表面活性剂在提高油田采收率中的应用

于宏博

（大庆油田设计院有限公司，黑龙江大庆 163712）

随着近年来经济的快速发展，我国对石油的需求量和对外依存度持续上升，但国内大部分油田经过多年的开采，采收率持续下降。我国剩余石油储量中大部分为高温、高盐、低孔、低渗、稠油油藏等难以开采的苛刻性油藏。一般来说，石油的开采可分为三个阶段：①在地层内部压力作用下以自喷方式开采的一次采油阶段，这个阶段也是最容易开采的阶段，采出率约占总储量的20%；②依靠注水或注气来提高地层压力的二次采油阶段，这个阶段通常可以获得30%左右的采收率；③为了有效动用地层中剩余的60%～70%的储量，学者们又提出了依靠化学驱、微生物驱、混合驱等更先进的技术手段进行的三次采油阶段，其中化学驱中的表面活性剂驱油技术是目前发展最快最有潜力的研究方向。因此表面活性剂驱油技术是开发难采储层的有效技术手段之一。本文综述了不同表面活性剂的特点以及目前的研究情况，并对表面活性剂的未来发展方向提出了一些建议。

1 表面活性剂在石油工程中的作用

一般而言，表面活性剂是由亲水基团和亲油基团组成的具有两亲特性的有机化合物，已经在石油工程领域得到了广泛的应用。表面活性剂主要通过四个方面来影响油田采收率：降低界面张力、改变润湿性、产生泡沫和乳化。

1.1 降低界面张力

表面活性剂可以降低储层岩石的表面接触角。表面活性剂进入储层后通过降低地层孔隙的毛细管力使油滴更容易被开采出来，从而提高了低渗透储层的采收率。20世纪40年代国外学者开始了表面活性剂与采收率之间的作用研究，到70年代，Taber和Foster两位学者通过实验分别证实了界面张力和原油采收率之间的关系，认为当表面张力小于10-3mN/m时，可以大幅度提高采收率。Wade等的研究表明，界面张力最终的平衡值对计算原油采收率有重要的参考价值。

1.2 改变润湿性

储层的亲油和亲水性对采收率也有很大影响。一般来说，亲水性强的储层原油更容易流动，驱油效果也更好。选择适宜的表面活性剂可以将储层岩性从亲油变为亲水，降低原油在孔隙中的流动阻力。

1.3 产生泡沫

在钻井行业可以利用表面活性剂的起泡特性来制作雾化/泡沫钻井液和微泡沫钻井液，通过形成欠平衡钻井来提高机械钻速和解决部分易漏失地层的钻井难题。在采气井中可以通过于地层水形成泡沫而将地层水从井底排出。

1.4 乳化作用

在钻井行业中最常使用的油包水钻井液就是利用表面活性剂的乳化作用配制而成的。在稠油的输送过程中，使用表活剂对稠油进行乳化后，可以大幅降低稠油黏度，从而减少运输成本。在一定条件下，表面活性剂可以和地层中的油水产生乳化作用，从而降低油相的流动阻力，使原本难以开采的储层原油被驱替出来从而提高采收率。

2 三次采油用表面活性剂研究进展

20世纪20年代，国外学者研究发现加入木质素亚硫酸盐等表面活性剂可以提高原油采收率，因为表面活性剂具有两亲结构，通过降低界面张力等作用使储层孔隙中原本不易流动的原油变得易于流动，从而在驱替压力的作用下更容易的被采出。从20世纪60年代开始，表面活性剂的合成成为研究的热点，相关的评价手段和实验方法也逐步被开发出来。我国20世纪80年代的三元复合驱中主要使用磺酸盐作为表面活性剂。用于提高采收率的表面活性剂应该具有以下优点：①有效降低界面张力；②较少的被地层吸附并能适应复杂的储层工况；③价格较为便宜。

