表面活性劑驅(qū)油技術(shù)提高采收率機(jī)理及影響因素分析

王 鑫

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)是由一種具有極強(qiáng)親油性的粒子和一種具有極強(qiáng)親水性的粒子組成的。以表面活性劑溶液作為驅(qū)油劑來提高原油采收率的驅(qū)油方法就是表面活性劑驅(qū)油技術(shù)。將表面活性劑溶入水后，將可以分解出離子的稱為離子型表面活性劑，而不能分離出離子的稱為非離子型表面活性劑。離子型表面活性劑常用于表面活性劑驅(qū)油技術(shù)，分為陽離子型表面活性劑、陰離子型表面活性劑和兩性型表面活性劑。表面活性劑進(jìn)入溶液后，親水性粒子會(huì)向水相靠攏并試圖融于水相，而親油性粒子會(huì)逐漸遠(yuǎn)離水相而接近油相。這樣的特性使表面活性劑大量吸附在油水混合物中的油水界面上并形成薄膜。表面活性劑溶解于油水混合物后，能降低油水界面的界面張力，產(chǎn)生潤濕、乳化、氣泡、增溶等一系列效應(yīng)[1]。表面活性劑在油水界面上吸附的越多，界面張力降低的幅度就越大。

表面活性劑驅(qū)油技術(shù)作為化學(xué)驅(qū)油技術(shù)中的一種，作用對(duì)象為油藏孔隙中的殘余油和剩余油?；瘜W(xué)驅(qū)油技術(shù)提高采收率的原理主要有三點(diǎn)：（1）改變原油在油藏孔隙中的運(yùn)動(dòng)特征和運(yùn)動(dòng)性能[2]；（2）優(yōu)化原油和驅(qū)替介質(zhì)之間相互作用時(shí)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)；（3）優(yōu)化油藏的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)[3]。真正理想的驅(qū)油技術(shù)應(yīng)該同時(shí)滿足上述三點(diǎn)而且滿足各類油藏條件，但是目前還未找到完全滿足以上條件的理想驅(qū)油技術(shù)[4]。表面活性劑驅(qū)油技術(shù)作為化學(xué)驅(qū)油技術(shù)的一種，其作用主要是降低油水混合物的表面張力，以此改變殘余油和剩余油在油藏孔隙中的運(yùn)動(dòng)特征，減少能量損失，提高油水混合物運(yùn)移效率，達(dá)到提高原油采收率的目的。

1 表面活性劑驅(qū)油技術(shù)提高采收率機(jī)理

（1）降低油水混合物的界面張力。使用表面活性劑驅(qū)油時(shí)，表面活性劑作用于油藏中的油水混合物并吸附于油水界面上，降低了油水界面的表面張力。油水混合物界面張力減小，殘余油和剩余油的混合物液滴會(huì)更容易聚集形成流體，聚集后的油水混合物流動(dòng)性增強(qiáng)[5]。油水界面的張力越小，油藏孔隙對(duì)油水混合物的阻力也就越小，油水混合物在油藏孔隙中就越容易運(yùn)移。

（2）增強(qiáng)巖石的潤濕性。油水混合物在油藏孔隙中流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過親油油層時(shí)混合物中的油相會(huì)很容易吸附在油藏中的巖石表面上，降低了油水混合物的流動(dòng)性[6]。而選用適宜的表面活性劑可以使油藏中的親油巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水巖石，降低了巖石表面對(duì)油水混合物的吸附力，提高了油水混合物在油藏孔隙中的流動(dòng)性。減小了油水混合物在油藏孔隙中流動(dòng)所損失的能量，增強(qiáng)了油水混合物在油藏孔隙中的驅(qū)替效率[7，8]。

（3）乳化作用。表面活性劑溶入油藏中的油水混合物后會(huì)吸附在混合物的油水界面上并形成乳狀液體。乳狀液體不易吸附在油藏中的巖石表面上，從而增強(qiáng)了油水混合物的流動(dòng)性，降低了油水混合物因?yàn)槟プ柙斐傻哪芰繐p失，使油水混合物在油藏孔喉中更好的聚集并且運(yùn)移[9]。

（4）調(diào)節(jié)油水極性。表面活性劑驅(qū)油過程中往往會(huì)加入醇類添加劑。醇類添加劑具有調(diào)節(jié)油水混合物中水相極性和油相極性的性能。使表面活性劑更多的吸附在油水界面上，充分發(fā)揮表面活性劑的性能，最大程度降低油水混合物的界面張力。

2 表面活性劑驅(qū)油技術(shù)的影響因素分析

2.1 表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)

