微乳液驱油技术的研究进展*

张志超，柏明星，王 勇，聂剑峰，刘敬源，邵 军

（1.东北石油大学提高采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆 163318；2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第六采油厂，陕西西安 710018；3.大庆炼化公司，黑龙江大庆 163318）

0 前言

微乳液是一种由水、油、表面活性剂及助剂复配而成的具有透明、光学各向同性、热力学稳定性的混合体系［1-4］。与常规乳液相比，微乳液的液滴粒径小，通常在10～100 nm 之间，具有超低的界面张力（＜20 mN/m），并具有双向润湿性，对油增溶能力强［5-7］。微乳液驱能对低渗油藏起到降压增注作用同时可改善渗吸驱油提高采收率效果，这为低渗油藏的高效开采提供了新思路［8］。由于油藏岩石表面常带负电性，因此配制驱油用微乳液一般选择阴离子型表面活性剂，这可避免表面活性剂在地层的过度吸附损耗。微乳液配制时所选用的常用阴离子型表面活性剂主要是石油磺酸盐类［9］，此外，还加入了正丁醇、t-戊醇及氯化钠、碳酸钠等助剂，以保证微乳液界面稳定性和更好发挥其降低油水界面张力能力［10］。助剂的功能主要是吸附在油水界面上稳定和软化界面膜，促进表面活性剂的亲水亲油平衡作用。驱油用微乳液具有多种类型，Jeirani［11］应用混合膜理论分析认为，在配制微乳液时会在油、水界面上形成表面活性剂及助剂吸附的混合膜，混合膜的两侧受到不均衡界面张力和表面压的影响而发生剪切弯曲，形成水包油型（O/W）、油包水型（W/O）和双连续型的微乳液。微乳液被注入油藏中与油或水接触后，微乳液也会由对油水的增溶和表面活性剂及助剂的损耗发生相行为转变，改变微乳液的性质［12］。对于微乳液驱油时发生的相行为判断主要是应用微乳液体系的亲水亲油平衡值（HLB）值法、拟三元相图、鱼状相图和电导率分析等方法［13-14］。HLB值法由Salager等［15］最早提出，认为当评价体系的HLB＞0时，形成油包水（W/O）型微乳液；当HLB＜0时，形成水包油（O/W）型微乳液；当HLB=0 时，形成双连续型微乳液。刘倩等［16］、蓝强等［17］应用拟三元相图和鱼状相图的方法对微乳液的相变行为进行了论述，认为通过相图分析能够清楚地确定不同微乳液相区域的范围，获得优化参数，且能够预测微乳液驱时由于不同组分变化导致的相行为变化。微乳液驱对油藏采收率的提高效果与微乳液对其增溶油能力以及产生的超低界面张力相关，对油增溶能力越好、对油水界面张力降低越低，驱油效果越好。吴章辉等［18］依据HLB 方程，分析了微乳液对地层油增溶能力的影响因素，发现微乳液对油相的增溶能力与油的组成无关，而与油的等效烷基碳数和醇助剂的用量相关，等效烷基碳数越小、醇用量高时，微乳液对油的增溶能力越强，降低油水界面张力的能力也越好。因此，通过对微乳液驱油机理和当前的发展状况进行论述，对其在低渗透等非常规油藏提高采收率技术中的应用提供一定的理论借鉴。

