表面活性劑在石油工程中的應用研究進展論文
摘要：表面活性劑在石油工程的油氣鉆井、開采及儲運中均有很廣泛的應用。綜述了表面活性劑在石油工程中的研究及應用現狀，由于國內一些大型油氣藏已到開采后期，油田采收率較低，利用表面活性劑可以提高采收率。高分子類型的表面活性劑既能提高波及系數，又能提高洗油效率，是很好的驅油助劑。目前不少油田在開采低滲透油藏以及頁巖油氣藏，壓裂液助劑的開發研究是現在及將來的一個研究熱點。
關鍵詞：表面活性劑；石油工程；應用；研究
表面活性劑是一類分子由極性的親水部分和非極性的親油部分組成的，少量存在即能顯著降低溶劑表面張力的物質。它們廣泛用于日常生活[1，2]，以及石油工程。例如，在油氣鉆井工作中可以用作鉆井液的殺菌劑、緩蝕劑、起泡劑、消泡劑、解卡劑、乳化劑等；在油氣開采作業中可以用作黏土穩定劑、驅油劑、清防蠟、酸壓助劑（可用于乳化酸、泡沫酸，成膠和破膠、助排劑等）；在油氣田地面工程中可以用作減阻劑、破乳劑、殺菌劑、絮凝劑等，于浩洋等[3-6]對其在油田中的主要應用及其作用機理進行過歸納。
目前國內一些大型油藏已到開發后期，原油采收率較低，可以采用化學驅進行驅油。例如，大慶油田的堿-表面活性劑-聚合物（ASP）三元復合驅為大慶油田的增產和穩產作出了巨大貢獻[7]。對低孔低滲的油氣藏如目前國內外熱門的頁巖油/氣藏的開采則多用壓裂工藝，其中關鍵的化學劑常用到表面活性劑[8-11]。
根據表面活性劑在水中起活性作用的親水基團來進行分類，可以將其分為陰離子型、陽離子型、兩性離子型、非離子型及特種類型（包括含氟和含硅、Gemini、Bola及生物表面活性劑等）表面活性劑。現根據其類型對其在石油工程尤其是在低孔低滲油氣藏中的研究及應用現狀進行綜述，以供我國頁巖油/氣藏開采技術的研究人員作參考。
1普通表面活性劑的研究及應用
1.1陰離子型
在水中起活性作用的部分為離子的表面活性劑。常見的陰離子表面活性劑有羧酸鹽型（可用作肥皂）、磺酸鹽型（可用作洗衣粉）、硫酸酯鹽型（可用于牙膏）及磷酸酯鹽型（可用于織物的去靜電）等[12，13]。
在油田應用中，硫酸酯鹽型如十二烷基硫酸鈉可用于泡沫及微泡沫鉆井液的起泡劑；石油磺酸鹽[14]可以將油水界面張力降至超低界面張力（10-3mN/m），用于堿-表面活性劑-聚合物（ASP）三元復合驅，可以極大地提高原油的采收率。
1.2陽離子型
季銨鹽型、吡啶鹽型及咪唑啉型等陽離子表面活性劑可用農藥、殺菌、緩蝕劑、防靜電等；在石油工程中多用作殺菌劑、潤濕劑和緩蝕劑，不過使用量不太大。例如，將季銨鹽型表面活性劑用于地層的降壓增注，效果明顯[15]。
1.3兩性離子型
甜菜堿等氨基酸類的兩性表面活性劑分子中既有陰離子又有陽離子，在水中由于pH值的不同可以表現出兩種類型的電性，可用作驅油劑。
栗原君[16]研究了十六烷基羥丙基磺基甜菜堿在低滲多孔介質中的流動特征及驅油特征，發現低礦化度地層水與甜菜堿溶液與巖石表面作用更強、流動阻力更小，高礦化度水驅、低礦化度水驅的采收率可分別達到32.5%和33.8%，而低礦化度水驅加后續低礦化度表面活性劑驅的組合方式可使采收率達最高。
1.4非離子型
非離子型表面活性劑分子在水中不帶電性，故而受水中礦化度的影響非常小，物理化學性質較穩定，例如聚氧乙烯烷基醇醚可用于驅油及原油的破乳等[17，18]。
章楊等[19]研究了壬基酚聚氧乙烯醚系列非離子表面活性劑，利用高溫高壓可視化泡沫儀對不同溫度、壓力和礦化度條件下CO2泡沫的性能進行了測試，分析了各因素及聚氧乙烯基的聚合度對CO2泡沫性能的影響。結果表明：EO聚合度越大，表面活性劑的親水性越強，泡沫性能及穩定性均有所提高；相反，礦化度、壓力和溫度的升高使泡沫性能下降。
2特種表面活性劑的研究及應用
2.1含氟/硅型
主要是含氟表面活性劑及含硅類型的表面活性劑。很特殊的既憎水又憎的.含氟表面活性劑，可以在凍膠壓裂液中作為熱穩定性較好的助排劑；含硅表面活性劑如有機硅則是很好的消泡劑，還可以用作驅油劑及凍膠壓力液破膠后的返排劑等[20-25]。
例如李凡等[26]以烯丙基聚乙二醇、環氧氯丙烷、含氫硅油和有機胺等作為原料，制備出多種有機硅，其水溶液與勝利油田某區塊原油的界面張力可低至0.025mN/m，將其進行CO2驅油實驗，可進一步提高11.44%的原油采收率。
2.2Gemini（雙子、孿生或雙生）型
