渗吸驱油用表面活性剂研究现状及展望

侯向前，张福祥，胡广军，张 涛，苗红生

（洲际海峡能源科技有限公司，四川 成都 610051）

我国非常规石油资源丰富，地质资源量为1039.31×108t，技术可采资源量为198.93×108t，地质资源量和技术可采资源量分别占到石油总资源量的49.18%、42.24%[1]。非常规储层具有物性差、渗透率低等特点，生产过程中存在着产量快速递减的问题，岩石表面油润湿是导致产量快速递减的关键原因。表面活性剂是一种具有亲水基团和亲油基团的两亲性物质，具有较高的表界面活性，其可以通过改变岩石润湿性、降低油水界面张力、乳化原油、增加岩石表面电荷密度等作用有效动用储层基质中的残油，表面活性剂渗吸驱油技术是提高原油采收率的重要手段[2]。

本文总结了表面活性剂的渗吸驱油机理，概述了传统表面活性和新型表面活性剂作为渗吸驱油剂的优缺点及研究现状，归纳了表面活性剂复配和纳米颗粒强化展现出的技术优势，并展望了表面活性剂作为渗吸驱油剂的未来发展方向。

1 表面活性剂渗吸驱油机理

1.1 改变润湿性

岩石润湿性从亲油转变为亲水或强亲水是表面活性剂提高渗吸驱油效率的关键，润湿性的改变可以将毛细管力变为自发渗吸的主要驱动力，同时降低原油的黏附功，从而实现提高渗吸采收率的目的。目前，改变润湿性的形式主要有离子对形成、表面活性剂吸附和表面活性剂胶束增溶。

1.1.1 离子对形成 离子型表面活性剂可以通过静电作用与原油中带电有机质或原油组分形成离子对，由于离子对存在疏水基团向岩石表面的原油迁移，最终将原油剥离使岩石表面变为水润湿。

Liu 等[3]通过实验观察到阴离子表面活性剂AOS 将页岩表面的有机质和油膜剥离的现象，证实了阴离子基团可以与吸附在页岩表面带正电的有机质或原油组分相互作用形成离子对。Pinto 等[4]研究表明，阳离子表面活性剂DTAB 的阳离子基团可以与吸附在碳酸盐岩表面原油中的有机羧酸形成离子对。

1.1.2 表面活性剂吸附 表面活性剂在岩石表面的吸附通常可包括物理吸附和化学（静电）吸附。非离子表面活性剂吸附属于物理吸附，由于其疏水基团与油润湿的非极性岩石表面存在亲和力、亲水基团与极性水相存在亲和力，会在岩石表面排列形成自组装吸附层，岩石表面就会被吸附的表面活性剂分子层所覆盖，从而由油润湿转变为水润湿。而离子型表面活性剂吸附过程除了物理吸附还与表面活性剂带电基团和岩石表面的静电作用有关，通常伊利石、蒙脱石、石英、长石等矿物表面带有负电荷，方解石、白云石等表面带有正电荷。

Chen 等[5]研究认为，非离子和阴离子表面活性剂在带负电荷的石英表面形成单分子层而使石英表面呈现水润湿；而阳离子表面活性剂吸附过程中分为两步，首先通过静电吸引作用形成单分子层吸附，然后通过疏水作用形成双分子层吸附，故低浓度的阳离子表面活性剂使石英表面呈现油润湿，高浓度的阳离子表面活性剂使石英表面呈现水润湿。

Liu 等[6]研究表明，阴离子表面活性剂AES 和AOS 可将石英、长石、伊利石和蒙脱石的表面润湿性由油润湿变为水润湿，而阳离子表面活性剂CTAB 可将方解石和白云石表面润湿性由油润湿变为水润湿，原因是表面活性剂和岩石表面存在静电吸附作用。

1.1.3 表面活性剂胶束增溶 表面活性剂的浓度足够高时可以在极性水相中形成胶束，胶束的外部是亲水基团，内部是疏水基团，从岩石剥离的原油由于和表面活性剂疏水基团具有亲和力会进入胶束内部，形成水包油的乳液，并随水相在岩石孔隙通道中运移，最终提高渗吸采收率[7]。

1.2 降低油水界面张力

表面活性剂降低油水界面张力可促使原油的黏附功降低，流动性提高，原油更容易从岩石表面被剥离。但并不是油水界面张力越低越好，因为油水界面张力太低会导致毛细管力变小，而毛细管力是渗吸驱油的主要动力来源。

Qi 等[8]研究了表面活性剂降低油水界面张力对碳酸盐岩的渗吸驱油效果的影响，发现油水界面张力为15.2mN·m-1时，采收率为6.4%，降低到10mN·m-1时，采收率可提高到10.4%，降低到0.1mN·m-1时，采收率达到最大，为20.4%。

1.3 乳化原油

表面活性剂具有很强的乳化原油能力，可以将油膜乳化成乳状液滴，提高从岩石表面剥离原油的效率[9]；同时，乳化形成的乳状液可以降低水相的流动性，改变水相在储层微小孔隙中的运动和分布，扩大波及面积，提高渗吸采收率。

