表面活性剂提高采收率机理及研究进展*

杨 鸿，赵春森，陈根勇

（东北石油大学 石油工程学院 渗流物理教研室，黑龙江 大庆 163318）

我国表面活性剂的发展相比于西方起步较晚。于上世纪50年代开始因为随着其在石油开采上的广泛推广和应用，人们才对其有了越来越多的认识和了解。从最初的石化工业领域发展到医疗、农业、高新技术等行业，如今的工业体系已近越来越离不开它了，俨然已经成为我国工业发展的最重要的经济支柱之一。在油田矿场领域，表面活性剂作为原油提高采收率最常用的开发手段也备受行业重视。本文旨通过分析如今石油矿场上表面活性剂的应用现状，来阐述表面活性剂的驱油工作机理和未来的发展趋势，为下一步油田开发提供客观性依据[1]。

1 表面活性剂介绍

1.1 理化性质

表面活性剂俗称“工业味精”，是生产制备加工乳化剂、润湿剂、增溶剂、起泡或消泡剂等一系列产品必不可少的工业辅料。在油田开发领域，由于分子结构体系中的亲水基和亲脂剂两种基团，使得在降低体系表面张力提高原油采收率上起了决定性作用。在医药领域，表面活性剂的加入还能够增进人体对药物的吸收。

但研究表明大部分的阳离子或阴离子型的表面活性剂具有很强的毒性，具体表现为较强的溶血作用，进而使得生物膜蛋白质发生变性或破坏。如果没有任何措施将皮肤暴露在高浓度表面活性剂下会产生强烈的刺激性作用，这对人体皮肤伤害是很大的。所以这类性质的表面活性剂在工业上常用于制备消毒类产品，能起到很好的消毒和杀菌的作用。

1.2 化学结构特征

表面活性剂的亲水亲油的特征表现主要是通过其内部的化学结构体系差异决定的。为了客观呈现表面活性剂这种特有活性差异。通常我们将结构中的亲水基团和亲油基团之间的综合亲和力性能值来作为判定表面活性剂性能强弱的依据。而这种在双亲分子结构体系中达到的亲水亲油的平衡数值称之为HLB值。

在实际的矿场实验中通常用以下4种方法来测定活性剂的HLB值：

（1）川上法（对数法）

式中 CMC：临界胶束浓度；MW：亲水摩尔质量；MO：亲油摩尔质量。

（2）阿特拉斯法

式中 MH：亲水摩尔质量；M：总的摩尔质量。

（3）基团数法（戴维斯法）

基团数法是将表面活性剂体系中的亲水基团和亲油基团单独区分开分解计算，其HLB具体计算公式为：

式中 A：亲水基的基数；B：亲油基的基数。

（4）其他估算法

对于一些难以计算HLB值的混合型的表面活性剂估算法的应用是相对较为方便，它是将体系中的隔各组分分解计算在相加的一种计算方式，具体方法为：

式中 WA：表面活性剂A的混合量；WB：表面活性剂 B 的混合量；HLBA：A 组分的 HLB 值；HLBB：B 组分的HLB值；

通过大量实验数据分析发现：表面活性剂的亲水特性越强，HLB数值也就越大，亲油特性随着HLB数值的减小而最大。HLB范围的确定对指导表面活性剂研究具有极其重要的重要。表1给出了HLB具体的范围应用：

表1 HLB范围取值与应用Tab.1 HLB range values and applications

1.3 矿场表面活性剂应用现状

在实践的石油矿场开发上表面活性剂大多数还是主要被用于制备：提高采收率化学剂、酸化缓蚀剂、泥浆处理剂、破乳剂、助排剂。

（1）提高采收率化学剂 在一般性的油田提采中效果还是可观的，但在高温高盐型性条件下其会被迅速分解。所以研制抗高温和抗盐碱性的表活剂也是今后工作之一。

（2）酸化缓蚀剂 主要是一些复配体系，它能够缩短酸洗时间，提高酸液的缓蚀能力。对地层有很强的保护性能。

（3）泥浆处理剂 一般在油田上做油气层的保护剂用，这主要依托于它良好的防塌和润滑性能。

（4）破乳剂 能够让原油中乳化状态液体的结构瓦解，使得油和水在混合液中分离出来，最终实现原油脱水。主要不足就是产品单一，可选性差。

（5）助排剂 大多由阴阳离子表面活性剂组成，它能够大幅度降低油水的界面张力，防止地层堵塞，大幅度降低“锁水”现象，通常其他的添加剂进行配伍。

2 表面活性剂驱油机理

表面活性剂驱油属于化学驱中常用的一种驱油方式，针对的是油田开采后期油层孔隙中难以开采的剩余油或残余油。本文通过从微观的角度来分析表面活性剂的活化性能，总结表面活性剂之所以能够提高采收率主要有以下机理。

