微乳液在油气田开发中的应用*

殷代印,吕红涛,王东琪

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

微乳液作为一种新型微乳液体系，于20 世纪50 年代被发现，60 年代年被称为“Micro Emulsion”。后在20 世纪90 年代被描述为由水、油和表面活性剂组成的透明稳定液体体系，并且光学表现为各相同性，不需要外界输入能量即可自发形成[1，2]。微乳液由于其组成成分的特性，在油气田开发中最先应用于化学驱油，而近些年来，微乳液及其稀释体系在压裂返排助排、除污防垢、修复储层损伤、渗吸置换等方面也开辟了新的道路[3-5]。国外多企业、多油田均研制出相关体系，如斯伦贝谢、哈里伯顿等；国内相关研究也相继出现，并且在实际应用中均颇有成效。随着非常规油气的勘探和开发，微乳液在化学驱油以及油田增产方面扮演着越来越重要的角色，应用前景也将会更加广阔。

1 作用机理

多年来，国内外学者从微观分子层面对微乳液驱油的作用机理进行了大量研究，阐述了微乳液体系通过改变岩石表面对油相和水相的关系来发挥作用的机理，并且能够不同程度的对剩余油进行挖潜，提高油田采收率，促进油田的开发生产。

1.1 分子模拟研究

2016~2017 年[6,7]模拟了微乳液在亲水和亲油固体表面的作用过程，见图1。

图1 微乳液在岩石表面作用过程图Fig.1 Process map of microemulsion acting on rock surface

对于亲水表面，微乳液进入直径比自己小的孔喉当中发生形变，但自身结构不被破坏，继续向前推进，直至遇到亲油表面；微乳液在亲油表面的流动过程可分为3 个环节：（1）微乳液进入孔道；（2）微乳液接触到亲油岩石表面，由于亲油基团的作用，导致液滴结构发生变化，进行重组，表面活性剂附着在岩石表面，亲水端向外，助剂取代壁面上的原油分子，使其从岩石表面脱落；（3）岩石表面发生润湿反转，由亲油向亲水转变。

1.2 分子动力学模型研究

2018 年[8]进一步借助分子动力学模型，构建出不同分子结构及成熟度的干酪根模型，从分子层面模拟分析了微乳液促进油气生产的能力。在该研究中发现，微乳液可以充分带动重质馏分，从而降低气油比，提高驱油效率，增大产量。同年[9]，通过对阴-阳离子复配表面活性剂最佳摩尔比的研究发现，该方法配制出的微乳液呈电中性，其中的阳离子成分能够增加体系的油水增溶能力，且进一步降低了油/水界面张力。

1.3 微观可视化研究

2020 年[10]结合微观可视化的研究手段，利用光刻玻璃模型研究了微乳液驱油前后岩石孔喉结构中剩余油的变化情况，总结阐述微乳液对剩余油的挖潜机理：（1）增溶作用，见图2，微乳液流经剩余油表面时，亲油基会将剩余油溶解吸收，使流动通道逐渐打开；（2）乳化作用，见图3，随着微乳液与剩余油接触时间增加，表面活性剂开始发挥乳化作用，使剩余油受到拉拽和界面张力的作用，逐渐被拉长，最终分散成小油滴；（4）富集作用，见图4，乳化作用过后，通道内会形成形状各异、大小不同的较大油滴和油带，它们会融合更多的剩余油，富集成更大的油带向着下游端流动，最终流出岩心。

图2 微乳液的增溶作用Fig.2 Solubilization of microemulsion

图3 微乳液的乳化作用Fig.3 Emulsification of microemulsion

图4 微乳液的富集作用Fig.4 Enrichment effect of microemulsion

1.4 微乳液作用于不同剩余油的研究

2020 年[11]，研究了IOS 微乳液对低渗透油藏不同类型剩余油的驱替机理。微乳液在低渗透油藏对不同富集状态（柱状、油滴状、膜状和盲端状）剩余油进行驱替挖潜：（1）作用于柱状剩余油，见图5，体系流经柱状剩余油端点时，靠体系的亲油性和黏弹性将原油拉拽出孔道，而后，通过降低孔道中毛细管阻力，将剩余油驱替出岩心；（2）作用在油滴状剩余油，见图6，由于微乳液体系的超低界面张力，使滞留和卡在吼道中的剩余油滴容易发生形变，被微乳液携带和冲刷逐渐变形，甚至撕裂，最终流出孔道；（3）对于膜状剩余油，见图7，微乳液是通过黏弹性使油膜变形，同时改变壁面的润湿性，使油膜边缘与岩石壁面的接触角变小，开始逐渐运移；（4）对于盲端状剩余油，见图8，微乳液不断拉拽盲端开口处的剩余油，使因被拉长而发生形变，最后脱离盲端深处的剩余油，形成油滴被微乳液运移。

