聚表劑驅(qū)油技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉帥，白崇高，蒲春生，3，白云，姬志賢，劉靜

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.延長油田股份有限公司靖邊采油廠，陜西 榆林 719000；3.延安中石大油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司，陜西 延安 716000)

國外油田多以海相沉積相為主，而我國油田多以陸相碎屑巖沉積相為主，具有地層孔隙度與滲透率低且儲(chǔ)層非均質(zhì)性復(fù)雜的特點(diǎn)，因此對(duì)我國油田開發(fā)生產(chǎn)造成了很大的困難；并且我國的多數(shù)油田目前處于高含水和高采出程度階段，產(chǎn)量呈現(xiàn)出不同程度的遞減，開發(fā)效果差，開采成本大[1-2]。針對(duì)這些問題，我國的采油技術(shù)先后經(jīng)歷了一次采油、二次采油以及三次采油來滿足不同階段的油田開發(fā)需求，其中化學(xué)驅(qū)是目前三次采油技術(shù)中提高采收率的主要手段。

1 油用聚表劑的提出

1.1 傳統(tǒng)的化學(xué)驅(qū)技術(shù)

1.1.1 聚合物驅(qū) 主要通過溶解后來增加驅(qū)替液的粘度，改善水油流度比來提高驅(qū)油波及系數(shù)。目前常用的水溶性聚合物主要分為兩類，一類是人工合成的部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，因成本較低，增粘效果明顯而被廣泛使用，但卻不耐高溫，在較深地層中無法使用；另一類是生物聚合物黃原膠，具有抗鹽性能好、抗剪切性能好以及在地層中的吸附損失量小的優(yōu)點(diǎn)，但其注入性差，成本高，不耐高溫且只有粘性沒有彈性使得無法大范圍推廣使用[3]。

1.1.2 堿水驅(qū) 利用原油中的酸組分與堿水進(jìn)行反應(yīng)，生成表面活性劑鹽類物質(zhì)，再通過生成物來降低油水界面張力，減小油流阻力。

1.1.3 表面活性劑驅(qū) 該方法通過改變巖石潤濕性和毛細(xì)管現(xiàn)象產(chǎn)生的負(fù)面因素來提高洗油效率，但對(duì)地層條件的要求較為苛刻，包括地層水的礦化度、地層的溫度、滲透率以及巖性等，以避免表面活性劑的損失而影響驅(qū)油效果。

1.1.4 二元復(fù)合驅(qū)油 分為堿-表面活性劑驅(qū)(AS)和表面活性劑-聚合物驅(qū)(SP)，前者的驅(qū)油效果取決于原油中的含酸量，后者雖綜合了聚合物驅(qū)和表面活性劑驅(qū)各自的優(yōu)點(diǎn)，但在高溫、高礦化度地層中卻很難投入使用。

1.1.5 三元復(fù)合驅(qū)油 即堿-表面活性劑-聚合物驅(qū)(ASP)，雖然通過使用價(jià)格便宜的堿代替了部分表面活性劑，降低了驅(qū)替成本，但同時(shí)也由于堿的使用，使得地層中的結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，堵塞管道和地層孔隙；在驅(qū)替過程中還會(huì)在多孔介質(zhì)中發(fā)生“色譜效應(yīng)”[4]，影響驅(qū)油效果。

1.2 新型聚合物的研究方向

對(duì)傳統(tǒng)聚合物進(jìn)行改良優(yōu)化的主要有以下原因，一方面是由于在上述幾種傳統(tǒng)的化學(xué)驅(qū)方法中，聚合物驅(qū)表現(xiàn)出最為經(jīng)濟(jì)有效的發(fā)展前景，適合在很長一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大范圍推廣使用;另一方面是為解決在一些較為復(fù)雜地層中會(huì)出現(xiàn)注入的聚合物溶液與地層適應(yīng)性差以及注入能力低等問題，通過對(duì)聚合物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次上的改造來提高其注入性能，且這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展已較為成熟。其改造思路主要是通過對(duì)聚合物分子鏈的改造來提高聚合物的注入性能：在一級(jí)結(jié)構(gòu)層面上引入耐溫、耐鹽、耐水解等活性基團(tuán)，二級(jí)結(jié)構(gòu)層面上增加分子鏈的剛性，三級(jí)結(jié)構(gòu)層面上通過分子間作用形成超分子結(jié)構(gòu)。目前研究的新型聚合物主要包括梳形聚合物、疏水締合聚合物、耐高溫、耐高鹽單體共聚物以及兩性聚合物的研究[5]。

