聚表剂驱油技术研究现状与发展趋势

刘帅，白崇高，蒲春生，3，白云，姬志贤，刘静

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580；2.延长油田股份有限公司靖边采油厂，陕西 榆林 719000；3.延安中石大油气工程技术服务有限公司，陕西 延安 716000)

国外油田多以海相沉积相为主，而我国油田多以陆相碎屑岩沉积相为主，具有地层孔隙度与渗透率低且储层非均质性复杂的特点，因此对我国油田开发生产造成了很大的困难；并且我国的多数油田目前处于高含水和高采出程度阶段，产量呈现出不同程度的递减，开发效果差，开采成本大[1-2]。针对这些问题，我国的采油技术先后经历了一次采油、二次采油以及三次采油来满足不同阶段的油田开发需求，其中化学驱是目前三次采油技术中提高采收率的主要手段。

1 油用聚表剂的提出

1.1 传统的化学驱技术

1.1.1 聚合物驱 主要通过溶解后来增加驱替液的粘度，改善水油流度比来提高驱油波及系数。目前常用的水溶性聚合物主要分为两类，一类是人工合成的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，因成本较低，增粘效果明显而被广泛使用，但却不耐高温，在较深地层中无法使用；另一类是生物聚合物黄原胶，具有抗盐性能好、抗剪切性能好以及在地层中的吸附损失量小的优点，但其注入性差，成本高，不耐高温且只有粘性没有弹性使得无法大范围推广使用[3]。

1.1.2 碱水驱 利用原油中的酸组分与碱水进行反应，生成表面活性剂盐类物质，再通过生成物来降低油水界面张力，减小油流阻力。

1.1.3 表面活性剂驱 该方法通过改变岩石润湿性和毛细管现象产生的负面因素来提高洗油效率，但对地层条件的要求较为苛刻，包括地层水的矿化度、地层的温度、渗透率以及岩性等，以避免表面活性剂的损失而影响驱油效果。

1.1.4 二元复合驱油 分为碱-表面活性剂驱(AS)和表面活性剂-聚合物驱(SP)，前者的驱油效果取决于原油中的含酸量，后者虽综合了聚合物驱和表面活性剂驱各自的优点，但在高温、高矿化度地层中却很难投入使用。

1.1.5 三元复合驱油 即碱-表面活性剂-聚合物驱(ASP)，虽然通过使用价格便宜的碱代替了部分表面活性剂，降低了驱替成本，但同时也由于碱的使用，使得地层中的结垢现象严重，堵塞管道和地层孔隙；在驱替过程中还会在多孔介质中发生“色谱效应”[4]，影响驱油效果。

1.2 新型聚合物的研究方向

对传统聚合物进行改良优化的主要有以下原因，一方面是由于在上述几种传统的化学驱方法中，聚合物驱表现出最为经济有效的发展前景，适合在很长一段时间内进行大范围推广使用;另一方面是为解决在一些较为复杂地层中会出现注入的聚合物溶液与地层适应性差以及注入能力低等问题，通过对聚合物分子进行结构层次上的改造来提高其注入性能，且这项技术发展已较为成熟。其改造思路主要是通过对聚合物分子链的改造来提高聚合物的注入性能：在一级结构层面上引入耐温、耐盐、耐水解等活性基团，二级结构层面上增加分子链的刚性，三级结构层面上通过分子间作用形成超分子结构。目前研究的新型聚合物主要包括梳形聚合物、疏水缔合聚合物、耐高温、耐高盐单体共聚物以及两性聚合物的研究[5]。

1.3 新型驱油剂——聚表剂

传统化学驱所使用的驱油剂已不能够满足当下提高采收率的需求，在对传统驱油剂进行改性的基础上，聚表剂作为近年来新兴发展起来的一种高效驱油剂，利用分子间相互作用的分子设计思想，将某些专用的活性物质官能团接枝到柔性的聚合物分子链上，从而设计出有针对性的驱油剂分子，故其又称多元接枝聚表剂或功能型聚合物表面活性剂(以下简称聚表剂)[6]。相比三元复合驱油，聚表剂可以在不用碱的条件下，综合了聚合物驱和表面活性剂驱二者的优势，属于集增粘、乳化于一体的一元驱。

2 聚表剂特性、驱油机理及其矿场应用

2.1 聚表剂的特性

在传统驱油技术中，各大油田常以加聚合物和表面活性剂(提高波及系数和洗油效率)这两种途径来提高采收率，而聚表剂综合了二者的优势，与传统驱油剂相比，具有明显的优越特性。

2.1.1 降低界面张力 普通聚合物不具有表面活性，但聚表剂由于对其结构上的改变而赋予其特有的表面活性，在亲水基团和疏水基团的作用下，体系的油水界面张力趋于降低。

2.1.2 更稳定的乳化特性 与一般表面活性剂不同，聚表剂的乳化原油性能是依靠其长链结构来包裹油滴，再借助长链上嫁接的表面活性剂发挥作用。相比单个表面活性剂分子吸附在油水界面使原油乳化，聚表剂依靠其在水中形成的特有的三维空间结构来包裹油滴，形成的界面保护膜更牢固，能够有效阻止油滴聚集。