1 微乳液的驱油机理

1.1 降低界面张力

水油相间界面张力较高，通常在20～30 mN/m数量级，导致水驱油藏存在较高的毛管驱替阻力，特别是在低渗特低渗油藏水驱时，这种现象更明显［19］。而微乳液与油相间界面张力极低，一般在10-2～10-4mN/m 数量级［20］。当将微乳液注入油藏后，形成超低的油水界面张力可降低驱替阻力，起到降压增注的作用。此外，在相同的驱替压差下，微乳液相比水能进入更小的油藏孔隙中驱油，扩大波及体积。另一方面，微乳液中表面活性剂在岩石上的吸附也会改善孔隙润湿性，降低微乳液剥离岩石壁面吸附油的黏附功，有利于黏附在岩石上的剩余油脱离岩石壁面，提高油藏采收率。对于微乳液降低油水界面张力的表征，崔乐雨等［21］提出可由Chun-Huh 公式（1）进行表述，发现微乳液降低油水界面张力的能力随增溶参数（Vi/Vs）变大呈指数降低，在对油水增溶能力相同时，形成了驱油效果最好的中相微乳液。而微乳液注入油藏后，能够降低油水界面张力，使毛管数从10-6～10-7增至10-4～10-2，促进了油藏的吸液、排油能力，扩大了油藏波及体积，能够将油藏中的残余油饱和度从100%降低至30%左右，提高油藏采收率［20，22］。吕其超等［23］也基于室内微乳液驱油实验证实，岩心驱替至含水95%后注入0.3 PV的微乳液驱替后可提高采收率22.4%。

式中，IFTmi—微乳液与油或水之间的界面张力，mN/m；Vi—油或水相的增溶量，mL；Vs—配制微乳液表面活性剂用量，mL；C—特征常数。

1.2 调剖堵水

微乳液在注入油藏后仍能保持较高的流体黏度，减小油水流度比，从而防止驱替剂的黏性指进。Davidson 等［24］通过室内微乳液微观驱油实验，发现被地层孔喉剪切后的微乳液黏度保留率是提高油藏驱油效果的重要参数。殷代印等［25］通过室内光刻玻璃驱油实验证实，在地层温度为45 ℃条件下，微乳液驱油被剪切后的剩余黏度为4.3～8.2 mPa·s，而同等条件下水的黏度仅为0.65 mPa·s，在微乳液驱后的采收率相比水驱提高了26.38 百分点。因此，微乳液驱相比水驱能很好地调整流度比，扩大油藏波及体积。但对于非均质性极强油藏，如砾岩油藏，常规微乳液调整流度的能力有限，解决该问题关键是优化注入工艺和微乳液的性质。鲍博等［26］针对强非均质性油藏研发了黏度保留率非常高的W/O/W 复合型微乳液，驱油实验证实，该复合型微乳液被注入微流控芯片后，可极大地调整吸水剖面。在注入工艺方面，目前较常用的是聚合物前置段塞+微乳液段塞+聚合物保护段塞，可防止微乳液的突进，提高洗油效率［27］。此外，除具有调剖能力外，微乳液还具有一定的类似聚合物驱的黏弹性驱油效果。Preziosi 等［28］论述了微乳液在岩石中黏弹性驱油的机理，认为微乳液流经收缩吼道时，液滴发生弹性收缩和拉长变形，经过吼道后微乳液在静电斥力和分子间斥力作用下发生弹性恢复会拖拽孔吼处富集的原油拉长、截断被采出，提高油藏驱油效率。

1.3 增溶驱油

微乳液具有增溶能力，可将流经孔隙壁面的油膜状剩余油、盲端状剩余油增溶采出，提高油藏洗油效率［29］。微乳液被注入油层时，随着微乳液在油层中运移，会与油水接触增溶油水并引发相变。当阴离子型表面活性剂作为乳化剂时，地层水矿化度增加会压缩表面活性剂的双电层，表面活性剂的亲油性变强，微乳液易发生向W/O型微乳液转变。而对于非离子型微乳液体系，矿化度会影响其相行为，体系矿化度增加时会破坏水和表面活性剂间氢键的稳定性，导致表面活性剂亲水能力下降，改变相行为［12］。随着微乳液携带油滴聚并成油墙时，微乳液中的表面活性剂进入油相中的量多，这会改变油水界面膜的性质，促使微乳液向W/O型微乳液转变。W/O 型微乳液具有黏度高、密度高、稳定性强的特点，对非均质油藏的深部调剖效果好。对于靠近后续水驱段塞的微乳液，由于微乳液中的盐和助剂向水相中扩散，导致微乳液自身稳定性变差，逐渐转变为O/W 型微乳液，增加了后续水驱时的黏度，从而可防止水驱的过早突破。因此，在微乳液驱油过程中，微乳液在油藏中存在W/O型和O/W型多种相态，并且也会由于其对油水的增溶、助剂和表面活性剂的扩散诱发相行为转变，发挥不同的协同提高油藏采收率功能。