1.3 新型驅(qū)油劑——聚表劑

傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)所使用的驅(qū)油劑已不能夠滿足當(dāng)下提高采收率的需求，在對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)油劑進(jìn)行改性的基礎(chǔ)上，聚表劑作為近年來新興發(fā)展起來的一種高效驅(qū)油劑，利用分子間相互作用的分子設(shè)計(jì)思想，將某些專用的活性物質(zhì)官能團(tuán)接枝到柔性的聚合物分子鏈上，從而設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的驅(qū)油劑分子，故其又稱多元接枝聚表劑或功能型聚合物表面活性劑(以下簡稱聚表劑)[6]。相比三元復(fù)合驅(qū)油，聚表劑可以在不用堿的條件下，綜合了聚合物驅(qū)和表面活性劑驅(qū)二者的優(yōu)勢，屬于集增粘、乳化于一體的一元驅(qū)。

2 聚表劑特性、驅(qū)油機(jī)理及其礦場應(yīng)用

2.1 聚表劑的特性

在傳統(tǒng)驅(qū)油技術(shù)中，各大油田常以加聚合物和表面活性劑(提高波及系數(shù)和洗油效率)這兩種途徑來提高采收率，而聚表劑綜合了二者的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)驅(qū)油劑相比，具有明顯的優(yōu)越特性。

2.1.1 降低界面張力 普通聚合物不具有表面活性，但聚表劑由于對(duì)其結(jié)構(gòu)上的改變而賦予其特有的表面活性，在親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的作用下，體系的油水界面張力趨于降低。

2.1.2 更穩(wěn)定的乳化特性 與一般表面活性劑不同，聚表劑的乳化原油性能是依靠其長鏈結(jié)構(gòu)來包裹油滴，再借助長鏈上嫁接的表面活性劑發(fā)揮作用。相比單個(gè)表面活性劑分子吸附在油水界面使原油乳化，聚表劑依靠其在水中形成的特有的三維空間結(jié)構(gòu)來包裹油滴，形成的界面保護(hù)膜更牢固，能夠有效阻止油滴聚集。

2.1.3 更強(qiáng)的增粘效果 普通的聚合物HPAM溶液，其分子鏈在靜電斥力的作用下更加舒展，分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)無規(guī)則的空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而聚表劑分子由于在其分子側(cè)鏈上嫁接了不同的活性基團(tuán)，之間會(huì)發(fā)生分子間與分子內(nèi)的交聯(lián)反應(yīng)，使分子鏈更加舒展，并且分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)片-網(wǎng)狀三維空間結(jié)構(gòu)。相比普通聚合物HPAM溶液，聚表劑分子在水溶液中的分子結(jié)構(gòu)體積更大，形成的分子線團(tuán)平均尺寸更大，故表現(xiàn)出更強(qiáng)的增粘性能，可以更有效地改變水驅(qū)油過程中的水油流度比。

2.1.4 耐溫抗鹽性能大幅度提升 當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時(shí)，普通HPAM分子鏈上的電荷會(huì)被溶液中的離子屏蔽，離子間的靜電斥力作用減弱，溶液中的電解質(zhì)會(huì)壓縮分子鏈上水化膜的雙電子層，使分子鏈蜷縮，在宏觀上表現(xiàn)出粘度降低的效果，即表現(xiàn)出不耐鹽性；且溫度升高，聚合物分子運(yùn)動(dòng)速度加快，導(dǎo)致長鏈分子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即表現(xiàn)出不耐溫性。而聚表劑分子由于其非極性側(cè)鏈在溶液中不電離出離子，故其具有較好的耐鹽性能，同時(shí)還可以通過適當(dāng)?shù)匾胼^長側(cè)基或環(huán)狀結(jié)構(gòu)來提高驅(qū)油劑的耐溫性。