2.1.3 更强的增粘效果 普通的聚合物HPAM溶液，其分子链在静电斥力的作用下更加舒展，分子结构呈现无规则的空间立体网络结构；而聚表剂分子由于在其分子侧链上嫁接了不同的活性基团，之间会发生分子间与分子内的交联反应，使分子链更加舒展，并且分子结构呈现片-网状三维空间结构。相比普通聚合物HPAM溶液，聚表剂分子在水溶液中的分子结构体积更大，形成的分子线团平均尺寸更大，故表现出更强的增粘性能，可以更有效地改变水驱油过程中的水油流度比。

2.1.4 耐温抗盐性能大幅度提升 当地层水矿化度较高时，普通HPAM分子链上的电荷会被溶液中的离子屏蔽，离子间的静电斥力作用减弱，溶液中的电解质会压缩分子链上水化膜的双电子层，使分子链蜷缩，在宏观上表现出粘度降低的效果，即表现出不耐盐性；且温度升高，聚合物分子运动速度加快，导致长链分子的形态和结构发生改变，即表现出不耐温性。而聚表剂分子由于其非极性侧链在溶液中不电离出离子，故其具有较好的耐盐性能，同时还可以通过适当地引入较长侧基或环状结构来提高驱油剂的耐温性。

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条件下表现出粘度下降的特性，主要是由于氧气的存在使得聚合物分子链发生部分断裂，导致粘度下降。而聚表剂由于特殊的分子结构，能够起到较好的抗生物降解以及抗氧化降解能力，因此聚表剂溶液的配制可使用采油污水进行配制，是一种对环境友好型的新型驱油剂。

2.2 聚表剂的性能评价

目前我国对油用聚表剂的研究主要集中在聚表剂分子结构、基本性质以及驱油机理这几个方面，在聚表剂合成方面鲜有报道，且目前仍处于现场试用阶段。

2.2.1 分子结构表征 冉法江[7]通过对聚表剂特征官能团研究，提出聚表剂是以丙烯酰胺为基础且含有苯环结构和EO链的改性产物；闫丽萍[8]对聚表剂的分子结构特点做出详细阐述，即具有分子自组装行为的有序性，接枝改造后的双亲性和快速互溶性，抗盐、抗氧化降解和抗生物降解的特性，形成超大分子网状结构对原油的乳化增溶性能；牛丽伟等[9]认为聚表剂的分子侧链上由于嫁接了活性基团，可在水溶液中发生大规模的交联反应，与聚合物以及Cr3+聚合物凝胶相比较，其分子形态呈现片-网状结构，分子线团尺寸最大，分布最分散。

2.2.2 降低界面张力评价 王猛[10]、高天怡[11]认为聚表剂分子链上的活性基团使聚表剂溶液具有一定的降低界面张力的能力，可显著提高洗油效率，但由于具有较多的长支链结构，其降低油水界面张力的能力稍弱于普通表面活性剂。

2.2.3 增粘效果评价 姜祥成[12]、崔佳兴等[13]均认为聚表剂的最佳增粘效果存在临界浓度与临界矿化度，且临界浓度前后聚表剂溶液中的主导增粘机理不同，同时实验结果也表明聚表剂溶液的耐温性和粘度稳定性均优于普通聚合物溶液。李梅[14]通过开展聚表剂的乳化增粘特性研究，得出当聚表剂浓度>1 200 mg/L时，粘度增幅可达到50%，增粘效果明显；陈楠对海博聚表剂的性能进行评价研究，提出海博聚表剂具有高效的增粘能力和长期的稳定性。

2.2.4 乳化性能评价 张兴光[15]、陈成等[16]研究了功能型聚表剂对原油乳化性能的影响，陈成认为聚表剂水溶液呈现弹性的三维网状结构，这些结构能够将原油捕集其中，阻止了油滴的聚并。隋彦芬[17]通过对聚表剂乳状液特性进行研究得出，含水率会使乳状液的类型和粘度发生突变，而剪切对聚表剂乳状液的稳定性影响较小。付国强[18]以室内实验证明了聚表剂不仅具有良好的注入性能，且在HD1801-1型聚表剂作用下所形成的乳状液经剪切后粘度保留率仍可达52.1%。

2.2.5 注入性能评价 李静[19]、赵利等[20]对聚表剂的注入性能进行研究得出聚表剂具有较高阻力系数和残余阻力系数。李丹等[21]认为聚表剂驱比普通的聚合物驱具有更好的注入性能，且剖面调整作用强，能够改善薄差油层的原油流动状况。

2.3 聚表剂的驱油机理

韩伟宁等[22]认为聚表剂主要通过黏弹机理、乳化增溶机理以及调控油水流度比来提高原油采收率。龚亚[23]以微观驱油机理的实验结果表明，聚表剂能够有效地封堵高渗透层起到调剖作用，并在驱替过程中对原油表现出很强的拖拽能力。王贵江[24]、于倩男等[25]认为聚表剂主要通过流度控制能力与乳化封堵能力来实现对原油的驱替，且流度控制能力对原油的驱替效率要远大于其洗油效率对提高采收率的贡献。