图5 微乳液作用柱状剩余油Fig.5 Microemulsion acting on columnar residual oil

图6 微乳液作用油滴状剩余油Fig.6 Oil droplets remaining oil acted by microemulsion

图7 微乳液作用膜状剩余油Fig.7 Microemulsion acting on membrane residual oil

图8 微乳液作用盲端状剩余油Fig.8 Effect of microemulsion on blind-ended residual oil

2 微乳液的种类及特征

2.1 微乳液的分类

微乳液按结构分可分为水包油型（O/W）、油包水型（W/O）和双连续型（W/O/W），见图9[13]。

图9 不同结构微乳液示意图Fig.9 Diagrams of different structures of microemulsions

根据其在平衡状态下体系中含有过量的油或水，将其分为WinsorⅠ型、WinsorⅡ型、WinsorⅢ型和WinsorⅣ型[13]。不同类型微乳液示意图见图10。

图10 不同类型微乳液示意图Fig.10 Diagrams of different types of microemulsions

2.2 微乳液的特点

（1）粒径小 微乳液体系分散程度大且均匀，并且分散相粒径处于纳米尺度级别，最低可达5~10nm范围内，渗透能力强，能够很容易地进入到细小的储层空隙当中。

（2）超低界面张力 微乳液中含有大量表面活性剂，能够在储层孔隙中迅速分散流动，附着在岩石表面。微乳液界面张力小于20mN·m-1，最低可达到10-6mN·m-1，因此，微乳液能够更快地在岩石表面发挥润湿反转作用。

（3）增溶能力强 水和油都能够轻松地在微乳液当中溶解，特别是井壁附着的油蜡、近井地带的油污、滤饼以及沥青等难溶于水的物质。

（4）热力学稳定性高 微乳液连续性强，分子基团间作用力较高，长时间放置甚至超离心条件下均不会发生破乳现象，并且，向微乳液体系中加入水使其稀释到0.1%~0.5%浓度，微乳液体系仍然不会发生分层或破乳现象。

（5）黏弹性强 微乳液分子基团间微观作用力强，使得微乳液分子在拖拽、拉扯孔道当中的剩余油时，虽发生形变，但不容易断裂。

3 微乳液的制备和配方优选

微乳液的形成主要依靠内部各组分的匹配和比例，所需设备少，能耗小。

（1）常规配制方法

Schuman 法 先将油、乳化剂和水（盐）混合均匀，然后缓慢加入助剂，当体系变为澄清透明时即为配置完成。

Shah 法 将油、乳化剂和助剂混合均匀，然后加入水（盐）至澄清透明为配置完毕。

（2）正交实验法[14]该方法为一种科学方法，能够快速得到微乳液最佳配比的同时，尽可能地减少实验的数量，选取横向影响因素个数和对比组数，将二者进行正交组合，构成多组实验。

（3）相图法 微乳液的结构随着其中各组分的含量的变化而发生改变。针对油气田开发领域，需要系统且具体地研究相行为，其中相图是最为简单和直观的方法，可根据相图的不同分区来进行组成成分的区分和筛滤，再进一步进行性能评价及优选。相图法主要包括拟三元相图法、鱼状相图法和Winsor 相图法。

拟三元相图法 微乳液是由表面活性剂、助剂、水（或盐水）和油四相构成，但常常截取组分四面体的某一个截面来进行研究，即拟三元相图，该方法能够反映出当组分发生变化时微乳液体系的相态变化。周冰灵[15]通过拟三元相图法获得了最优微乳液组分为十二烷基硫酸钠（SDS）、正丁醇和助剂与表活剂质量比为1.5。该体系具有最小的表面活性剂量和最大的增容量；刘灿利[16]等根据水、乙醇和正辛醇组成的三相体系在25℃下的三相图，选取了3 条路径进行无表面活性剂微乳液样品的配制，见图11。

图11 25℃水/乙醇/正辛醇三元体系相图Fig.11 Phase diagram of water / ethanol / n-octanol ternary system at 25 °C

鱼状相图法 相微乳液组分结构。鱼状图包括“δ-γ”状和“ε-β”状，见图12。

图12 鱼状相图Fig.12 Fish phase diagram

以“δ-γ”状相图为例[17]，以醇占醇与表面活性剂的质量分数δ 为纵坐标，以醇与表面活性剂总质量占体系的质量分数γ 为横坐标。再根据HLB 平面方程求得相应参数。周平平[18]使用该方法研究了无机盐对十六基三甲基溴化铵微乳液体系相行为的影响，发现在CTAB/正辛烷/水/正丁醇微乳液体系中无机盐阴离子的影响较大，且作用强弱顺序为：I-＞Br-＞Cl-。

Winsor 相图法 Winsor 相图法常用来描述微乳液受盐（醇）浓度的影响程度[19]。从图中可以得到盐（醇）量、醇（盐）宽，并且可以对盐和醇的种类以及浓度进行优化筛选，见图13。