2.1 阴离子表面活性剂

常规的阴离子表面活性剂（如SDS、IOS等）由于具有成本低、适用性广等特点，目前已经被广泛应用于提高油田采收率的相关作业中，但由于阴离子表面活性剂的抗温抗盐性较差，所以在碱性和高盐条件下驱油效果较差。

20世纪60年代，国外开始研究阴离子双子表面活性剂。Liu等的研究成果表明，双子表面活性剂间隔基团的增加会降低临界胶束浓度并提高界面吸附效率。GAO 等的研究成果表明，硫酸基的阴离子双子表面活性剂的抗盐钙能力大幅度提高，在20%的NaCl和5%的CaCl2溶液中均有较好的分散稳定性，并可将界面张力降低到10-3mN/m以下。由于双子表面活性剂的合成步骤多、工艺相对复杂，所以成本相对较高，限制了它在提高采收率领域的应用规模。

为了进一步提高阴离子表面活性剂的抗盐能力，国内外学者重新进行了分子设计，开展了阴-非离子表面活性剂的合成研究，该类表面活性剂的特点是将非离子的氧乙烯基团插入到疏水链中，从而使阴离子表面活性剂具有良好的抗盐能力。美国的德克萨斯大学通过烷氧基化反应在脂肪醇上引入环氧化合物，然后再引入阴离子基团来合成阴-非离子表面活性剂，并通过调整聚合度来改变产物抗温和抗盐能力，满足不同工况下的驱油需要。中国石油、中国石化和大连理工大学等国内机构也先后进行了阴-非离子表面活性剂的合成研究，研发的烷基芳基醚羧酸/磺酸盐阴-非离子表面活性剂等产品最高抗温达到100℃，在中原油田高矿化度地层应用，提高了9.2%的采收率。

2.2 阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂在工业领域的研究应用较为广泛，目前最为成熟和产量最大的阳离子表面活性剂是十二烷基三甲基氯化铵和十六烷基三甲基氯化铵。20世纪90年代Milter等的研究结果表明：随着碳链的增长，阳离子表面活性剂的润湿能力加强，但当使用浓度低于CMC浓度时，其润湿性较差。阳离子表面活性剂具有良好的抗温和抗盐能力，并且在储层岩石表面的吸附能力也较低，具有良好的提高采收率效果。但是因为其成本较高、用量较大，限制了在油田三次采油领域的大规模应用。

2.3 两性离子表面活性剂

两性离子表面活性剂中最具代表性的是甜菜碱型两性离子表面活性剂。由于甜菜碱类表面活性剂具有良好的抗高价离子和形成超低表面活性的能力，20世纪70年代就被应用到三次采油中。李干佐等发现磺酸基甜菜碱可将体系的抗高价盐能力提高到5g/L。大庆油田的王德民等研制的磺酸型甜菜碱在5×10-5加量下即可将界面张力降低到0.001mN/m以下。东北石油大学的XIA等研究了甜菜碱类表面活性剂在微观条件下的驱油效果，并证实其可以通过进一步驱替残余油来提高采收率。甜菜碱型表面活性剂的主要缺点是与储层岩石之间的静电引力较大，造成其大量吸附，影响驱油效果，所以如何解决这一缺点也是相关学者急需攻克的技术难题。

2.4 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂也是一种被广泛研究并应用于三次采油领域的表面活性剂。该类表面活性剂的性能较为稳定，具有较好的抗高价盐能力，但由于非离子表面活性剂具有浊点效应，通常不能用于高温储层。Standnes等的研究发现，虽然增加非离子表面活性中的烯烃链节数可以提高其浊点，但仍然不能在高温储层中应用。