2.1.5 具有抗生物降解，抗氧化降解能力 普通聚合物在有氧的條件下表現(xiàn)出粘度下降的特性，主要是由于氧氣的存在使得聚合物分子鏈發(fā)生部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致粘度下降。而聚表劑由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，能夠起到較好的抗生物降解以及抗氧化降解能力，因此聚表劑溶液的配制可使用采油污水進(jìn)行配制，是一種對(duì)環(huán)境友好型的新型驅(qū)油劑。

2.2 聚表劑的性能評(píng)價(jià)

目前我國對(duì)油用聚表劑的研究主要集中在聚表劑分子結(jié)構(gòu)、基本性質(zhì)以及驅(qū)油機(jī)理這幾個(gè)方面，在聚表劑合成方面鮮有報(bào)道，且目前仍處于現(xiàn)場試用階段。

2.2.1 分子結(jié)構(gòu)表征 冉法江[7]通過對(duì)聚表劑特征官能團(tuán)研究，提出聚表劑是以丙烯酰胺為基礎(chǔ)且含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)和EO鏈的改性產(chǎn)物；閆麗萍[8]對(duì)聚表劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做出詳細(xì)闡述，即具有分子自組裝行為的有序性，接枝改造后的雙親性和快速互溶性，抗鹽、抗氧化降解和抗生物降解的特性，形成超大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)原油的乳化增溶性能；牛麗偉等[9]認(rèn)為聚表劑的分子側(cè)鏈上由于嫁接了活性基團(tuán)，可在水溶液中發(fā)生大規(guī)模的交聯(lián)反應(yīng)，與聚合物以及Cr3+聚合物凝膠相比較，其分子形態(tài)呈現(xiàn)片-網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子線團(tuán)尺寸最大，分布最分散。

2.2.2 降低界面張力評(píng)價(jià) 王猛[10]、高天怡[11]認(rèn)為聚表劑分子鏈上的活性基團(tuán)使聚表劑溶液具有一定的降低界面張力的能力，可顯著提高洗油效率，但由于具有較多的長支鏈結(jié)構(gòu)，其降低油水界面張力的能力稍弱于普通表面活性劑。

2.2.3 增粘效果評(píng)價(jià) 姜祥成[12]、崔佳興等[13]均認(rèn)為聚表劑的最佳增粘效果存在臨界濃度與臨界礦化度，且臨界濃度前后聚表劑溶液中的主導(dǎo)增粘機(jī)理不同，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明聚表劑溶液的耐溫性和粘度穩(wěn)定性均優(yōu)于普通聚合物溶液。李梅[14]通過開展聚表劑的乳化增粘特性研究，得出當(dāng)聚表劑濃度>1 200 mg/L時(shí)，粘度增幅可達(dá)到50%，增粘效果明顯；陳楠對(duì)海博聚表劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，提出海博聚表劑具有高效的增粘能力和長期的穩(wěn)定性。

2.2.4 乳化性能評(píng)價(jià) 張興光[15]、陳成等[16]研究了功能型聚表劑對(duì)原油乳化性能的影響，陳成認(rèn)為聚表劑水溶液呈現(xiàn)彈性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃筒都渲?，阻止了油滴的聚并。隋彥芬[17]通過對(duì)聚表劑乳狀液特性進(jìn)行研究得出，含水率會(huì)使乳狀液的類型和粘度發(fā)生突變，而剪切對(duì)聚表劑乳狀液的穩(wěn)定性影響較小。付國強(qiáng)[18]以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了聚表劑不僅具有良好的注入性能，且在HD1801-1型聚表劑作用下所形成的乳狀液經(jīng)剪切后粘度保留率仍可達(dá)52.1%。