图13 Winsor 相图Fig.13 Winsor phase diagram

殷代印[20]应用Winsor 法筛选出以4%BS-12、9.3%正丁醇、3.8%NaCl 为组成的最佳相态中相微乳液，增溶能力最强、驱油效果最好，较水驱提高采收率8 个百分点、降低含水率9 个百分点。

4 微乳液的应用

4.1 化学驱油

微乳液由于其界面张力低、黏弹性强，能够调动水驱无法推进的剩余油，在油田三次采油当中扮演着重要的角色。国外学者[21]利用微乳液进行驱油试验，表明微乳液驱油较常规水驱均能够一定程度的提高采收率，并且比常规水驱可以增加动用30%的剩余油。近年来，国内学者开始展开微乳液体系在驱油方面的研究工作，2020 年[22]通过研究发现，微乳液体系能够降低注入压力，并且提高裂缝性油藏采收率10 个百分点以上；2021 年[23]，研究的耐高温复合阴阳离子微乳液体系应用于某油田15 口井，实现平均日增注20m3，累计增油0.35 万t。

4.2 洗油解堵

微乳液在储层内有较强的溶解有机化合物的能力。洗油主要是对油砂进行处理，使原油从岩石颗粒上剥落分散在微乳液当中。2006 年[24]通过室内静态实验研究表明，配制的中相微乳液能够有效提高洗油效率；后来将微乳液中的油相替换为功能性纳米SiO2颗粒，证明微乳液体系在洗油方面有很好的效果。2013~2016 年[25-27]针对井壁附着的油饼导致的损伤，多位学者从多角度研究了不同类型的微乳液的解堵能力，应用于矿场试验，岩心初始渗透率为305mD，钻井液污染后渗透率降低至初始的52.5%，而用微乳液处理后，渗透率恢复至263mD，为初始的86.2%，充分说明了微乳液能够很有效的解除油饼的堵塞。

4.3 返排助剂

针对非常规油气藏，经过多种措施进行改造后的地层会加剧滤失的情况，导致近井地带滞留过多的返排液，发生水锁。因此，在压裂的过程中，向压裂液中加入微乳液可以疏通近井地带通道，降低注入压力，改善近井地带渗流环境，促进压裂液返排到地面，改善储层改造效果。近年来[28]，国内学者对于不同岩石表面润湿类型及表面活性剂吸附特性，筛选设计出多种合理最优化的微乳液助排剂配方，2017年[29]配制出向两性表活剂、双子表活剂和非离子表活剂组成的混合主剂中加入助剂和油相的微乳液体系，可改善云母表面润湿性，且返排效率高达近30%。

4.4 污水处理

对于油田污水处理，随着三次采油驱油剂的发展，使污水的成分越来越复杂，常规絮凝剂已经无法满足回注的标注。因此，微乳液体系在污水处理方面也逐渐被重视起来。经过多年的研究表明，多种反相微乳液，能够更加高效地将污水中的悬浮颗粒凝聚沉降下来，使油田污水达到排放标准或是二次回注标准。2019 年，李燕伟[30]研究出的水溶性阳离子聚丙烯酰胺P（AM-DMC），分子量为400W，阳离子度为26%，将其以3mg·L-1的投放量与现场混凝剂复配使用，结果表明，浊度移除率达98%，且出水浊度为3.7NTU，达到回用标准。

5 总结与展望

微乳液体系自被发现以来，作为一种具有多种优异性能的纳米级别稳定溶液，在油田中广泛应用。尤其是作为三次采油驱油剂和返排助排剂，能够有效解决诸多现场实际问题，提高油田产量。微乳液目前在国内外多种非常规储层的研究中已略展拳脚，为三次采油提供新方向新思路。为了拓宽其发展道路，使微乳液能够发挥更优异的作用，需对微乳液进行更系统及深入的研究。

（1）微乳液制备的研究 微乳液制备过程较为简单，但其特点与组成成分的配比息息相关。在制备过程中需要大量表活剂，成本较高，且当体系中存在油相时，会产生环境污染的问题，使其使用范围受限；甚至某些性能较好的体系中含有禁用物质。因此，实现微乳液广泛应用的关键在于筛选出经济、环保且无毒的组分作为原料。

（2）微乳液性能的研究 当前微乳液依靠其独特性能在常规油气田的运用已经驾轻就熟，但对于非常规油气藏，如特低渗透、页岩油气藏以及海洋油气方面仍面临着巨大的挑战。诸多此类油气藏地层情况复杂，微乳液的性能会受限，需进一步研究微乳液性能，使其能应用于多层次、多条件的复杂油气藏中，以拓宽其发展道路。微乳液性能受其组分影响极大，因此，需大量现场试验，系统且全面地研究微乳液在不同油气藏中性能的变化。

（3）微乳液作用机理的研究 现阶段研究表明，微乳液体系能够发挥其特性，可显著提高油井产量，改善油水井性能，但对其增产机理的研究过于局限。可结合数值模拟等手段，对微乳液流动状态，相态变化等进行推演，据此来指导微乳液作用机理的应用以及性能的优化。