精细石油化工进展 ? ? ? ? !凡? !? ?第?卷第?期表面活性剂驱的驱油机理与应用关郭东红?中国石油勘探开发研究院油田化学所,北京? ? ?李森?中油油田科技工贸有限公司,廊坊肠?以?袁建国?中国石油华北油田公司第一采油厂,任丘? ? ?摘共通过对表面活性 剂分子在油水界 面的作用特征、水 驱后残余油 的受 力情况以及表面活性剂对残余油受力 状况影响的分析,对表面活性剂的驱油机理 进行了评述。根据对国内驱抽用表面活性剂研究现状的分析,结合目前开展的研 究工作,认为开发研 制廉价、高效表面活性剂是开展表面活性剂驱油及其相关驱油技 术的关键,并对表面活性剂及其相关驱油技术的应用前景进行了展望。关扭侧表面活性剂驱驱油机理应用为了提高原油采收率,可采用聚合物驱、碱水驱、表面 活性剂驱以及复合驱?二元复合、三元复合?等化学驱方法。化学驱方法是 三次采油提高采收率的主要方法,其中,表面活性剂是提高采收率幅度较大、适用 面较广、具有发展潜力的一种化学驱油剂。以表面 活性剂体系为主体的驱油法叫表面活性剂驱油法,简称表面 活性剂驱。驱油用 的表面活性剂体系有稀表面 活性剂体系 ?如活性水、胶束溶液?和浓表面 活性剂体系?如微乳液体系? ?幻,本文讨论的是稀表面 活性剂体系。表面活性剂驱提高采收率的原理与碱驱大体相同?前者通过外加表面 活性剂起作用,后者通过碱与原油酸性成分就地产生表面活性剂起作用。从表面活性剂的结构特征以及水驱后残余油 的受力情况出发,通 过分析表面 活性剂在油水界面 的分布特征以及表面活性剂与油藏地层、油藏流体等的相互作用 机理,评述了表面 活性剂驱 的驱油机理。通过对表面 活性剂驱以及相关驱油技术的对比分析,阐明了表面 活性剂驱的驱油特征。并对表面活 性剂及 相关驱 油技术的应用前景进行了展望。非极性部分,造成 表面活性剂分子在其水溶液 中很容易吸附于气一水?或油一水?界面上形成独特的定向排列的单分子膜。正是由于表面活性剂在溶液表面?或油一水界面?的定 向吸附,使表面 活性剂具有很多特有的表面 活性? ? 。国外学者在研究乳状液和微乳液类型时,提出 了分子间内聚能比值?的概念? ? ,从分子间作用力的角度描述界面上表面活性剂分子的状态,表面活性剂分子在油水界面上两亲单分子膜 中的相互作用能见图?,其中?。为表面活性剂分子与油分子之间的内聚能?。为表面 活性剂亲 油基与油分子 间的内聚能? 。为表面活性剂亲水基与油分子 间的相互作用,? ? 。可 忽略?为表面活性剂分子与水分子间的内聚能,? 二?为表面活 性剂亲 油基与水分子间的相互作用,?二可忽略?。? ? 为表面 活性剂亲水基与水分子间 的相互作用。?值见计算式?。尺?一? ?一?二?,一?。一?式中,? ?为油分子与油分子间的内聚能,? ?表面活 性剂 分 子在油 水界面的作用特 征 与界面张力的关系表面活性剂分子由性质截然 不同的两部分组成?一部分是亲水的极性部分,另 一部分是亲油 的收稿日期二?以犯扔一? ?作者简介?郭东红,高级工程 师,卫卯?年获 中国科学院 感光化学所物理化学博士学 位,?仪? ?年中国石 油勘探 开发 研究院博士后 出站,主要从事三次 采油用表面活性剂和 新型原油破乳剂的研究。二中国 石油天 然气 股份 有限公司科 技信息部资助项目 ?印?,? ? ? ? ?年?月郭东红等?表面活性剂驱的驱油 机理 与应用为表面活性 剂分子烃链与烃链间 的 内 聚能,? ?为水分子 与 水分子 间 的 内 聚能,?。为表面活性剂分子极性基团 间 的 排 斥力。在计算式? 中?为斥力,为负值?其他均为内聚能,为正值。人人。? ? ? ? ? ? ?州州州州、产沪沪油相?认双亲 单分 子膜? ? ?水相?膜状残余油? ? ?二? ?。?洲?二图?