表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)對(duì)油水混合物的界面張力有很大的影響。一般分子結(jié)構(gòu)中帶有支鏈的表面活性劑加入油水混合物后產(chǎn)生的界面張力比加入相同量但分子結(jié)構(gòu)中不帶支鏈的表面活性劑所產(chǎn)生的界面張力要小得多。而表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中基鏈的長度也會(huì)影響其驅(qū)油效果，基鏈的長度越長，加入油水混合物后所產(chǎn)生的界面張力也越小。但基鏈中碳原子的數(shù)量一旦超過14個(gè)，隨著基鏈長度的增加界面張力又會(huì)重新增大[10，11]。可以認(rèn)為表面活性劑要起到最大程度降低油水混合物界面張力的作用，則其分子結(jié)構(gòu)中基鏈上碳原子的數(shù)量存在一個(gè)臨界值，當(dāng)基鏈上碳原子數(shù)量大于這個(gè)臨界值時(shí)，基鏈就會(huì)干擾表面活性劑與水的相互作用，從而減弱了界面張力降低的程度，也就是減弱了表面活性劑的驅(qū)油效果。所以在使用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)來提高原油采收率時(shí)，加入油水混合物的表面活性劑一般選擇分子結(jié)構(gòu)中基鏈上碳原子數(shù)量在12～16 個(gè)[12，13]。

2.2 表面活性劑溶液的濃度

一般情況下，油水混合物中所加入的表面活性劑濃度越高，油水混合物的界面張力越小。但是表面活性劑濃度對(duì)于降低油水混合物界面張力的影響依然存在一個(gè)臨界值[14]。當(dāng)表面活性劑的濃度大于這個(gè)臨界值時(shí)，油水混合物的界面張力就不會(huì)再隨著表面活性劑濃度的增加而起變化。繼續(xù)增大表面活性劑濃度，界面張力甚至?xí)_始重新增加。這是因?yàn)楫?dāng)表面活性劑濃度低于臨界濃度時(shí)，增大活性劑濃度時(shí)油水混合物界面上的表面活性劑濃度也隨之增大，表面活性劑的作用增強(qiáng)，這時(shí)油水混合物的界面張力會(huì)越來越小。當(dāng)表面活性劑濃度大于臨界濃度時(shí)，繼續(xù)增大活性劑濃度，油水混合物界面上的活性劑會(huì)逐漸進(jìn)入油相之中，這樣就降低了油水混合物界面上的表面活性劑濃度，相應(yīng)的也就減小了表面活性劑對(duì)油水混合物界面張力的影響，油水混合物界面張力逐漸變大。

2.3 表面活性劑中的鹽濃度

表面活性劑驅(qū)油技術(shù)中，表面活性劑溶液中的鹽濃度是一個(gè)重要的影響因素。理想狀態(tài)下希望利用表面活性劑使油水混合物界面張力降低至最低值從而達(dá)到最佳的驅(qū)油效率。而油水混合物表面張力達(dá)到“最低值”的條件就是使表面活性劑和混合物中水相作用形成的界面張力等于表面活性劑和混合物中油相作用形成的界面張力[15]。油相界面張力等于水相界面張力時(shí)，整個(gè)油水混合物的界面張力最小，驅(qū)油效率最高。而調(diào)節(jié)表面活性劑與油水混合物中油相、水相之間相互作用程度就是依賴鹽濃度的大小?？梢哉J(rèn)為加入油水混合物中的表面活性劑存在一個(gè)“最佳鹽濃度”，可以使活性劑加入后混合物中油相界面張力等于水相界面張力，從而達(dá)到油水混合物表面張力的最低值。此時(shí)油水混合物在油藏孔隙中磨阻最小，能量損失最低，驅(qū)油效率最高。至于溶液中的鹽具體控制油相和水相的界面張力的機(jī)理目前仍然是未解之謎，也是未來表面活性劑驅(qū)油技術(shù)所要攻克的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.4 原油屬性

原油主要是由碳?xì)浠衔锝M成。不同油藏中原油的屬性不同，造成原油屬性不同的主要原因就是組成原油的碳?xì)浠衔锊煌?，不同的碳?xì)浠衔镉兄煌姆肿咏Y(jié)構(gòu)。除了前文中提到的分子結(jié)構(gòu)中基鏈上碳原子的數(shù)量會(huì)影響油水混合物和表面活性劑反應(yīng)后的界面張力，組成原油的分子結(jié)構(gòu)中不同類型的烴（如烷烴，環(huán)烷烴）與同一表面活性劑反應(yīng)后的界面張力變化程度也不相同[16，17]。還有原油分子結(jié)構(gòu)中的碳?xì)浔纫彩怯绊懡缑鎻埩Φ闹匾蛩豙18]。也就是說，同一表面活性劑與屬性不同的原油反應(yīng)所形成的油水混合物的界面張力會(huì)有很大的差別。因此，針對(duì)不同油藏區(qū)塊應(yīng)用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)提高采收率時(shí)，應(yīng)先對(duì)該區(qū)塊油藏的原油屬性進(jìn)行分析。主要分析原油分子結(jié)構(gòu)中的基鏈碳原子數(shù)量，碳?xì)浔纫约盁N的類型，這樣才能匹配出最適應(yīng)該區(qū)塊油藏的表面活性劑。