2.2.5 注入性能評(píng)價(jià) 李靜[19]、趙利等[20]對(duì)聚表劑的注入性能進(jìn)行研究得出聚表劑具有較高阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。李丹等[21]認(rèn)為聚表劑驅(qū)比普通的聚合物驅(qū)具有更好的注入性能，且剖面調(diào)整作用強(qiáng)，能夠改善薄差油層的原油流動(dòng)狀況。

2.3 聚表劑的驅(qū)油機(jī)理

韓偉寧等[22]認(rèn)為聚表劑主要通過黏彈機(jī)理、乳化增溶機(jī)理以及調(diào)控油水流度比來提高原油采收率。龔亞[23]以微觀驅(qū)油機(jī)理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚表劑能夠有效地封堵高滲透層起到調(diào)剖作用，并在驅(qū)替過程中對(duì)原油表現(xiàn)出很強(qiáng)的拖拽能力。王貴江[24]、于倩男等[25]認(rèn)為聚表劑主要通過流度控制能力與乳化封堵能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)原油的驅(qū)替，且流度控制能力對(duì)原油的驅(qū)替效率要遠(yuǎn)大于其洗油效率對(duì)提高采收率的貢獻(xiàn)。

2.3.1 增粘性驅(qū)油機(jī)理 聚表劑分子在水溶液中的超大分子結(jié)構(gòu)賦予了聚表劑對(duì)水較強(qiáng)的稠化特性，而聚表劑對(duì)油的粘度幾乎沒有影響，在驅(qū)替過程中可以很好地控制水油流度比，進(jìn)而增大波及系數(shù)。

2.3.2 黏彈性驅(qū)油機(jī)理 張宏方[26]通過實(shí)驗(yàn)室?guī)r心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明了殘余油是被聚合物溶液“拉”出來的，而不是“推”出來的，證實(shí)了聚合物溶液的黏彈性驅(qū)油機(jī)理。聚表劑是對(duì)聚合物分子的嫁接改造，同樣具有黏彈性驅(qū)油機(jī)理。在增加驅(qū)替液粘度的同時(shí)，也能夠?qū)λ?qū)后形成的柱狀、簇狀、膜狀以及盲端狀殘余油進(jìn)行有效的“拽”“拉”驅(qū)替。即達(dá)到了在改善水油流度比的同時(shí)也減少了殘余油飽和度的目的，進(jìn)而提高采收率。

2.3.3 乳化增溶驅(qū)油機(jī)理 一般表面活性劑分子通過在油水界面上的定向吸附，可形成水包油型乳狀液或油包水型乳狀液，從而阻止液滴聚集。在一定的表面活性劑濃度下，表面活性劑分子緊密的排列在油水界面上，親水基伸向水相，親油基留在油相中，能夠有效地降低界面張力并乳化原油。而聚表劑由于其網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu)能夠形成巨大的吸附腔來包裹油滴，形成的界面保護(hù)膜更加牢固，乳液穩(wěn)定性更好，增溶原油能力更強(qiáng)；同時(shí)在聚表劑強(qiáng)的增粘作用下，驅(qū)替液粘度增加，能夠有效抑制乳液的分層與乳液液滴的聚集。

2.2.4 潤濕反轉(zhuǎn)驅(qū)油機(jī)理 對(duì)于水濕性巖石，毛管力是水驅(qū)油的動(dòng)力，而對(duì)于油濕性巖石，毛管力是水驅(qū)油的阻力。故改變巖石潤濕性是水驅(qū)油過程中提高原油采收率的一個(gè)重要因素。表面活性劑通過在巖石表面的吸附能夠有效地改變巖石潤濕性，并起到降壓增注的效果。通過在聚表劑分子結(jié)構(gòu)上引入季銨鹽等表面活性劑單元，降低原油對(duì)巖石的吸附作用，提高洗油效率。