表面活 性剂在油 水界 面 的相互 作用能示意图?时,表 面 活性 剂分子倾向于分配 在 水相?时,表面 活性剂分子倾向于分配 在 油相?时,表面活性 剂分子在 油水两相 的溶 解能力 大致相当,此时界面 上 富集的表面 活性 剂 浓度最大,界面 张力低。界 面张力降低是表面 活性剂的两 亲分子取代界面溶剂分子 的结果。界面 上富集的两 亲分子 越多,两 亲分子与油 相分子 和水相分子 间 的作用 越接 近 相等且 绝对值越 大,则 界 面 张 力就可能 越低阁。因此,混合表面活性剂 在降低 界 面 张力 方面 的协同效应最终由表面活性剂分子 间及其与 油分子和水分子 间 的相互作用决定。对于给定 的表面活性剂体系来说,随着 油相性质、水相性 质及油藏环境?温度、矿化度 等 ?的改变,其分子 间 内聚 能比值?也会有 所 改 变,因此,其降低油 水 界面张力 的能力 也会发生 相应 的变化。?柱状 残余油?水驱后 残余 油的 受力状况? ? ,?微观水驱油试验 表 明,水 驱 后 油层 中 一般 还有 ? ?以上 的 残余油。在注人水 波及到的范围内,残余油以膜状、柱状、簇状等几种形 态滞留在油层 中?如图?所示 ?,这 些滞留在 油 层中的油 由于受到毛细管 力、粘 附力 和内聚力的作用 而成为残余油。如果在 注人水 中加人表面活性 剂进 行活性水 驱,毛细 管力、粘附力和内聚力 可 大 大降低。表 面 活性剂驱油 ?包括 一些其他三次 采 油方法 ?的主 要目的就 是要降低 这部 分残余油 饱和度。?簇状残余油图?滞 留在油层 中不 同形式 的残余油?毛细管力毛细管力 是孔 喉道 中非润湿相 流体驱 替 润湿相流体所 受到 的阻力,计算公式 如下?尸。二?。? ? 夕?式 中,尸。一毛细 管 力,。一油水界 面 张 力,?一水相润湿 接触角,?一毛细管半 径。毛细管 力是 驱替柱状、簇状残余油以及使大油珠 通过细孔 道须克服的力。研究表 明,表 面活性剂体系可使油水 界面 张力降到?一? ?。采用 表 面活性剂 后,由于界面张力。和 接触角?的改 变,与水驱相比,毛细 管力可大 大降低。?粘附力粘附力是原油 在岩石表面的附着力。由于存在粘 附力,将油从岩石表面剥离下来,就需 要 克服粘附力。粘附 功?可用下式计算?二?一。? ?粘 附力是 驱替 膜状、盲状 残余油须 克服 的力。采用 表面活性剂 驱后,由于界面张 力?和接触角?的改变,与 水驱 相比,粘 附功可大大降低。精细石油化工进展 ? ? ?,? ! ?#璐第?卷 第?期?内聚力内聚力是原油分子 间的作用力。微观驱 油试验表明,大的孤岛状残余油不能直接通过 细孔道,表面活性剂体系能将大 油滴分散成较 小油滴带走,此过程须克服内聚力而做分散功。设将半 径为?的油滴块分散成若干等半径?的 小 油滴,所作功可 用下式计算?二? 。?一。?式 中,?一分散功,?一油滴数,?一分散前的油滴半径,?一分散后 的油滴半径。采用表面活性剂驱后,由于界面 张力。降低,与水驰 相比,分散功可大大降低。?表面活性剂 的驱 油机理“一? ? 通过考察表面 活性剂分子 在油水界面 的作用特征、水驱后 残余油 的受力情况以及表面活性剂对残余油受力状况 的 影 响,认为表面活性剂 驱 主要通过以下几种机理提高原 油采收率。?降低油水界面 张力机 理在影响石 油采 收率的众多决定性因素中,驱油剂的波及效率和洗油效率是最重要 的参数。提高洗油效率一般通过增加毛 细管准数实现,而降低油水界面 张力则 是 增 加 毛 细管准数的 主 要途径。毛细管准数与界面 张力 的关系? ? 见 下式?。二? , ?。?。?式 中,? ? 一毛细管准数?。一驱替速度,而?产,一驱替液枯度,?卫?。一油和驱替液间 的界面 张力,? ?。?。