關(guān)于在定邊采油廠實(shí)施表面活性劑驅(qū)油技術(shù)研究

【摘要】我國(guó)20世紀(jì)80年代初開(kāi)始圍繞提高石油采收率而進(jìn)行二次和三次采油的各項(xiàng)研究，目前在理論和實(shí)踐中有了較大的進(jìn)展，取得了不同的階段性成果。

【關(guān)鍵詞】表面活性劑；驅(qū)油技術(shù)；分類；研究

一、表面活性劑的驅(qū)油機(jī)理

通過(guò)考察表面活性劑分子在油水界面的作用特征、水驅(qū)后殘余油的受力情況以及表面活性劑對(duì)殘余油受力狀況的影響，認(rèn)為表面活性劑驅(qū)主要通過(guò)以下幾種機(jī)理提高原油采收率。

1、降低油水界面張力機(jī)理

在影響原油采收率的眾多決定性因素中，驅(qū)油劑的波及效率和洗油效率是最重要的參數(shù)。提高洗油效率一般通過(guò)增加毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)實(shí)現(xiàn)，而降低油水界面張力則是增加毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)的主要途徑。毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)與界面張力的關(guān)系見(jiàn)下式：

NC=νμW/σWO

式中：

NC——毛細(xì)管準(zhǔn)數(shù)，無(wú)量綱；

ν——驅(qū)替速度，m/s；

μW——驅(qū)替液粘度，mPa·s；

σWO——油和驅(qū)替液間的界面張力，MN/M。

NC越大，殘余油飽和度越小，驅(qū)油效率越高。增加μW和ν，降低σWO可提高NC。其中降低界面張力σWO是表面活性劑驅(qū)的基本依據(jù)。在注水開(kāi)發(fā)后期，NC一般在10-6～10-7，NC增加將顯著提高原油采收率，理想狀態(tài)下，NC增至10-2時(shí)，原油采收率可達(dá)100%。通過(guò)降低油水界面張力，可使NC有2～3個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。油水界面張力通常為20～30mN/m，理想的表面活性劑可使界面張力降至（10-4～10-3）mN/m，從而大大降低或消除地層的毛細(xì)管作用，減少了剝離原油所需的粘附力，提高了洗油效率。

2、乳化機(jī)理

油水系統(tǒng)中加入表面活性劑后，在一定條件下，可形成微乳液，從而降低或消除驅(qū)替流體與油之間的界面張力，使不流動(dòng)的油能夠流動(dòng)，或?qū)⒌貙又蟹稚⒌挠途奂?，形成一高含油飽和度帶，將水?qū)殘留下來(lái)的油驅(qū)替出來(lái)。表面活性劑的注入類型見(jiàn)圖（4-1），它包括：

（a）表面活性劑注入體系（A），注入體系中只有表面活性劑和水，不含油；（b）常規(guī)的微乳液注入體系（M），注入體系的組成處于雙結(jié)點(diǎn)曲線以上的單向區(qū)內(nèi)；（c）非混相微乳液注入體系（I），它的體系組成位于雙結(jié)點(diǎn)曲線以上或其臨近的區(qū)域；（d）可溶性油注入體系（S），體系主要由無(wú)水的高濃度表面活性劑和可溶性油組成。

比較常用的注入體系是M和I型，不同的注入類型，其驅(qū)油機(jī)理也不同，如A型注入體系的驅(qū)油機(jī)理主要是混相驅(qū)，而I型的驅(qū)油機(jī)理是非混相驅(qū)。注入體系與油水接觸后，表面活性劑段塞前沿全部組成將被稀釋，因此，微乳液的不同注入類型或同一注入類型的不同階段可呈現(xiàn)不同的驅(qū)油機(jī)理。

3、聚并形成油帶機(jī)理

從地層表面洗下來(lái)的油滴越來(lái)越多，它們?cè)谙蚯耙苿?dòng)時(shí)可相互碰撞，使油珠聚并成油帶，油帶又和更多的油珠合并，促使殘余油向生產(chǎn)井進(jìn)一步驅(qū)替。

4、改變巖石表面的潤(rùn)濕性（潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)機(jī)理）

研究結(jié)果表明，驅(qū)油效率與巖石的潤(rùn)濕性密切相關(guān)。油濕表面導(dǎo)致驅(qū)油效率差，水濕表面導(dǎo)致驅(qū)油效率好。合適的表面活性劑，可以使原油與巖石間的潤(rùn)濕接觸角增加，使巖石表面由油濕性向水濕性轉(zhuǎn)變，從而降低油滴在巖石表面的粘附功。