2.5 高分子表面活性剂

高分子表面活性剂通常具有较高的分子量（分子量＞103）。在自然界中广泛存在的淀粉、纤维素、蛋白石和生物聚合物等是天然高分子表面活性剂；由具有表面活性功能的单体共聚而成的是合成高分子表面活性剂。CAO 等使用纤维素和聚氧乙烯丙烯酸等为原料合成了一种高分子表面活性剂，在6×10-3的加量下可以将油水界面张力降低到0.01mN/m以下。ELRAIES 等使用丙烯酰胺和对甲基苯磺酸钠作为反应单体，APS作为引发剂，在较为友好的条件下，合成了一种高分子表面活性剂PES，随后的测试结果表明：PES通过吸附在油水界面可以大幅降低油水界面张力，随着碱性增加吸附能力下降，岩心驱替实验证实该种表面活性剂可以使采收率提高20.5%。现有的研究结果表明，高分子表面活性剂具有低毒和高效的特点，但在降低油水间界面张力和改善岩石润湿性方面的效果弱于常规的表面活性剂，如何使其更好地应用于三次采油领域，仍是国内外学者需要研究的问题。

2.6 生物表面活性剂

生物表面活性剂属于可生物降解和可循环再生的绿色化学品。钱涛等在大庆和胜利油田进行相关的现场应用正式，生物表面活性剂可将采收率提高10%以上。生物表面活性虽然具有良好的环保特性，但是由于对它的研究开展的较晚，相应的工业化生产规模较小，导致成本偏高，目前生产总量仅占全部表面活性剂总量的2%左右，在三次采油领域的应用则更少，有待于进一步研究和推广。

2.7 复配表面活性剂

由于地下储层的环境差异性较大，储层构造也千差万别，现场往往会出现实际驱油能力于与实验室测试能力，在使用单一表面活性剂的情况下这种问题更为明显。因此，相关学者在研发新型表面活性剂的同时，尝试进行已有表面活性剂的复配，实验发现部分复配的表面活性剂体系具有一定的协同效应，具有更好的驱油效果。

2.7.1 阴-阴离子表面活性剂

20世纪90年代，国内首次研究了石油磺酸盐和聚氧乙烯壬基苯酚醚乙酸盐复配后的体系抗盐性能的改变情况。研究发现，聚氧乙烯壬基苯酚醚乙酸盐可以有效提高整个体系的耐盐能力。黄宏度等的研究发现，将不同的特性的阴离子表面活性剂组成复合体系后，可以在提高驱油效果的同时，减少碱的使用，从而降低对地下水资源的影响。

2.7.2 阴-两性离子表面活性剂

由于两性离子表面活性剂具有抗温抗盐的特性，因此将阴离子表面活性剂与之复配可提高综合性能。周雅雯等将十二烷基苯磺酸钠和十四烷基甜菜碱型表面活性剂进行复配，发现体系表现出良好的协同作用，复配后的体系能显著降低表面张力，抗高价盐能力也得到明显提高；范海明等将十二烷基苯磺酸钠和十六烷基苯磺酸钠分别与甜菜碱型磷酸酯两性表面活性剂进行复配，发现复配体系的耐盐性和抗剪切能力明显提高，并且随着阴离子表面活性剂碳链的增加，抗盐性和抗剪切能力有增加的趋势。

2.7.3 阴-非离子表面活性剂

非离子表面活性具有稳定、抗高价盐的特性，其和阴离子表面活性剂复配也可以产生良好的驱油效果。王亚伟等将聚氧乙烯壬基酚醚和SDS组成复配体系，研究发现，该体系可以降低油水界面张力和提高抗高价盐效果。孙志斌等研究了阴-非离子表面活性剂复配体系在地层中的吸附效果，研究发现吸附效应的存在使驱油效果大幅度降低，但该复配体系可以减少表面活性剂在地层中的吸附效应。

3 结束语

1）表面活性剂驱油技术是开发难采储层的有效技术手段之一。随着难采储层的进一步开发利用，对表面活性的抗温抗盐能力提出了更高的要求，低成本高效率的表面活性剂成为研发的重要方向。

2）甜菜碱表面活性剂、高分子表面活性剂和生物表面活性剂均具有各自的优势，应该进一步加大研发力度和推广应用规模。

3）复配表面活性剂体系具有一定的协同效应，具有更好的驱油效果，也是提高采收率的一个主要研究方向。