越大,残余油饱和度越小,驱油效率越高。增加产,和。,降低。? ?可提高?。 。其中降低界 面张力是表面 活性剂驱的 基本依据。在 注 水 开发后期,?。一般在?一?一? ?“?,?。增加将显著提高原油 采收率,理想状态 下?。增 至?一?时,原 油采 收率可 达? ?。通 过降低油水界 面 张力,可使?。有?一?个数量级的变化。油水 界 面张力 通常为? ?一? ? ?,理想的 表 面 活性剂可使界 面张力降至? ?一?一? ?一? ?,从而大大降低或消除地层 的毛细管作用,减 少 了剥 离 原 油所需 的 粘附功,提高了洗油效率。目前,应用化学 驱 驱 油技 术 大 幅 度提高采 收率的同时,生产成 本也不断增 加。因此,结合油田化学驱 实际效 果,通 过室内试 验对比研究,确定适合某些 地 层 化 学 驱 的界面张力的 技 术和经济界限,在提高驱油效率的同时不增加成本,这对于化学 驱 ?包括表 面 活性剂驱?技术的推广应 用具有重要意义。室内宏 观 驱 油物理模拟试验结果表明,在油水界面张力最低的情况下,驱油效率并非最高,这也表明油水界面 张力存在 最佳值,此时驱油效率最高。目前国 内已经有人研究在 油水界面 张力并非超低的情况下,通过 改 变 润 湿性提高驱油效率的方法? ? ?。在表 面活性剂驱 室内实验 及先导试验 中,应准确掌握表 面 活性剂降低 油水界面张力的合理尺度,即表面 活性剂用于驱油 时,特定条件下存在降低 油水界面张力的最佳数值范围,其应 满 足以下条 件? 表 面 活 性剂作 用 于 油藏地层中的油 水后,其有效时间应 稍大于油 水乳状液 运移至 地面的时间? 采出液 油水乳状液易 于破乳,不 需作特别 处理,不 为 原油 脱 水、运 输、炼制 增 加任何特殊负担。?乳化 机理表面 活性剂体系 对 原 油 具 有 较 强 的乳化能力,在水油两相 流动剪切 的条件下,能迅速将岩石表面的原油分散、剥离,形成水包油 ?型乳状液,从而 改善油水两 相 的流度比,提高波 及 系数。同时,由于表面 活性 剂 在 油滴表 面 吸附 而使油滴带 有 电荷,油滴不易重 新粘回到地 层表面,从而被活性水 夹带 着流 向采油井。?聚并 形成 油带 机理从地层 表面洗下来的油滴越来越 多,它们在向前移动时可相互碰撞,使油珠聚并成油带,油 带又 和更多 的油 珠合并,促使残余油向生 产井进 一步驱替。注 人表面活性剂期间油 珠聚并 形成 油带以及油带的运动情 况见 图?和图?。图?驱 油过 程 中被 驱替 油滴的聚并图?驱油过程中油带的不断扩大?叨?年?月郭东红等?表面 活性剂驱 的 驱油机理与应 用? ?改变岩石表 面的润湿性 【 润湿反转机理 ?研究结果表 明,驱油效率与岩石 的润 湿性密切相关。油 湿表面 导致驱 油效率差,水湿 表 面导致驱 油效率好。合适的表面 活 性剂,可以使原油与岩石 间 的润 湿接触 角增 加,使岩石表面 由油湿性向水湿性转变,从而降低油滴在 岩石表面 的粘附功 ?如 图?所示 ?。注水中的表一部分表面活 性剂溶人油中,吸 附在沥青质点上,可以增 强其溶剂化外壳的 牢固性,减 弱 沥青 质点间的相互作用,削弱原 油中大分子 的网状结构,从而降低原 油 的极 限动剪切 应力,提高采收率。?表面活性剂分子相互作用的微观示意图? 表面活 性剂段塞?表 面活性剂段塞 戒瀚川?表面活性剂相互作用 的实际效 果图?表面活 性剂 使地层表 面润湿反转?提高 表面 电荷密度 机理当驱 油表面 活性剂为 阴离子?或非离 子一阴离子型 ?表面活性剂时,它们吸附在油滴和岩石 表面上,可提高表面 的电荷密度,增加 油滴与岩石 表面 间的静电斥力,使油滴易被 驱替介 质带走,提高了洗油效率。?改变