表面活性剂在石油开采中的应用

程东旭

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300459)

在科技驱动创新发展背景下，依托先进石油开采技术提高石油采收率已经成为石油钻探开发企业以及相关学者关注与研究的重点，而表面活性剂作为石油开采过程中应用较为广泛的添加剂，其科学运用对石油采收率的提升具有至关重要的意义。

1 表面活性剂概况

表面活性剂(surface active agent/surfactant)是一类具有亲水亲油基团的有机化合物，其分子结构主要包括“疏水基/亲油基”与“亲水基/疏油基”两部分[1]。“疏水基/亲油基”与“亲水基/疏油基”以化学键联结，可使结构、性能均不相同的基团位于同一分子上，从而使该分子具备亲水亲油性。表面活性剂普遍具有润湿/抗黏、乳化/破乳、消泡/起泡、洗涤、助悬、增溶、消毒、杀菌等理化作用与功能，通常被誉为“工业味精”，已被广泛应用于化工领域[2]。对表面活性剂进行分类，通常可分为阴离子表面活性剂(包括肥皂类阴离子表面活性剂、硫酸化物类阴离子表面活性剂等)、阳离子表面活性剂(如季铵盐阳离子表面活性剂)、非离子表面活性剂(包括脂肪酸甘油酯、聚氧乙烯型非离子表面活性剂等)、两性离子表面活性剂(如甜菜碱型两性离子表面活性剂、卵磷脂等)。

2 表面活性剂在石油开采中的应用现状

2.1 表面活性剂的应用范围

在石油开采过程中，应用表面活性剂是提升石油采收率的重要手段之一，表面活性剂已被广泛应用于钻井、采油和石油集输等作业中。

就油田钻井而言，所用到的表面活性剂主要有钻井液起泡剂、钻井乳化剂、钻井液润滑剂、泥浆消泡剂、泥浆降黏剂等。应用表面活性剂的目的在于：①增强钻井过程中井壁的稳定性，提升钻井安全水平；②进行钻屑悬浮，实现钻屑科学处理，降低钻屑对钻井质量、石油开采品质的不利影响；③实现钻井工具的有效清洗，对井底进行净化；④实现地层压力的有效平衡，为石油开采提供有价值的井下资料。例如，在钻井过程中，利用表面活性剂(起泡剂)将水基钻井液转换为泡沫钻井液，实现钻井液密度的科学调整，以减少钻井过程中井孔液柱压力，进而实现钻井效率与质量的提升，给予低压油气层一定的保障。又如，油田钻井过程中，当油井井壁存在页岩时，受其性质影响，极易发生井壁坍塌问题，为石油开采企业油田开采人员带来安全隐患，而利用表面活性剂——十二烷基三甲基氯化铵，能够改善页黏土水化现象，减少页岩黏土水化问题对井壁的不利影响，提高井壁稳定性。

就油田采油而言，所用到的表面活性剂主要有降黏剂、驱油剂、防蜡降凝剂、酸化用添加剂等。应用表面活性剂的目的主要为：改善油水界面张力，提升石油采收率；节约采油成本，提升采油质量与效率。例如，在对原油，尤其是高黏油或高凝油进行开采时，利用表面活性剂(乳化降黏剂或降凝剂)能够有效改变高黏油黏度或降低高凝油凝固点，从而提升高黏油或高凝油的开采质量与效率。又如，针对原油开采过程中存在的结蜡问题，可根据结蜡原理以及表面活性剂物理化学作用，制定原油开采防结蜡措施，减少结蜡现象的产生，控制结蜡问题对原油开采中存在的不利影响，即：利用油溶性表面活性剂转化蜡微晶表面性质，使其由非极性转变为极性，从而控制蜡的沉积，改善原油开采结蜡现象；利用水溶性表面活性剂，使蜡在结晶过程中，蜡微晶生长得到有效控制，从而改善原油开采结蜡现象。

就油田集输而言，所用到的表面活性剂主要有乳化原油破乳剂与水处理剂。应用表面活性剂的目的在于：①降低原油采收过程中，乳化原油对集输装置的不利影响，如集输装置腐蚀、损坏等；②降低采油含水量，减少污水对集输装置的不利影响，如腐蚀、结垢等，达到防垢、除油、灭菌、清理悬浮物等表面活性剂水处理目标。例如，在石油开采过程中，一次开采与二次开采所得到的原油多为 W/O型乳状液，而W/O型乳状液中不仅存在沥青质酸，也存在微晶蜡等固体颗粒。对此，可利用高分子非离子型表面活性剂(HLB值与原油乳化剂不一致)进行破乳，减少W/O型乳状液对集输装置的不利影响。与此同时，在进行三次采油时，所得到的原油以 O/W 型乳状液为主[3]。而O/W型乳状液乳化剂含水量较高，在集输过程中，容易使悬浮物质、细菌、溶解气、微生物等融入水中，增加集输装置负荷，出现集输装置结垢现象、腐蚀现象、管道堵塞现象等。对此，可利用阳离子表面活性剂，使其与 O/W 型乳状液乳化剂产生反应，达到破乳、缓蚀目的；也可在阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、分支结构阴离子表面活性剂等结合应用下，降低界面膜强度，进行油滴聚集。