1.4 储层保护

油井结蜡和压裂液返排不充分，均会使低渗油藏采油井发生堵塞，影响开采效果。微乳液被注入油藏后对重质油也具有一定增溶作用，且微乳液中的表面活性剂分子也会在重质原油分子间吸附，阻止重质油桥接形成更大的沉淀。在油井压裂时，注入微乳液能够改变油藏近井地带的润湿性，降低油水界面张力，从而促进压裂液返排。陈曦等［30］通过室内实验证实，油湿性的云母片被中相微乳液浸泡后，润湿角可增至65～90°，中性润湿程度增加，降低了压裂液与裂缝壁面的分离压，压裂液返排率相比注水压裂时增加了28%。此外，微乳液改变油藏润湿性向中性偏移时，也可降低强亲水地层对钻井液中自由水渗吸，抑制泥页岩的水化膨胀，保护井壁。张敬辉等［31］进行了微乳液对页岩井壁稳定性的研究，发现页岩内部的钠离子进入微乳液中促使微乳液聚并形成几百纳米的微乳堵塞了页岩孔道，会阻止页岩继续吸水膨胀。

2 非常规油藏驱油用微乳液

2.1 超临界CO2微乳液

超临界CO2微乳液是一种性质特殊的微乳液，是以非极性的CO2为连续相、低分子多元醇和表面活性剂为助剂、原油为非连续相的分散体系。超临界CO2在进入油藏萃取驱油时，仅能萃取一些低分子烃类，且与原油之间的混相压力高。而超临界CO2微乳液注入油藏后可有效降低CO2与油相间界面张力，从而可降低CO2与原油间的最小混相压力［32］。此外，超临界CO2微乳液相比CO2混相驱提高了驱替液的黏度，改善了流度比，可有效延缓CO2在生产井的突破时间。郭爽等［33］论述了CO2也可作为微乳液形成的触发开关用于解决微乳液破乳问题。在CO2与烷基咪唑交替注入油藏时，CO2与烷基咪唑反应转化为碳酸氢盐表面活性物质，诱导微乳液形成并提高油藏采收率，而被驱替出的微乳液在地面降压，CO2分离，快速促进破乳，分离油和水。张永民等［34］论述将N，N-二甲基-N-十二烷基胺作为助表面活性剂加入三元复合体系中复配得到的CO2刺激型微乳液的性质，发现在CO2与N2交替注入10次后，微乳液体系能够在乳化和破乳之间不断转换，且形成的微乳液对油砂中的残余油的洗油能力较好。但也指出CO2刺激响应后溶液的pH 值变化范围很窄，能够响应CO2的分子也多为弱酸和碱，其实际应用尚不成熟。配制超临界CO2微乳液的主要技术难点是合成既能溶解于非极性CO2中又能溶解于油相中的表面活性剂，目前，研究较成熟的主要是含—F 基的表面活性剂。Johnston 等［35］合成了一种全氟聚醚碳酸铵盐表面活性剂PFPE，并应用于超临界CO2微乳液的配制，得到了性质良好的超临界CO2微乳液。目前已知的氟化表面活性剂主要 有8FG（EO）2、8FS（EO）2，氟-碳双结构的di-C5SS、di-CF1、di-CF2、di-CF4表面活性剂以及具有氟碳（FC）和碳氢（HC）双尾链结构的表面活性剂等［36-37］。但氟化表面活性剂对于地层水等有较强的污染，限制了其工业推广。祁建磊等［36］研究发现氟原子个数小于8的表面活性剂具有一定的安全环保性，并指出另一种可用于CO2微乳液配制的不含硅、氟的非离子表面活性剂（LS-mn）系列、TMN系列及Dynol 系列。超临界CO2微乳液的驱油技术目前尚没有得到矿场应用，主要处于室内实验阶段。美国UT Austin大学、荷兰TU Delft 大学、法国TOTAL石油公司、美国Rice 大学［38-41］的研究者们对微乳液泡沫的驱油效果进行了评价，发现应用微乳液泡沫可使油水界面张力降至10-2mN/m，且能够较好地提高油采收率。