5、改變?cè)偷牧髯冃詸C(jī)理

原油中因含有膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、石蠟等而具有非牛頓流體的性質(zhì)，其粘度隨剪切應(yīng)力而變化。提高這類油田的采收率需改善異常原油的流變性，降低其粘度和極限動(dòng)剪切應(yīng)力。而用表面活性劑水溶液驅(qū)油時(shí)，一部分表面活性劑溶入油中，吸附在瀝青質(zhì)點(diǎn)上可以增強(qiáng)其溶劑化外殼的牢固性，減弱瀝青質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，削弱原油中大分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低原油的極限動(dòng)剪切應(yīng)力，提高采收率。

二、表面活性劑驅(qū)的分類

1、活性水驅(qū)

活性水驅(qū)是在油層中注入表面活性劑水溶液的采油方法，其表面活性劑水溶液的作用如下：

（1）降低界面張力，使殘余油變?yōu)榭闪鲃?dòng)油；

（2）改變地層表面的潤(rùn)濕性；

（3）增加原油在水中的分散作用；

（4）改變?cè)偷牧髯冃?，降低原油熟度和極限剪切應(yīng)力。

2、泡沫驅(qū)

利用表面活性劑發(fā)泡性配成驅(qū)油劑進(jìn)行采油的方法稱為泡沫驅(qū)。泡沫驅(qū)油劑的粘度比水大，由于氣阻效應(yīng)，故驅(qū)油效果比水好。

3、堿水驅(qū)

堿水驅(qū)是使原油中的環(huán)烷酸與堿作用形成皂類表面活性劑。這種采油方法成本低，但一般還需加入一些輔助表面活性劑更有效。

4、微乳液驅(qū)

微乳液驅(qū)是EOR中的—種較先進(jìn)的方法，但成本較高。它是將表面活性劑溶解到水中形成0.01～0.2μn大小的粒子，它具有熱力學(xué)穩(wěn)定性。微乳狀液注入地層形成段塞，溶解殘留在地層孔隙中的原油，達(dá)到飽和后再分離成油相從井中采出。

5、增稠水驅(qū)

利用增稠劑提高原油采收率，可以用部分水解聚丙烯酰胺作為注入水的增粘劑，有時(shí)也采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽或磺酸鹽以及表面活性劑混合物做增稠劑。

6、正向異常液驅(qū)

正向異常液驅(qū)是一種具有特殊流變性質(zhì)的液體，用作采油的注入液可提高原油采收率。配制這種正向異常液時(shí)需要使用一些可溶于水的陰離子皂類，如硬脂酸皂、棕櫚酸鈉、油酸鈉等。

三、表面活性劑溶液驅(qū)油

表面活性劑是指能夠由溶液中自發(fā)地吸附到界面上，并能顯著地降低該界面自由表面能（表面張力）的物質(zhì)。隨著合成表面活性劑的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)離子表面活性劑溶液在形成膠團(tuán)的濃度范圍內(nèi)及形成乳液的濃度范圍內(nèi)有兩個(gè)性質(zhì)發(fā)生突變的區(qū)域，表面活性劑與普通的原油體系在這兩個(gè)濃度范圍內(nèi)能夠形成超低界面張力，并有較好的驅(qū)油效果，既而發(fā)展成了低張力驅(qū)油體系和微乳液驅(qū)油體系兩種不同類型的技術(shù)。低張力表面活性劑驅(qū)油體系使用較低的表面活性劑濃度，表面活性劑分子在溶液中以膠團(tuán)形式存在，主要控制溶液與原油的界面張力達(dá)到1×10-2mN/m。

1、表面活性劑的類型及其性質(zhì)

由于各種表面活性劑的化學(xué)組成及分子結(jié)構(gòu)不同，在水溶液中呈現(xiàn)不同的特性。有些表面活性劑在水溶液可以電離為離子，有些則不能電離為離子。因此，根據(jù)這些物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可將表面活性劑分為離子型和非離子型兩大類。離子型表面活性劑分為陰離子型、陽(yáng)離子型和兩性型表面活性劑三種。

（1）陰離子型表面活性劑。陰離子型表面活性劑的分子不帶電荷，其單體上帶有一個(gè)無(wú)機(jī)金屬離子。由于陰離子型表面活性劑的性能比較好，相對(duì)來(lái)說(shuō)能克服滯留作用，而且穩(wěn)定性較好，成本也相對(duì)比較低，因此，目前各油田經(jīng)常使用的表面活性劑是陰離子型表面活性劑。

（2）陽(yáng)離子型表面活性劑。陽(yáng)離子型表面活性劑分子的極性端帶正電荷，在水溶液中電離時(shí)形成具有表面活性的陽(yáng)離子和陰離子，陽(yáng)離子是烴鏈，陰離子通常是Cl-，Br-等鹵離子。在油田上很少使用陽(yáng)離子表面活性劑，原因是它們被地層孔隙中粘土的陰離子層大量吸附。