2.1 活化性能作用

表面活性剂的活化性能能够大幅度降低地层中油水两相的界面张力，提高驱替过程中的波及效率和洗油效率[2]。界面张力的降低会使得残余油在孔隙中更易聚集集结成流体，在一定程度上增大了残余油在孔隙中的流动性，消除或降低了地层阻力对流体的影响和孔隙对残余油的吸附力。从而达到油水运移的目的。表面活性剂这种降低界面张力的性能在实际矿场实验中应用效果明显。这也是活性剂在驱油过程中提高采收率最重要的机理。

2.2 润湿反转作用

在实际矿场实验中，表面活性剂的存在使得地层岩石孔隙的润湿性发生变化。这种反转变化对驱油效率的影响是非常的。具体表现为如果岩石表面呈现出油湿，则对驱油是有利的；如果表现为水湿则不利于驱替。而影响润湿效果的最直接的因素是润湿角的大小。当润湿角为0°或者不存在时，岩石表现为铺展；当润湿角在0°～90°之间时，岩石表现为浸湿；当润湿角在90°～180°之间时，岩石表现为沾湿；当润湿角等于180°时，岩石表现为不润湿；大量数据表明：岩石孔隙的润湿角越小，其润湿效果就越好，驱油效率也就越高。

微观上具体表现为，适宜的表面活性剂的加入能够使得原油与岩石的润湿角发生变化，让原有岩石的亲油性质转化为亲水性质。这种润湿反转一方面降低了岩石表面与原油的吸附力，增加了残余油在孔隙中的流动性；另外一方面也大幅度降低了原油在孔隙中流动时能量的损耗，起到一定润滑作用，继而提高了驱替效率。

2.3 乳化作用

表面活性剂之所以能够顺利让地层孔隙中的原油从岩石表面脱离、分散开来，并在孔隙通道内形成一定的流动性。除了它能够有效降低油水的界面张力和改变岩石的润湿性[3]，它还具有对原油较强的乳化性能。

乳化机理主要是活性剂进入地层后与油水混合后形成水包油（O/W）型乳状液体。这种乳状液体在孔喉中不易被岩壁捕集、吸附，进而改善了油水相在孔隙中的流动性和波及效率；使得乳液在孔隙中不会因发生堵塞和聚集而造成运移过程中能量的损失，提高了采收率和运移效率。

2.4 改变流变性作用

原油的流变性能对采收率具有决定性的影响。大部分原油都是典型的非牛顿流体，这是由于原油中含有大量的石蜡、沥青和胶质等高分子化合物。微观下这些高分子化合物的结构体系是由大量的空间网状单元所构成的，这种结构体系在驱替流动的时候具有很强的黏粘力，越难驱替，说明阻力越大，粘度也就越大；并且当停止驱替时，这种空间网状结构会迅速恢复其原有体系。这些性质的存在大大降低了洗油效率和波及系数，从而影响采收率。

为了解决原油流变性问题，实际开采中可以加入适宜的表面活性剂来改善原油非牛顿性质问题。表面活性剂进入原油中后主要是与沥青发生胶黏吸附反应，使得沥青难以和原油中其他分子体系形成空间网状架构，降低了原油在流动过程中的剪切应力，削弱了非牛顿流体对原油的粘度，进而改变了流动性，提高了洗油效率使采收率得以保证。

2.5 油带机理

表面活性剂的油带机理主要体现在它的洗油效率上。当表面活性剂进入地层孔隙后活性剂通过捕集和吸附岩石表面的油珠[4]，使油珠慢慢聚集成油带并行成段塞，在地层压力的作用下油带会继续向前做段塞推进吸附更多的残余油聚集合并，从而达到提高采收率的目的。

3 表面活性剂驱油具体应用

3.1 二元复合驱

我国的二元复合驱（SP）的起步应用是从本世纪初在孤东油田试验区开展的。之后在各大油田进行大范围应用。二元复合驱是在聚合物驱和表面活性剂驱的基础上发展来的。

聚合物驱主要是通过自身高粘度的特性来提高油水粘度降低流度比来提高驱替过程中的波及系数进而达到增产目的。但是聚合物驱在目前的开发过程中也存在一些问题，当聚合物在孔隙中驱替时如果孔隙过小其高粘度的特性容易堵塞孔隙。这样就会使得聚合物驱的波及系数，并且如果聚合物堵塞孔隙会给后续的驱替工作带来不可逆的影响。另外一方面，聚合物相比于表面活性剂它不具有降低油水界面张力的能力，虽然在某一程度上聚合物也能够改善洗油效率，但这种依靠其自身的粘弹性来改善洗油效率的与表面活性剂降低界面张力来提高洗油效率相比，聚合物的这种作用是非常小的。所以聚合驱在矿场开发还是存在较大的限制。

