过高的矿化度会使聚合物结构发生变化，聚合物分子在一价阳离子作用下发生变形、卷曲，使三元复合体系效果变差。

与二元体系相比，碱的存在一定程度上会使三元复合体系具备优势，但是碱在驱油过程中也会导致驱替相粘弹性发生改变，使弹性能不能够发挥良好的驱油动力的作用，从而造成采收率降低。不仅如此，碱能够使井筒产生严重的结垢现象[19]，并且对地下储层发生损害。在成本相似的条件下，二元体系凭借其较低的界面张力能够最大程度的达到三元复合体系驱油的效果，并且遏制了井筒结垢现象，最大程度上发挥出聚合物的弹性能，从而大幅提高采收率。

1.5表面活性剂同其它调剖调驱剂的复配驱油机理

据矿场试验表明，表面活性剂单独作用在储层中虽然能够起到提高洗油效率的作用，但当油田处于高含水期时，表面活性剂驱见水较快，稳油效果较差。分析认为，表面活性剂在驱替过程中扩大了过流端面，在一定程度上提高了剩余油的动用程度，但表面活性剂在驱油过程促进了优势孔道的形成，在后续水驱过程中，水将沿着表面活性剂走过的路径流动，而其它毛管孔隙及微毛管孔隙等存在较大的渗流阻力，由于较大的渗流阻力的存在，水会经由优势孔道驱替而不能将同一平面上其它孔隙中的剩余油采出，达不到矿场实际所需要的“稳油降水”的效果。

与常规表面活性剂驱油相比，复配体系不仅能达到提高微观洗油效率的目的，还能够扩大波及体积，进而提高原油采收率。随着油气开发的进展，常规砂岩油田大多进入高含水期阶段，石油工作者转而关注非常规油气藏的开发。储层非均质性严重、高温、高盐、高凝、稠油、低渗致密砂岩等非常规油气藏储层开发条件困难、开采难度大，常规聚合物及表面活性剂驱油已不能达到现场试剂的生产需求。因此，表面活性剂与其他调剖调驱剂的复配，二者通过协同作用驱油，在驱油过程中不仅能够发挥出各种调剖调驱剂的优势，也能使表面活性剂展现其良好的性能，充分发挥“驱油”和“洗油”的作用，大幅提高原油采收率。

与聚合物、聚表二元复合体系及三元复合体系相比，表面活性剂与其它调剖调驱剂复配体系适用性更强，适用范围更广。表面活性剂适应范围相对较大，而聚合物则会受到多种条件制约。现场实际开发过程中，由于矿场试验设备和地层均具有剪切作用，会导致聚合物分子受到严重的剪切，降低其性能，而表面活性剂受到剪切力影响较小，调剖调驱剂如聚合物微球，也具有良好的抗剪切能力，使储层剪切作用的影响降到最小。对于高矿化度油藏，聚合物在高矿化度条件下盐敏效应严重，会发生的卷曲，变形，使聚合物结构发生变化，降低聚合物的驱油效果。调驱体系如聚合物微球，冻胶分散体具有良好的抗盐效果，在高盐条件下依然能够发挥良好的调驱作用。在储层为高温条件时，聚合物受到温度的影响会发生机构的变化，从而改变其原有的性质，而铬离子凝胶能够利用高温条件，在储层中快速成胶，形成良好的封堵效果，达到调剖调驱的目的。当目标油藏为稠油油藏时，其它调剖调驱剂在发挥其作用的同时，表面活性剂能够较好地降低油水界面张力，降低驱替过程中的阻力系数，当注入压力小于储层破裂压力时，在加入表面活性剂之后，可以适当提高注入压力，增加储层吸液压差[20]，通过与其他调剖调驱剂共同作用，实现扩大波及体积、提高原油采收率的目的。

2  表面活性剂的影响因素

在真实储层环境中，表面活性剂会受到多种因素的限制，如温度、药剂类型、配制表面活性剂的浓度、矿化度等因素的影响[21]。不同类型的药剂受到温度、矿化度、浓度的影响均不相同，一般情况下，浓度的增加会使表面活性剂降低界面张力的效果变好，对于耐温耐盐的表面活性剂来说，温度和矿化度的增加会促进表面活性剂降低界面张力的能力。

3  抑制表面活性剂吸附损失的主要方法及其基本原理[22]

在通过多孔介质的过程中，由于岩石表面存在吸附表面活性剂分子，因此，会对表面活性剂造成损失。这种损失会导致表面活性剂在驱油过程中浓度大幅降低，使其失去原有的功用。因此，对表面活性剂吸附机理研究尤为重要。常见的表面活性剂吸附方式有以下几点：离子交换吸附;离子对吸附;氢键形成吸附; London引力（色散力）吸附;憎水作用吸附。

为减少吸附对表面活性剂产生的损失，通常在表面活性剂中加入牺牲剂。所谓牺牲剂，就是通过自身的损耗而减少对表面活性剂的吸附。常见的牺牲剂分为有机牺牲剂和无机牺牲剂，有机吸附剂以木质素磺酸盐为主，而无机吸附剂主要为酸度调节剂和电解质抑制剂。

4  结 论

（1）表面活性剂驱油过程中能够起到降低油水之间界面张力，提高洗油效率的作用，但单独应用表面活性剂驱油见水快稳油效果较差，利用二元复合体系、三元复合体系以及表面活性剂与其它调剖调驱剂复配体系能够达到扩大波及体积、提高洗油效率进而提高原油采收率的目的。

（2）表面活性剂的效果受到多种因素的影响，如温度、矿化度、药剂浓度、药剂类型等。

（3）由于岩石表面存在对表面活性剂的吸附，会造成表面活性剂的损失，通过加入牺牲剂可以减少驱替过程中表面活性剂因吸附而产生的损失。在表面活性剂产品研发过程中，应在优化其降低界面张力、乳化和改善润湿性等性能的同时，针对矿场实际储层物性和流体性质改善表面活性剂损失的问题。

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