2.2 纳米微乳液

低渗特低渗油藏的孔吼尺寸非常小，注水驱油困难，提高采收率的主要手段就是降压增注。纳米微乳液的液滴尺寸小，多为纳米级，小于多数非常规油藏岩心的孔喉直径，能比较容易地进入大部分岩心孔隙中驱油［42］。赵雅洁等［43］通过对配制的纳米微乳液体系进行zeta 电位和激光粒度分析，发现表面活性剂质量分数为0.05%、0.1%、0.3%的纳米微乳液的液滴粒径均在10 nm 左右，远小于低渗特低渗等油藏的孔吼半径，可很好地进入岩石孔隙中驱油。吴宇航等［44］也进行了纳米硅型微乳液降压增注实验，发现在岩心渗透率为0.279×10-3μm2的岩心中注入5 PV 的纳米硅微乳液，比注水降压44%以上，降压增注效果较好，而微乳液中加入纳米材料后，进入岩心孔隙驱油时会起到纳米材料和微乳液的协同作用，提高洗油效率。此外，纳米微乳液也通过将油相分散成极小液滴形式增加在油藏中的渗流能力，提高对低渗特低渗油藏的采收率。

2.3 原位乳化微乳液

地面配制微乳液的胶束中已经增溶了一定量的原油，注入油藏后对油相增溶窗口变窄，这会影响微乳液的增溶驱油效果［45］。向油藏中注入表面活性剂强化水发生原位乳化，可提高微乳液的增溶窗口，且表面活性剂强化水的黏度较微乳液的低，因此，在低渗透油藏中的注入性更好。微乳液原位乳化过程如图1所示。表面活性剂强化水注入油藏时与原油接触，且在醇、盐助剂作用下发生原位乳化，对流经区域油膜起到清洗作用，改善油藏润湿性，降低毛管压力［46］。黎锡瑜等［47］通过光刻玻璃原位乳化驱实验发现，原位乳化驱油的注入压力比直接注入微乳液驱油压力小很多。李织宏等［48］认为油藏中原位乳化驱油效果主要与表面活性剂浓度、注入速度相关。表面活性剂浓度低时，油藏孔隙内形成的微乳液界面膜不稳定，易发生液滴聚并向乳状液转化。注入速度则影响地层中原位乳化的程度，高注入速度会导致地层中原位乳化未发生或乳化不完全即采出，影响驱油效果；低注入速度影响原油的采出速度。

图1 微乳液原位乳化驱油机理

2.4 微乳液泡沫

虽然微乳液驱油的效果较好，但对高温、高盐油藏的适应性较差。泡沫强化采油在非常规油藏中应用展现了非常好的低注入阻力和耐温、耐盐特性。泡沫驱强化采油是以同步或交替注入活性水和N2或CO2等在油藏中形成气泡体系，驱油体系中的气泡膜上由于吸附了表面活性剂，使气泡间产生静电斥力或分子间阻力，防止气泡聚并和消灭［49］。泡沫在流经孔吼时，在毛管力、气泡间界面膜阻力、贾敏效应综合作用下起到调剖作用。微乳液泡沫驱油时结合了微乳液提高洗油效率和泡沫调整吸水剖面的两种特性，泡沫调整油藏流度，促使微乳液转向到油藏的更小孔隙中，提高波及体积；而微乳液通过降低流经孔道的含油饱和度，在原油和气泡间产生隔离作用，防止地层原油与气泡直接接触产生消泡作用，促使微乳液和泡沫复合驱油产生了1+1＞2的强化采油效果［50］。