Gemini型表面活性劑是一類雙親水基雙親油基的兩親物質。有較高的界面活性、很低的臨界膠束濃度以及較低的Krafft點，具有較好的增溶、潤濕、起泡和鈣皂分散作用。在低濃度時其增粘效果顯著，有較好的黏彈性和膠凝作用。目前已報道的的Gemini型有磺酸鹽型、季銨鹽型、二壬基苯酚綜合型、甘氨酸衍生物等，除了用于個人護理和其它一些化工用途外，在石油工程中可用于三采及清潔壓裂液的增稠[27-30]。陽離子的雙子表面活性劑有較好的協同效應[31]。Oliviero等[32，33]研究了雙子水溶液的物理化學性質，而朱森[34]研究用計算機模擬雙子表面活性劑的性能表征。
唐善法等[35]合成了表征系列羧酸鹽雙子表面活性劑，可以配制新型低傷害耐溫性清潔壓裂液，將其與納米粒子復配成清潔壓裂液，黏度測試結果表明疏水鏈碳數越多，該雙子型表面活性劑的增稠能力越強，溶液黏度突變升高對應活性劑濃度越小；疏水鏈碳數相同時，聯結基碳數越多，其增稠能力越強，熱穩定性越好；0.04%納米ZnO可提高高溫下的溶液黏度（100℃下由10mPa·s升至30mPa·s）。優化配方有良好的抗高溫性能和剪切穩定性，攜砂穩定性好且能快速破膠。該清潔壓裂液在塔里木盆地致密砂巖氣藏的應用效果良好。
3表面活性劑在致密油氣藏的研究及應用
單一的表面活性劑固然能降低溶劑的表面張力，但其形成洗油能力較強的膠束、乳液及微乳液的能力較弱，因此在提高原油采收率時多需和多種化學劑復配使用。例如，加入適量的無機鹽可以調整乳狀液及微乳液的親水親油平衡值（HLB值），利于膠束的形成；加入適當的表面活性物質可以減少價格昂貴的表面活性劑的使用。配乳狀液及微乳液時，由于油品的來源不同，故而乳化時所需乳化劑的HLB值也不同，若不能研制出合適的表面活性劑，則需要用兩種或多種表面活性劑進行復配，調整到油-水乳化所需的HLB值，如此才能配制出穩定的水/油型乳狀液或油/水型乳狀液，可用于提高原油采收率。
例如，利用陰離子/非離子表面活性劑進行驅油，模擬效果表明，可以顯著降低界面張力能力，濃度范圍在0.05%～0.30%；熱穩定性較好，乳化性能較好，可以使水驅的采收率提高12%左右[36]。
針對致密油氣藏，將表面活性劑復配至壓裂液中，對比研究發現陽離子表面活性劑改變潤濕性的效果較好，若是延長燜井時間，則開井后的產量會有所提高[37]。利用納米乳液針對超低滲透油藏利用納米乳液進行降壓增注，不僅可以降低油水界面張力，還可以提高原油采收率[38]。
邱正松等[39]針對頁巖儲層的水敏等儲層傷害問題，采用兩步稀釋法，研備出極小粒徑且分散性好的水包油型納米乳液。選取Gemini季銨鹽型表面活性劑與Tween80等復配。
羅明良[40，41]等以氨基聚硅氧烷和綠色表面活性劑脂肪酸甲酯磺酸鈉合成，得到致密氣井壓裂控水性良好的納米乳液。納米乳液的液滴中值粒徑平均為28.5nm。其中的氨基、硅氧烷與硅氫鍵等極性基團通過物理化學吸附作用可以牢固吸附到巖石表面，分子鏈中的疏水基團硅甲基可以改變巖石表面的潤濕性。
4結論
石油工程中鉆遇的儲層有時會很復雜，現有的表面活性劑不太適用，目前主要的研究熱點是環保型表面活性劑的研制及作用機理的研究，用于驅油及壓裂的新型表面活性劑及其作用機理的研究。例如，任立偉[42]提出鉆井液用表面活性劑今后的研究工作應充分利用表面活性劑之間的協同效應，提高表面活性劑的抗溫、抗鹽及抗鈣的能力，盡量開發出環保產品如烷基糖苷類，以及雙子型表面活性劑及含硅或氟等的新型表面活性劑，還要注重各種類型表面活性劑的作用機理的研究。對于開發后期的油氣藏，采用化學驅進行驅油時的驅油機理由于采用的化學劑的不同，尤其是新型化學劑（如有機堿、生物表面活性劑等）的應用，其作用機理還有待進一步研究[7]。遼河、新疆油田等一些稠油油藏可以利用乳狀液驅油，但是采出液及采出水的破乳是個難題，有必要針對復配表面活性劑及用有機堿穩定的稠油O/W型乳狀液的破乳脫水進行研究[43]。對于國內外較熱門的頁巖油/氣的開采，即特低滲油氣藏的開發，表面活性劑的作用機理還需加大研究。例如，對勝利油田某區塊的特低滲巖心進行的驅替研究表明[44]，表面活性劑可以顯著降低最小（擬）啟動壓力梯度，且其濃度對含水飽和度的影響較大。
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