2.5 地層溫度

不同油藏所處地層深度不同，不同深度的地層溫度也不相同。應(yīng)用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)時(shí)，當(dāng)油藏溫度高于某一數(shù)值后，表面活性劑會(huì)吸附在油藏孔隙的巖石上，降低了與油水混合物反應(yīng)的表面活性劑濃度，影響了反應(yīng)后界面張力的改變。表面活性劑吸附在油藏孔隙的巖石表面上，使原油運(yùn)移的通道變窄，甚至造成孔喉堵塞，影響原油運(yùn)移，降低了驅(qū)油效率[19]。除此之外，高溫環(huán)境會(huì)使整個(gè)表面活性劑體系性能變低，甚至失效。所以，在應(yīng)用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)時(shí)，要測定油藏儲(chǔ)層的溫度，然后選定在該溫度下性能不受影響或影響較小的表面活性劑來提高原油采收率。目前，尋找適用于高溫環(huán)境下的表面活性劑也是表面活性劑驅(qū)油技術(shù)的研究熱點(diǎn)和前沿[20]。

2.6 醇類添加劑

在表面活性劑中加入醇類添加劑目前普遍應(yīng)用于表面活性劑驅(qū)油技術(shù)，將這種醇類添加劑稱為助表面活性劑[21]。醇類添加劑隨表面活性劑加入油水混合物后，添加劑中的醇分子可以降低油水混合物表面的電荷數(shù)[22]。而油水混合物表面的電荷數(shù)降低后要重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這時(shí)就會(huì)使表面活性劑繼續(xù)分解并釋放電荷。表面活性劑持續(xù)分解，提高了活性劑的效率，活性劑性能增強(qiáng)，驅(qū)油效率提高[23]。醇類添加劑還可以和油水混合物中的鹽反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)鹽濃度來降低表面活性劑的能量損耗，提高表面活性劑性能和驅(qū)油效率[24]。醇類添加劑還可以降低油水混合物的黏度，降低巖石孔隙對(duì)油水混合物的磨阻，減少油水混合物在運(yùn)移過程中的能量損失[25，26]。所以選擇合適的醇類添加劑可以更好發(fā)揮表面活性劑的性能，提高表面活性劑驅(qū)油技術(shù)的驅(qū)油效率。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)提高原油采收率時(shí)，選取的表面活性劑其分子結(jié)構(gòu)中的基鏈上碳原子數(shù)量應(yīng)保持在12～16個(gè)，基鏈上碳原子數(shù)量為14個(gè)時(shí)最為適宜。

（2）對(duì)某區(qū)塊油藏使用表面活性劑提高驅(qū)油效率之前應(yīng)先測定該區(qū)塊油藏中油水混合物與不同濃度表面活性劑反應(yīng)之后的界面張力，確定油水混合物界面張力最低值所對(duì)應(yīng)的表面活性劑濃度為臨界濃度。在實(shí)施表面活性劑驅(qū)油技術(shù)時(shí)加入地層的活性劑濃度應(yīng)配制在臨界濃度左右。

（3）油水混合物中油相界面張力與水相界面張力相等時(shí)整個(gè)油水混合物界面張力最小。而表面活性劑中鹽濃度的大小是調(diào)節(jié)水相界面張力和油相界面張力的關(guān)鍵。在確定表面活性劑類型和濃度后應(yīng)調(diào)節(jié)活性劑中的鹽濃度達(dá)到“最佳鹽濃度”。這樣才能使相同表面活性劑達(dá)到最佳的驅(qū)油效果。

（4）地層深度過高的油藏不適合采用表面活性劑驅(qū)油技術(shù)。高溫會(huì)使表面活性劑性能變差或完全失效，達(dá)不到提高采收率的目的。

（5）適宜的醇類添加劑可以提高表面活性劑性能，加強(qiáng)驅(qū)油效率。還可以降低油水混合物的黏度和鹽濃度，提高油水混合物流動(dòng)性能，提高原油采收率。

4 結(jié)語

闡述表面活性劑驅(qū)油技術(shù)的原理，根據(jù)作用方式和作用結(jié)果的不同對(duì)表面活性劑驅(qū)油技術(shù)提高原油采收率的機(jī)理進(jìn)行分析。綜合分析表面活性劑驅(qū)油技術(shù)中的各項(xiàng)影響因素，說明各項(xiàng)影響因素在表面活性劑驅(qū)油過程中起到的作用，尤其是在表面活性劑不同性質(zhì)對(duì)降低油水混合物界面張力影響的綜合分析顯得具有實(shí)際意義。針對(duì)油藏環(huán)境中影響因素的分析對(duì)提高表面活性劑驅(qū)油效率具有重要的指導(dǎo)意義。