3 微乳液驱油技术现场应用状况

微乳液驱油技术当前在低渗非常规油藏应用主要是通过降压增注方式提高低渗油藏注水量，从而提高驱油效果，而应用微乳液驱油提高油藏采收率的矿场应用目前还相对较少，尚处于探索性试验阶段。赵柏杨等［6］通过正交实验方法优选出IOS（内烯烃磺酸盐）的微乳液体系在大庆榆树林低渗油田进行了驱油试验，发现该微乳液与地层孔吼配伍性较好，微乳液体系与油相能够形成超低界面张力，达到6×10-6mN/m，对油藏内的残余油挖潜效果较好。吴天江等［10］以十二烷基苯磺酸钠、椰油脂肪酸脂聚氧乙烯甜菜碱、正丁醇和NaCl与水复配得到性能优异的中相微乳液，并在长庆油田五里湾区块的6个井组进行了先导性试验，注入2个月后，井组中的油井平均日产油由58 t上升至62 t，含水由69%降至65.6%，增油效果明显。王伟琳等［51］应用阴非离子表面活性剂和阳非离子表面活性剂复合方法配制了原位微乳液表面活性剂体系，并将其应用于冀东油田、胜利油田等低渗透油田注水井降压增注矿场试验，试验结果表明，对冀东油田渗透率为4.5×10-3μm2的特低渗透区块的4口水井，注入80～100 m3的质量分数为0.5%的原位微乳液表面活性剂体系后，水井的注水压力下降了8 MPa，井组累积增注3.5×104m3水，同时油井配合注入3000 m3原位乳化剂渗吸吞吐，焖井10～15 d 后开井生产，油井累积增油3000 t 以上，微乳液驱措施有效率达95%以上。胜利油田的牛庄油田、博兴油田和胜利油田滨B区块也分别应用该原位乳化技术进行了水井增注和提高采收率实验，发现原位微乳液驱油后，水井普遍降压35%以上，油井累积增油在2500～3450 t 之间，驱油效果明显。吕文斌等［52］将纳米硅和阴离子型表面活性剂NBL-10、非离子型表面活性剂FLS-3 复配的微乳液应用于平均渗透率低于20×10-3μm2油藏的降压增注试验，将配方为1.5%阴离子型表面活性剂NBL-10+2.0%非离子型表面活性剂FLS-3+5.0%低碳醇+0.5%纳米硅材料+8.5%白油+82.5%水的复配体系注入DS 油藏进行驱油时，可降低油水界面张力至10-3mN/m 数量级，驱替压力降低了35%以上。

4 结束语

微乳液驱是低渗透油藏等非常规油藏降压增注提高采收率的一项重要技术，注入油藏中的微乳液与油相接触会形成超低界面张力，能够降低驱替毛管数，提高油藏的采收率。在国内外矿场实验中微乳液驱均取得了良好驱油效果。但微乳液的黏度和密度较低，在油藏中注入驱油时由于缺少有效的流动控制手段，常常沿着高渗储层突窜，会导致对油藏的宏观波及系数过低，影响对油藏内小孔隙中油的驱替效率。因此，微乳液驱地下调驱技术的研究，对提高微乳液油藏驱油矿场应用效果具有重要的意义。此外，微乳液虽然能够与油相间形成超低界面张力，提高毛管数，有力于对油藏内残余油的挖潜，但微乳液在地层孔隙中渗流时，表面活性剂在地层岩石表面会大量吸附导致其驱油效果下降，且微乳液驱油井采出液乳化也更加严重，增加了地面油水分离成本。因此，研制能够在储层孔隙中稳定存在且易于在地面破乳分离的对温压响应或CO2响应型的微乳液，在油田现场的规模化应用具有重要的意义。