2.3.1 增粘性驱油机理 聚表剂分子在水溶液中的超大分子结构赋予了聚表剂对水较强的稠化特性，而聚表剂对油的粘度几乎没有影响，在驱替过程中可以很好地控制水油流度比，进而增大波及系数。

2.3.2 黏弹性驱油机理 张宏方[26]通过实验室岩心驱替实验表明了残余油是被聚合物溶液“拉”出来的，而不是“推”出来的，证实了聚合物溶液的黏弹性驱油机理。聚表剂是对聚合物分子的嫁接改造，同样具有黏弹性驱油机理。在增加驱替液粘度的同时，也能够对水驱后形成的柱状、簇状、膜状以及盲端状残余油进行有效的“拽”“拉”驱替。即达到了在改善水油流度比的同时也减少了残余油饱和度的目的，进而提高采收率。

2.3.3 乳化增溶驱油机理 一般表面活性剂分子通过在油水界面上的定向吸附，可形成水包油型乳状液或油包水型乳状液，从而阻止液滴聚集。在一定的表面活性剂浓度下，表面活性剂分子紧密的排列在油水界面上，亲水基伸向水相，亲油基留在油相中，能够有效地降低界面张力并乳化原油。而聚表剂由于其网状的空间结构能够形成巨大的吸附腔来包裹油滴，形成的界面保护膜更加牢固，乳液稳定性更好，增溶原油能力更强；同时在聚表剂强的增粘作用下，驱替液粘度增加，能够有效抑制乳液的分层与乳液液滴的聚集。

2.2.4 润湿反转驱油机理 对于水湿性岩石，毛管力是水驱油的动力，而对于油湿性岩石，毛管力是水驱油的阻力。故改变岩石润湿性是水驱油过程中提高原油采收率的一个重要因素。表面活性剂通过在岩石表面的吸附能够有效地改变岩石润湿性，并起到降压增注的效果。通过在聚表剂分子结构上引入季铵盐等表面活性剂单元，降低原油对岩石的吸附作用，提高洗油效率。

2.4 聚表剂的应用

聚表剂作为近年来一种新型的驱油剂，虽然目前的大多数研究停留在实验室研究阶段，但仍有部分油田对聚表剂进行了现场投入试用，如大庆油田[27]、河南油田[28]、长庆油田[29]等。其使用的现场资料表明，聚表剂在驱油过程中表现出独特的粘弹性与乳化增溶性效果，使得采出液中的含水率极大降低，原油采收率得到很大程度上的提高。例如在大庆油田杏五试验区，截至2011年3月底，使用聚表剂驱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。

但聚表剂在一些低渗透油藏中的使用也表现出一些问题，由于其在水溶液中形成的超大分子网状结构，在增大驱替液粘度的同时也会封堵一些低渗透层孔隙，导致储层渗透率下降，需要注入一定的化学剂进行解堵。目前国外对于聚表剂驱替过程中出现的堵塞问题已经积累了一定的经验，例如利用一种降解酶对堵塞地层进行调控，该方法已经开始在现场进行推广使用，并取得了较好的效果。

3 聚表剂驱油技术发展趋势展望

随着全球油气勘探开发由常规油气向非常规油气的进一步拓展，同时多年的化学驱技术采油已经造成了较大的环境污染以及储层污染，这对未来的采油技术以及驱油剂研发提出了更为苛刻的要求。聚表剂作为一种新型驱油剂，有望于将来进行大范围推广使用。

(1)聚表剂是一种环保低污染型驱油剂。聚表剂由于具有较好的抗生物降解、抗氧化降解性能以及抗盐性能，其溶液配制的溶剂可采用采油污水进行配制，减少对环境污染的同时也节约了大量的水资源，是一种对环境友好型的新型驱油剂。

(2)聚表剂与纳米流体结合。纳米驱油剂由于“尺寸足够小”，能够实现全油藏的波及；且本身具有强憎水强亲油的特性，能够实现智能找油。聚表剂具有较强的流度控制能力，纳米流体具有较好的注入能力，二者的结合使用可以在显著改善流度比的同时提高洗油效率，进而提高原油采收率。

(3)智能聚表剂的研发。在未来油气勘探开发领域向智能化方向迈进的驱使下，将研发一系列的智能驱油剂，在大数据以及人工智能的背景下，以化学改性为手段，赋予驱油剂以多种功能特性，真正实现“一剂多用”的智能采油。

4 结束语

在以化学驱为主导的三次采油技术中，研究新型驱油剂是目前提高采收率的主要任务之一，包括加大对梳形聚合物、疏水缔合聚合物、耐高温、耐高盐单体共聚物等新型聚合物的研究力度；聚表剂由于在驱油过程中表现出独特的粘弹性与乳化增溶性能成为近年来的研究热点，但其研究目前仍处于初级阶段，应加强对聚表剂基本性质和驱油机理进行深入研究的同时，开发新型的解堵剂以解决现场试用问题，为将来的大规模现场推广使用奠定基础。