而表面活性剂驱如果是单纯活性剂驱替的话会消耗大量的表面活性剂，这对成本控制是不利的。单独作为驱替剂注入地层中时会由于其流度不好掌握，从而造成表面活性剂在地层孔隙中发生留滞现象。并且因为表面活性剂的粘度小，流动性大，在非均质地层中应用时往往会沿着高渗透层流动，无法有效进入目的层，不仅导致无效驱替增加成本，而且波及体积和洗油效率也随着降低。这对增产增注是不利的。

为了解决聚合物驱和表面活性剂驱的驱油的局限性。矿场上将对表面活性剂和聚合物进行复配的驱替方式称为二元复合驱。二元复合驱是目前油田开采中应用最广泛的一种驱替方式，也是极具发展潜力一种驱油方法。两者的协同作用消除了聚合物或表面活性剂单元驱的弊端。二元复合驱一方面利用表面活性剂中的亲水基和亲脂剂两种基团来降低混合物体系的表面张力继而提高原油采收率；另一方面聚合物能够有效降低油水相流度比，扩大波及体积系数。

虽然二元复合驱能够大幅度提高原油采收率，但是现阶段还是没有满足矿场上的规模化的应用，主要是表面活性剂的成本太高采出效益无法与投入成本成正比。除了经济上的原因，聚合物与表面活性剂的配伍性也是一个问题，所以对于二元复合驱的配伍性优化也是今后需要研究的方向。

3.2 三元复合区

三元复合驱（ASP）是在二元复合体系的基础上进一步发展而来的。它是由聚合物、碱、表面活性剂三种组分复配形成的一种驱油体系。除了聚合物和活性剂的作用外，碱的加入一方面能够与表面活性剂协调作用在表面活性剂的基础上进一步降低油水混合物的界面张力。另一方面碱能够与原油中的某些活性物质发生反应生成表面活性剂，这可以大大减少表面活性剂的用量，对节约成本是非常有利的。尽管三元复合区在提高采收率上取得了突破性的成就，但碱进入地层后也带来一系列的问题：碱与聚合物复配后碱会对聚合物的粘弹性产生影响降低波及系数，这会造成3%～5%采收率损耗。而且碱会引起地层孔隙的渗透率下降导致孔隙岩壁和油井井底结垢，从而影响产液能力。因此三元复合驱种种弊端严重限制了增产效果。

4 新型表面活性剂研究进展及趋势

由于传统的表面活性剂在实际油田应用有很多的不足与弊端，这些缺点制约了表面活性剂的性能与采收率，所以研究新型的高性能的表面活性剂是如今国际的发展主流。现阶段表面活性剂的发展主要有以下几类：

4.1 离子型表面活性剂

离子型表面活性剂按照在水溶液中的解离程度可分为：阳离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。

阳离子型表面活性剂的亲水基团主要以含氮元素为主[5]，根据氮元素在体系结构中的位置关系可将阳离子表面活性剂分为：铵盐型、季铵盐型、咪唑型和氮型。阳离子型具有量、良好的抗腐蚀和润滑性能，它与其他类型的活性剂不同，阳离子型的表面活性剂不具备很强的降低油水界面张力的性能，所以它通常用来制备一些具有特殊性能的表面活性剂。

阴离子型表面活性剂主要有羧酸盐型、硫酸酯盐型、磺酸型、磷脂酸型等[6]。它比传统型的活性剂能更大幅度的降低油水混合物界面张力，进一步提高原油采收率。

非离子型的表面活性剂通常在水溶液中不发生解离[7]。因此该类表面活性剂具有较好的耐酸耐碱性能，配伍性也比其他活性剂要好。根据其结构中的亲水基团可分为：聚乙二醇型、氧化铵型和多元醇型[8]。

4.2 两性型表面活性剂

两性（双性）型可分为甜菜碱型、磺酸基型、氨基型、咪唑型等。这类表面活性剂具有很强的抗高温和抗盐性能。所以在某些高温高盐地层中被广泛应用。

4.3 生物型表面活性剂

生物型的表面活性剂是最近新发展出来的一种驱油剂。它与传统的表面活性剂相比生物型表面活性剂它是通过微生物的发酵形成活性剂产物具有反应速度快、环保无毒等特征。它根据微生物的菌种可分为：野生型菌种类、复合型菌种类等。

5 结论

（1）表面活性剂由于分子结构体系中的亲水基和亲脂剂两种基团的存在，使其能够有效降低油水混合液的界面张力，提高洗油效率[7]，实现原油采收率增产。

（2）表面活性剂是组成二元复合驱、三元复合驱的重要组分，但二元复合驱中的配伍性问题和三元复合驱中的碱对地层的不利影响仍是今后发展的方向。

（3）随着油气资源的深入开发，常规的表面活性剂已经无法满足愈加复杂的地层和孔隙构造，因此研发高性能的表面活性是我们石油科技工作者今后努力的目标。