Saxena 等[10]通过光学显微镜观察到皂坚果类阴离子表面活性剂盐溶液可以与原油形成Winsor III 型乳状液，乳状液可以通过混相作用从储层细小孔隙中剥离原油，对提高驱油效率具有显著作用。

1.4 增加岩石表面电荷密度

当离子型表面活性剂吸附在岩石和原油表面时，岩石和原油的表面电荷密度增加，静电斥力增强，岩石表面形成水膜更加稳定，岩石表面的亲水性变强。

Liu 等[3]测试表明，页岩表面Zeta 电位的绝对值随着阴离子表面活性剂浓度的增大而增大，相同浓度下阴离子表面活性剂对页岩表面Zeta 电位的影响远远大于非离子表面活性剂。

1.5 防止沥青质沉淀

表面活性剂具有抑制沥青质沉淀和稳定原油中的沥青质的能力，防止沥青质沉淀堵塞储层基质中微小孔隙而降低采收率，阻碍沥青质沉淀所导致的岩石润湿性由水润湿转变为混合润湿甚至油润湿，但表面活性剂并没有清除岩石表面已经沉淀沥青质的能力[11]。

Gupta 等[12]研究表明，非离子表面活性剂抑制沥青质沉淀的能力优于阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂对Lyons 砂岩和Eagle Ford 页岩的渗吸采收率比阴离子表面活性剂分别高0.7%和7.2%。

2 传统表面活性剂渗吸驱油

2.1 阳离子表面活性剂

阳离子表面活性剂作为渗吸驱油剂，具有耐温性较好、成本低等优点，其与二价离子对表面带正电荷的碳酸盐岩通常表现出协同增效的渗吸驱油性能，而对表面带负电荷的页岩、砂岩吸附损失较大，实用性较差。

Shahbazi 等[13]研究了十六烷基三甲基氯化铵盐溶液对白云石的渗吸驱油性能，当其浓度为300mg·L-1时，可以将白云石表面接触角从140°降至32°，与盐水驱替相比渗吸采收率可提高7.95%。Hosseini 等[14]研究表明，十二烷基三甲基溴化铵（C12TAB）与Ca2+、Mg2+二价离子的协同驱油性能优于一价离子，C12TAB 的盐溶液可以将碳酸盐岩接触角从90°降低到14°，而不含二价离子的C12TAB溶液仅能将接触角从90°降低到71°。

2.2 阴离子表面活性剂

阴离子表面活性剂作为渗吸驱油剂，具有界面活性高、耐温性好、成本低等优点，由于其表面带有负电荷，通常适用于页岩、砂岩等储层，但其抗盐能力较差，容易与地层中的多价阳离子作用形成沉淀，对储层造成损害。

阴离子表面活性剂主要包括硫酸盐、磺酸盐、羧酸盐和磷酸盐，针对硫酸盐和磺酸盐作为渗吸驱油剂的研究较多。Zhan 等[15]研究表明，质量浓度为0.05%的十二烷基硫酸钠盐溶液可以将致密砂岩的接触角从144.1°降低到66.1°，渗吸采收率较盐溶液可提高26.5%。Li 等[16]采用1,2-癸二醇、四丁基溴化铵和环氧氯丙烷合成了1,2-癸二醇二羟丙基磺酸盐，其可使岩石表面接触角从100.8°降低至17.8°。

2.3 非离子表面活性剂

非离子表面活性剂作为渗吸驱油剂，具有乳化性能强、吸附损失小等优点，但其存在对酸碱敏感、界面性能差、溶解性受到浊点影响等缺点。非离子表面活性剂与岩石表面的吸附属于物理吸附，无法满足岩石表面电荷密度高的应用。

Souayeh 等[17]将脂肪醇聚氧乙烯醚H27C13-（OCH2CH2）7OH 和H27C13-（OCH2CH2）20OH 复配，形成的体系在低浓度盐水中可以将油水界面张力降低至0.01~0.1mN·m-1，将油润湿的方解石表面接触角从160°降低到34°，显示出较好润湿性改变能力。Amirpour 等[18]研究表明，辛烷基酚聚氧乙烯醚TX-10 可将砂岩表面接触角从148°降低到50°，渗吸采收率提高10%。

2.4 两性表面活性剂

两性离子表面活性剂同时含有阳离子基团和阴离子基团，具有生物降解能力强、耐盐性好、可与多种表面活性剂复配等优点，两性电荷的存在使其适用于页岩、砂岩、碳酸盐岩等储层，缺点是相对成本高。

甜菜碱是应用最为广泛的两性表面活性剂渗吸驱油剂，根据阴离子的不同可分为羧基甜菜碱、磺基甜菜碱和硫酸盐甜菜碱。Kumar 等[19]采用N,N-二甲基四甲胺和氯乙酸钠合成了N,N-二甲基十四烷基羧基甜菜碱，其在80℃下耐盐可达到20%NaCl，在219℃下热稳定性较好，可将油水界面张力降低至3.06×10-2mN·m-1。朱维耀等[20]研究表明，3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜碱可将岩石的接触角从81.7°降低到24.0°，渗吸采收率达到42.1%。

