微乳液在油气增产中的驱油机理浅析＊

2022-11-15康园园杨鹏举吕建国

中国科技纵横 2022年7期

康园园杨鹏举吕建国

（1.陕西省延安大学石油工程与环境工程学院物理与电子信息学院，陕西延安 716000；2.陕西省川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司第二工程项目部，陕西西安 710000）

1943年Hoar和Schulman意外发现了一种新的分散体系，并于1959年被正式命名为微乳液，自问世以来得到众多学者的关注和研究，人们对其性质、相态、驱替机理以及制备工艺等的认识也很快达到一个新的高度[1-2]。经过不断的研究、钻研与创新，大幅度地推动了微乳液的发展，微乳液目前可广泛地应用于多个领域，包括医药、采油、日化品及环境保护等。我国在微乳液方面的研究起步虽晚，但自1980后经过刻苦钻研，在基础理论研究和实际应用方面也取得了一些成绩[3]。我国非常规油气资源占比较大，开采难度大，微乳液作为新兴增产助剂，具有广泛的应用前景。

1.微乳液的类型和特点

1.1 类型

微乳液是由油、水、表面活性剂、助表面活性剂以及盐五组分按一定比例混合而成的溶液体系。5种组分中任意一种组分的性质或质量的改变都会影响微乳液组成。表面活性剂有阴离子型、阳离子型、两相离子型以及非离子型。类型不同、浓度不同的表面活性剂制备出来的微乳液的性质大不相同[4]。助表面活性剂既溶于油相又溶于水相，使得助表面活性剂与表面活性剂相辅相成，能够很好地改善微乳液体系的性能。常用的助表面活性剂有醇、醛、醚及其衍生物。

1.2 微乳液的相态

和乳状液相比，微乳液是更为分散的体系，因而具有大界面和较高界面自由能。这一性质使微乳液在驱油方面很有应用前景。微乳液的相态很复杂，5种成分重点任意一种组分和浓度的变化都影响其相态的变化，而且它也没有通用的状态方程。因此体系的相态是通过实验来的测定的，常以相图的形式来表示出来的。微乳液以3种相态存在，它们是上相微乳液、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，其下部是过剩的水。下相微乳液是容器下部是微乳液，上部是过剩油。中相微乳液便是容器上部是过剩油，下部是过剩水，中部是微乳液[5-6]。

1.3 特点

它是自发形成，不需要外界提供能量且热力学稳定，分散相不容易发生聚沉。

1.3.1 液滴粒径小

微乳液的分散相粒径是纳米级，其进入地层后渗透性好，容易进入微小孔隙驱替原油，提高洗油效率。

1.3.2 界面张力低

表面活性剂吸附于油水界面而降低其界面张力。但是表面活性剂在油相和水相内部的溶解度较小，当超过临界浓度时，其活性剂分子会在溶液内部形成胶束，其降低界面张力的作用有限。因此在溶液中再加入助表面活性剂后，表面活性剂和助表面活性剂协同作用，使得油水界面张力进一步降低。因此能否大幅度降低油水界面张力是评价微乳液体系驱油效果的重要指标之一[7-8]。

1.3.3 热力学稳定

按照体系能量总是自发趋于最小的原则，微乳液应当是热力学性质不稳定的体系，但事实上乳状液却是属于热力学性质不稳定体系，微乳液属于热力学性质稳定体系，这主要是微乳液中的胶束不再仅仅是活性剂蒂合体，而是在活性剂中间插入了助剂的胶束，助剂与活性剂定向排列在界面形成的混合膜是微乳液能够稳定的原因[9]。

实验表明，微乳液长时间放置不会发生分层或聚沉现象，即使被离心也不会破乳。

1.3.4 增溶能力较强超低界面张力与微乳液体系高的增溶油和增溶水的能力有关。微乳液能够溶解各种重质烃组分，如沥青、石蜡等还能溶解井底污垢、地层微粒等物质，具有较强的溶解能力，兼具洗井的效果。

2.微乳液的增产机理

2.1 降低油水界面张力

界面张力的大小反映了界面能量的大小。界面张力越低，两相之间越容易发生混相。微乳液中的表面活性剂可以大幅度降低油水的界面张力，提高洗油效率。对于油湿油藏注入合适的微乳液体系，可以使得岩石表面由亲油性向亲水性转变，岩石的水湿程度增强，可以进一步驱替不被动用的原油[10]。

2.2 增溶能力

盲端中的剩余油很难被开采的原因是它几乎不受驱替压差的，通常水驱时这部分剩余油只受到一个切向的拉力，因此很难被动用。当微乳液注入后部分剩余油在微乳液的增溶作用下与水互溶形成乳化油滴而被驱替出去。