（3）兩性型表面活性劑。這類表面活性劑分子中既有陰離子親水基又有陽(yáng)離子親水基而呈現(xiàn)兩性，常用的有氨基酸型和甜菜堿型等兩性表面活性劑。由于該種表面活性劑對(duì)金屬離子有螯合作用，因而大多數(shù)都可用于高礦化度、較高溫度的油層驅(qū)油，且能大大降低非離子型與陰離子型活性劑復(fù)配時(shí)的色譜分離效應(yīng)。

（4）非離子型表面活性劑。非離子表面活性劑親水基為非離子基團(tuán)。由于非離子性基團(tuán)的親水性要比離子性基團(tuán)差得多，因此非離子性表面活性劑要保持較強(qiáng)的乳化作用，此類表面活性劑的優(yōu)點(diǎn)是抗鹽能力強(qiáng)，臨界膠束濃度低，耐多價(jià)陽(yáng)離子的性能好等特點(diǎn)。但在地層中穩(wěn)定性差，吸附量比陰離子表面活性劑高，而且不耐高溫，價(jià)格高。

2、表面活性劑分子在油水界面的作用特征

表面活性劑分子由性質(zhì)截然不同的兩部分組成：一部分是親水的極性部分，另一部分是親油的非極性部分，造成表面活性劑分子在其水溶液中很容易吸附于氣-水（或油-水）界面上形成獨(dú)特的定向排列的單分子膜。正是由于表面活性劑在溶液表面（或油-水界面）的定向吸附，使表面活性劑具有很多特有的表面活性。

界面張力降低是表面活性劑的兩親分子取代界面溶劑分子的結(jié)果。界面上富集的兩親分子越多，兩親分子與油相分子和水相分子間的作用越接近相等且絕對(duì)值越大，則界面張力就可能越低。因此，混合表面活性劑在降低界面張力方面的協(xié)同效應(yīng)最終由表面活性劑分子間及其與油分子和水分子間的相互作用決定。

3、水驅(qū)后殘余油的受力狀況

微觀水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)表明，水驅(qū)后油層中一般還有50%以上的殘余油。在注入水波及到的范圍內(nèi)，殘余油以膜狀、柱狀、簇狀等幾種形態(tài)滯留在油層中，這些滯留在油層中的油由于受到毛細(xì)管力、粘附力和內(nèi)聚力的作用而成為殘余油。如果在注入水中加入表面活性劑進(jìn)行活性水驅(qū)，毛細(xì)管力、粘附力和內(nèi)聚力可大大降低。表面活性劑驅(qū)油（包括一些其他三次采油方法）的主要目的就是要降低這部分殘余油飽和度。

（1）毛管力。毛細(xì)管力是孔喉道中非潤(rùn)濕相流體驅(qū)替潤(rùn)濕相流體所受到的阻力，計(jì)算公式如下：

PC=2σCOS/r

采用表面活性劑后，由于界面張力σ和接觸角的改變，與水驅(qū)相比，毛細(xì)管力可大大降低。

（2）粘附力。粘附力是原油在巖石表面的附著力。由于存在粘附力，將油從巖石表面剝離下來(lái)，就需要克服粘附力。粘附力W可用下式計(jì)算：W=σ（1-COS）

粘附力是驅(qū)替膜狀、盲狀殘余油須克服的力。

采用表面活性劑驅(qū)后，由于界面張力σ和接觸角θ的改變，與水驅(qū)相比，粘附力可大大降低。

（3）內(nèi)聚力。內(nèi)聚力是原油分子間的作用力。設(shè)將半徑為r1的油滴塊分散成若干等半徑r2的小油滴，所做功可用下式計(jì)算：

A=4πnr22σ（1-r2/r1）

采用表面活性劑驅(qū)后，由于界面張力σ降低，與水驅(qū)相比，分散功可大大降低。

4、表面活性劑驅(qū)的驅(qū)油特征

表面活性劑驅(qū)油完全不同于聚合物驅(qū)油，其驅(qū)油機(jī)理不是通過(guò)增加驅(qū)替液的粘度增加波及體積以提高驅(qū)油效率，而是通過(guò)改變?cè)偷娜榛阅埽档陀退缑鎻埩?，降低殘余油飽和度，提高洗油效率，提高采收率?/p>

5、應(yīng)用前景

隨著世界能源需求的增加，對(duì)石油的開(kāi)采量及開(kāi)采效率的要求越來(lái)越高，常規(guī)的采油方法（一次和二次法）一般僅采出原油地質(zhì)儲(chǔ)量的1/3，大約2/3的原油仍留在油層中，當(dāng)常規(guī)方法生產(chǎn)的原油產(chǎn)量不斷下降時(shí)，提高原油采出率將在資源利用方面發(fā)揮重要作用。

鑒于定邊油田特低滲的地質(zhì)情況，天然能量不足，一次采收率極低，若能夠把表面活性劑驅(qū)這種方法應(yīng)用于該區(qū)塊，將會(huì)更有效地提高石油采收率。從而達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。