3 新型表面活性剂渗吸驱油

3.1 生物表面活性剂

生物表面活性剂具有毒性低、可降解、结构多样化、对环境的适应性强等优点，近年来被作为渗吸驱油剂广泛关注，应用前景较好。

林军章等[21]研究表明，生物表面活性剂鼠李糖脂和脂肽具有较强的降低界面张力和润湿反转能力，将原油从岩石表面剥离的黏附功从14.2mN·m-1分别降低到0.069 和0.016mN·m-1，渗吸驱油效率分别达到8.46%、10.07%。王晨伊等[22]利用地衣芽孢杆菌L20 代谢制备了脂肽类表面活性剂，其可将人造砂岩表面接触角从103.2°降低到30.9°，对砂岩的驱替采收率可提高14.18%

3.2 双子表面活性剂

双子表面活性剂是由两个亲水性基团和两个疏水性基团组成，与传统表面活性剂相比，作为渗吸驱油剂具有表界面活性更好、临界胶束浓度更低、改变润湿性能更强等优点，其在超低浓度下可将油水界面张力降低至超低值，应用潜力巨大，缺点是成本相对较高。

Hou 等[23]以三甘醇、氯磺酸、4-辛基苯酚为主要原料合成了双子磺酸盐，在温度120℃、矿化度20×104mg·L-1条件下，其可将油水界面张力降低至8.75×10-3mN·m-1，将石英的表面接触角从128°降低到31°，渗吸采收率可提高17.3%。王成文等[24]以十二胺、甲醛、甲酸、甲胺、环氧氯丙烷和氯磺酸等为主要原料制备了得到硫酸盐-季铵盐型两性表面活性剂，体系的临界胶束浓度为5.4×10-4mol·L-1，油水界面张力为1.14×10-2mN·m-1，较水驱渗吸采收率可提高11.63%。

4 表面活性剂强化渗吸驱油

4.1 表面活性剂复配强化

表面活性剂复配对实现降本增效方面具有重要的意义，多种表面活性剂复配既能发挥协同作用，又能实现降低成本。表面活性剂复配可明显提升渗吸驱油剂的耐温抗盐性能，满足高温高矿化度等特殊环境的应用。

王友启等[25]采用十二酸二乙醇酰胺与脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠复配，体系可将油水界面张力降低至3×10-3mN·m-1，在高矿化度、高钙镁离子浓度、高温下具有较好的界面性能，在高钙镁油藏具有良好的应用前景。Jia 等[26]研究发现，十二烷基硫酸钠与1-十二烷基-3-甲基咪唑氯盐复配体系可将油水界面张力从10-1mN·m-1降低到10-4mN·m-1，渗吸采收率提高16.1%。

4.2 纳米粒子强化

纳米材料与表面活性剂复合驱油对低渗超低渗储层提高采收率具有重要意义，纳米SiO2与表面活性剂复合驱油体系研究最为广泛，其驱油的机理包括改变润湿性、降低界面张力、结构分离压力及密度差异[27，28]。

He 等[29]研发了由椰子油二乙醇酰胺和纳米SiO2颗粒组成的超低界面张力纳米流体，体系与原油的界面张力降至10-3mN·m-1，渗吸采收率与表面活性剂相比可提高16.8%。Song 等[30]采用十二烷基磺基甜菜碱和SiO2纳米颗粒构建了高效纳米流体驱油体系，体系平均尺寸为58.59nm，Zeta 电位表明体系稳定性较好，渗吸驱油效率较盐水和十二烷基磺基甜菜碱溶液相比分别提高了20.5%和8.5%。

5 结语与展望

（1）表面活性剂作为渗吸驱油剂可显著提高油润湿储层的采收率，主要基于改变岩石润湿性、降低油水界面张力、乳化原油、增加岩石表面电荷密度及防止沥青质沉淀等5 项机理来发挥渗吸驱油作用。

（2）表面活性剂吸附损失对高效发挥渗吸驱油性能有较大影响，其在储层岩石表面的吸附过程与表面活性剂类型、岩石岩性物性特征、岩石表面电荷类型及密度、水相矿化度等因素有关，加强表面活性剂结构、岩石与流体之间的构效关系研究，明确表面活性剂在岩石表面的吸附特征，用于预测表面活性剂吸附损失及设计表面活性剂渗吸驱油配方。

（3）攻关生物表面活性剂、双子表面活性剂的制备技术，降低生产成本，实现两种表面活性剂的低浓度、低成本渗吸驱油。

（4）推动表面活性剂复配强化渗吸驱油技术用于高矿化高温等恶劣储层提高采收率及降本的研究及应用；加强纳米材料与表面活性剂复合驱油体系的配方研究并推动其在低渗透油藏的应用。