2.2 表面活性剂的使用要求

在石油开采过程中，表面活性剂的运用是广泛、复杂且多变的，为提升表面活性剂应用科学性、准确性、合理性与有效性，需明确表面活性剂使用要求，在使用要求指导与规范下，进行表面活性剂类型的科学选择。基于经验归纳与总结，可知石油开采过程中表面活性剂的使用需注意以下几点：

①表面活性剂的运用能够有效降低岩石对原油的吸附，实现岩石吸附量的科学控制。

②表面活性剂的运用能够减小油水界面张力值，使其控制在0.01×10-5～0.001×10-5N/cm。

③表面活性剂的运用经济效益显著，能够为石油开采企业带来较高的经济利益。

④表面活性剂应用后的pH、溶解度等参数适宜。

⑤表面活性剂于地层介质接触之后，其扩散性较好。

⑥能够根据原油含税情况，确定驱油水平。通常含水量相对较低时，表面活性剂的驱油能力应相对较强，起到较好的原油凝聚作用。

⑦表面活性剂能够在一定程度上阻止其他化学剂应用后副反应的产生。

⑧表面活性剂能够在盐浓度较高的油层中保持稳定，具备抗高浓度盐水的能力。

⑨表面活性剂的运用需综合分析表面活性剂与其他化学剂、油层温度、注水量、地层矿物等存在的关系，保证表面活性剂应用科学，注重表面活性剂应用综合效益的提升。

2.3 表面活性剂的用法

在石油开采过程中表面活性剂的用法多种多样，以下是几种较为常见的运用方法：

①在油层注入渗吸型非离子表面活性剂、硫酸酯盐型阴离子表面活性剂等浓度小于临界胶束浓度的表面活性剂。一方面实现油水界面张力的有效降低，另一方面实现地层表面润湿性的改变，从而降低油与岩石的黏度，使油能够有效从岩石表面拉出，提高原油采收率；此外，增加油对岩石表面的润湿角，以实现亲油油层毛管阻力的有效降低，增加波及系数，达到提升石油采收率目的。我们将该方法称之为“表面活性剂水驱”。

②根据原油特征，在原油中加入适当的碱，使其与环烷酸作用，生成皂类表面活性剂，进行界面膜强度的降低，实现石油采收率的有效提升。通常情况下，将这种方法称之为“表面活性剂碱水驱”，具有投入成本低的优势。值得注意的是，在应用该方法时需根据实际情况适当加入辅助性物质，提升表面活性剂使用效果。

③根据表面活性剂存在的起泡作用，结合石油开采情况与需求，进行驱油剂科学配置。如在水驱后的地层注入氮气，氮气能够占据油孔道，将束缚在油孔道的原油转变为可流动原油；在水、氮气以及原油有机结合下，降低地层表面对原油的黏度，提升原油采收率。这种方法称之为“表面活性剂泡沫驱”。

3 表面活性剂在石油开采中的应用前景

展望未来发展，表面活性剂的应用将趋向多样化、综合化、创新化、环保化发展。例如，在保证表面活性剂使用效果有效发挥的同时，加大表面活性剂及其替代品、辅助品研发，开展低成本表面活性剂应用技术的研发。与此同时，根据石油开采流程与特征，将表面活性剂应用技术与石油开采工艺技术紧密结合，在促进表面活性剂应用技术创新发展的同时，带动石油开采工艺革新，提升石油开采质量、效率与效益。此外，根据表面活性剂特征，进行无毒、无污染表面活性剂研发，让其在实际应用中，不会对石油开采产生二次污染。

4 结 语

总之，提升石油采收率是当前石油开采企业实施可持续竞争发展的重要手段，在石油采收率提升过程中，表面活性剂的科学运用发挥着至关重要的作用。因此，在明确认知表面活性剂运用重要性的基础上，应加强对表面活性剂的研究。一方面提升表面活性剂应用的科学性、准确性、合理性、有效性；另一方面进行表面活性剂性能优化，实现表面活性剂驱工艺技术的创新，更好地服务石油开采生产。