2.3 改善流度比

微乳液的粘度是水的粘度的数倍，因此相较于水驱，微乳液驱的油水流度比大幅度降低，这可以减弱驱油过程中的指进现象，提高波及系数。

3. 微乳液的微观驱油机理

将微乳液自注入井注入后注入端的流体逐渐和微乳液混合形成混相段塞，并向油层深部发展，在其前方形成一个过渡带，在此过渡带上两相共存，流体组成逐渐由混相段塞向地下原油过渡。因此存在较低的界面张力，残余油变得易于流动，过渡带内发生混相排驱后，流动的残余油在过渡带前方的孔隙中聚集，形成一个高含油饱和度带。随着排驱的进行，高含油饱和度带被后面的流体向前推进，继续增溶前方的残余油，因而高含油饱和度带尺寸不断加长，此时采油端只有水采出，当高含油饱和度带突破油井时开始产油[11]。

由此可以看出，如果微乳液驱仅能将残余油驱走但是不能形成高含油饱和度带也起不到增产的目的。因此只有残余油聚集起来并形成一定饱和度的油带，并且油带突破采油端后生产时间足够长才是具有价值的3次采油。

4. 微乳液的制备

微乳液的制备较为简单，一般有2种方法，即Schulman法和Shah法。

（1）Schulman法。按特定比例将水、油和表面活性剂混合，然后逐渐向混合溶液内加入助表面活性剂，当体系的颜色由浑浊变为透明或半透明时微乳液便形成了。改变各组分的种类和含量，微乳液的类型也会相应发生变化。

（2）Shah法。按特定比例将油、表面活性剂和助表面活性剂混合，然后向混合溶液中逐渐加水，当体系中开始变得透明时油包水型的微乳液形成了。水的增加会引起微乳液结构的变化，随着水的含量的增加会变成双连续型微乳液，最后又向着水包油型转变[12]。

目前微乳液各组分及其含量之间的匹配关系的方法中最常用的方法是HLB法和盐度扫描法。

（1）HLB。HLB值是衡量表面活性剂是亲油还是亲水的重要指标，当HLB值在4～7时，会形成油包水型微乳液，当HLB值在9～20时，会形成水包油型微乳液。非离子型表面活性剂的HLB值较低，而且温度对其影响极大，因此在实验前需固定实验温度，通过改变亲水基和亲油基得到多需要的HLB。

（2）盐度扫描法。盐度不同时微乳液的相态也会不同。当混合物中盐度较低时得到的是下相微乳液，随着盐度的增加逐渐转变为中相微乳液，继续增加盐度，最后变为上相微乳液。

当微乳液进入油层后与地下流体接触，油水性质必然影响微乳液，配制微乳液尽可能采用处理层的油和水。由于微乳液体系比较昂贵，为降低微乳液中表面活性剂在油层壁面上的吸附，在注入前注入含有牺牲吸附剂的预冲洗液，不过预冲洗液的消耗量较大，而且不容易获得预期的效果，所以设计预冲洗液要慎重[13]。

从技术上来说，微乳液段塞尺寸应该保证它的前后缘退化后能采出全部二次残余油，但是过大的段塞是不经济的。因此微乳液段塞设计必须将技术要求和经济效益结合起来。

5. 微乳液的应用

微乳液最初应用于3次采油，由于其表面活性剂能大幅度降低油水界面张力，从而动用大量剩余油而使得油井增产，因此是较为有效的化学驱油剂。

通常将微乳液驱和聚合物驱结合起来，微乳液注入后再注入聚合物，这样在微乳液段塞和后续水之间存在一个有利的流度比，聚合物可以保护微乳液段塞后缘免遭后续注入水的指进破坏，将聚合物带称为缓冲带，其可以保护微乳液段塞的稳定[14]。该技术尚处于试验阶段，还没有在整个油田范围内进行过工业性应用。国外进行的油田试验已有几百个，但是都是小面积的先导性试验，除个别试验外，多数在浅油层中试验。

殷代印等近年来针对微乳液在低渗透油藏提高采收率开展了一系列研究，取得了一定成果，但由于其成本较高，适用于现场的驱油体系有限，没有大规模应用[15]。

微乳液能够较好地溶解有机化合物，可以降低原油的黏附功，促使原油从地层壁面脱落，因此采用微乳液浸泡油井，能够缓解地层堵塞现象，提高地层渗透率，降低注入井的注入压力，增大油气产能。