2.4 聚表劑的應(yīng)用

聚表劑作為近年來一種新型的驅(qū)油劑，雖然目前的大多數(shù)研究停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但仍有部分油田對(duì)聚表劑進(jìn)行了現(xiàn)場投入試用，如大慶油田[27]、河南油田[28]、長慶油田[29]等。其使用的現(xiàn)場資料表明，聚表劑在驅(qū)油過程中表現(xiàn)出獨(dú)特的粘彈性與乳化增溶性效果，使得采出液中的含水率極大降低，原油采收率得到很大程度上的提高。例如在大慶油田杏五試驗(yàn)區(qū)，截至2011年3月底，使用聚表劑驅(qū)替的采油井其含水率最大可下降68%左右，原油采收率最大可提高18.6%左右。

但聚表劑在一些低滲透油藏中的使用也表現(xiàn)出一些問題，由于其在水溶液中形成的超大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在增大驅(qū)替液粘度的同時(shí)也會(huì)封堵一些低滲透層孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，需要注入一定的化學(xué)劑進(jìn)行解堵。目前國外對(duì)于聚表劑驅(qū)替過程中出現(xiàn)的堵塞問題已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，例如利用一種降解酶對(duì)堵塞地層進(jìn)行調(diào)控，該方法已經(jīng)開始在現(xiàn)場進(jìn)行推廣使用，并取得了較好的效果。

3 聚表劑驅(qū)油技術(shù)發(fā)展趨勢展望

隨著全球油氣勘探開發(fā)由常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣的進(jìn)一步拓展，同時(shí)多年的化學(xué)驅(qū)技術(shù)采油已經(jīng)造成了較大的環(huán)境污染以及儲(chǔ)層污染，這對(duì)未來的采油技術(shù)以及驅(qū)油劑研發(fā)提出了更為苛刻的要求。聚表劑作為一種新型驅(qū)油劑，有望于將來進(jìn)行大范圍推廣使用。

(1)聚表劑是一種環(huán)保低污染型驅(qū)油劑。聚表劑由于具有較好的抗生物降解、抗氧化降解性能以及抗鹽性能，其溶液配制的溶劑可采用采油污水進(jìn)行配制，減少對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)也節(jié)約了大量的水資源，是一種對(duì)環(huán)境友好型的新型驅(qū)油劑。

(2)聚表劑與納米流體結(jié)合。納米驅(qū)油劑由于“尺寸足夠小”，能夠?qū)崿F(xiàn)全油藏的波及；且本身具有強(qiáng)憎水強(qiáng)親油的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能找油。聚表劑具有較強(qiáng)的流度控制能力，納米流體具有較好的注入能力，二者的結(jié)合使用可以在顯著改善流度比的同時(shí)提高洗油效率，進(jìn)而提高原油采收率。

(3)智能聚表劑的研發(fā)。在未來油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域向智能化方向邁進(jìn)的驅(qū)使下，將研發(fā)一系列的智能驅(qū)油劑，在大數(shù)據(jù)以及人工智能的背景下，以化學(xué)改性為手段，賦予驅(qū)油劑以多種功能特性，真正實(shí)現(xiàn)“一劑多用”的智能采油。

4 結(jié)束語

在以化學(xué)驅(qū)為主導(dǎo)的三次采油技術(shù)中，研究新型驅(qū)油劑是目前提高采收率的主要任務(wù)之一，包括加大對(duì)梳形聚合物、疏水締合聚合物、耐高溫、耐高鹽單體共聚物等新型聚合物的研究力度；聚表劑由于在驅(qū)油過程中表現(xiàn)出獨(dú)特的粘彈性與乳化增溶性能成為近年來的研究熱點(diǎn)，但其研究目前仍處于初級(jí)階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)聚表劑基本性質(zhì)和驅(qū)油機(jī)理進(jìn)行深入研究的同時(shí)，開發(fā)新型的解堵劑以解決現(xiàn)場試用問題，為將來的大規(guī)?，F(xiàn)場推廣使用奠定基礎(chǔ)。