滲吸驅油用表面活性劑研究現狀及展望

侯向前，張福祥，胡廣軍，張 濤，苗紅生

（洲際海峽能源科技有限公司，四川 成都 610051）

我國非常規石油資源豐富，地質資源量為1039.31×108t，技術可采資源量為198.93×108t，地質資源量和技術可采資源量分別占到石油總資源量的49.18%、42.24%[1]。非常規儲層具有物性差、滲透率低等特點，生產過程中存在著產量快速遞減的問題，巖石表面油潤濕是導致產量快速遞減的關鍵原因。表面活性劑是一種具有親水基團和親油基團的兩親性物質，具有較高的表界面活性，其可以通過改變巖石潤濕性、降低油水界面張力、乳化原油、增加巖石表面電荷密度等作用有效動用儲層基質中的殘油，表面活性劑滲吸驅油技術是提高原油采收率的重要手段[2]。

本文總結了表面活性劑的滲吸驅油機理，概述了傳統表面活性和新型表面活性劑作為滲吸驅油劑的優缺點及研究現狀，歸納了表面活性劑復配和納米顆粒強化展現出的技術優勢，并展望了表面活性劑作為滲吸驅油劑的未來發展方向。

1 表面活性劑滲吸驅油機理

1.1 改變潤濕性

巖石潤濕性從親油轉變為親水或強親水是表面活性劑提高滲吸驅油效率的關鍵，潤濕性的改變可以將毛細管力變為自發滲吸的主要驅動力，同時降低原油的黏附功，從而實現提高滲吸采收率的目的。目前，改變潤濕性的形式主要有離子對形成、表面活性劑吸附和表面活性劑膠束增溶。

1.1.1 離子對形成 離子型表面活性劑可以通過靜電作用與原油中帶電有機質或原油組分形成離子對，由于離子對存在疏水基團向巖石表面的原油遷移，最終將原油剝離使巖石表面變為水潤濕。

Liu 等[3]通過實驗觀察到陰離子表面活性劑AOS 將頁巖表面的有機質和油膜剝離的現象，證實了陰離子基團可以與吸附在頁巖表面帶正電的有機質或原油組分相互作用形成離子對。Pinto 等[4]研究表明，陽離子表面活性劑DTAB 的陽離子基團可以與吸附在碳酸鹽巖表面原油中的有機羧酸形成離子對。

1.1.2 表面活性劑吸附 表面活性劑在巖石表面的吸附通常可包括物理吸附和化學（靜電）吸附。非離子表面活性劑吸附屬于物理吸附，由于其疏水基團與油潤濕的非極性巖石表面存在親和力、親水基團與極性水相存在親和力，會在巖石表面排列形成自組裝吸附層，巖石表面就會被吸附的表面活性劑分子層所覆蓋，從而由油潤濕轉變為水潤濕。而離子型表面活性劑吸附過程除了物理吸附還與表面活性劑帶電基團和巖石表面的靜電作用有關，通常伊利石、蒙脫石、石英、長石等礦物表面帶有負電荷，方解石、白云石等表面帶有正電荷。

Chen 等[5]研究認為，非離子和陰離子表面活性劑在帶負電荷的石英表面形成單分子層而使石英表面呈現水潤濕；而陽離子表面活性劑吸附過程中分為兩步，首先通過靜電吸引作用形成單分子層吸附，然后通過疏水作用形成雙分子層吸附，故低濃度的陽離子表面活性劑使石英表面呈現油潤濕，高濃度的陽離子表面活性劑使石英表面呈現水潤濕。

Liu 等[6]研究表明，陰離子表面活性劑AES 和AOS 可將石英、長石、伊利石和蒙脫石的表面潤濕性由油潤濕變為水潤濕，而陽離子表面活性劑CTAB 可將方解石和白云石表面潤濕性由油潤濕變為水潤濕，原因是表面活性劑和巖石表面存在靜電吸附作用。

1.1.3 表面活性劑膠束增溶 表面活性劑的濃度足夠高時可以在極性水相中形成膠束，膠束的外部是親水基團，內部是疏水基團，從巖石剝離的原油由于和表面活性劑疏水基團具有親和力會進入膠束內部，形成水包油的乳液，并隨水相在巖石孔隙通道中運移，最終提高滲吸采收率[7]。

1.2 降低油水界面張力

表面活性劑降低油水界面張力可促使原油的黏附功降低，流動性提高，原油更容易從巖石表面被剝離。但并不是油水界面張力越低越好，因為油水界面張力太低會導致毛細管力變小，而毛細管力是滲吸驅油的主要動力來源。

Qi 等[8]研究了表面活性劑降低油水界面張力對碳酸鹽巖的滲吸驅油效果的影響，發現油水界面張力為15.2mN·m-1時，采收率為6.4%，降低到10mN·m-1時，采收率可提高到10.4%，降低到0.1mN·m-1時，采收率達到最大，為20.4%。

1.3 乳化原油

表面活性劑具有很強的乳化原油能力，可以將油膜乳化成乳狀液滴，提高從巖石表面剝離原油的效率[9]；同時，乳化形成的乳狀液可以降低水相的流動性，改變水相在儲層微小孔隙中的運動和分布，擴大波及面積，提高滲吸采收率。

Saxena 等[10]通過光學顯微鏡觀察到皂堅果類陰離子表面活性劑鹽溶液可以與原油形成Winsor III 型乳狀液，乳狀液可以通過混相作用從儲層細小孔隙中剝離原油，對提高驅油效率具有顯著作用。

1.4 增加巖石表面電荷密度

當離子型表面活性劑吸附在巖石和原油表面時，巖石和原油的表面電荷密度增加，靜電斥力增強，巖石表面形成水膜更加穩定，巖石表面的親水性變強。

Liu 等[3]測試表明，頁巖表面Zeta 電位的絕對值隨著陰離子表面活性劑濃度的增大而增大，相同濃度下陰離子表面活性劑對頁巖表面Zeta 電位的影響遠遠大于非離子表面活性劑。

1.5 防止瀝青質沉淀

表面活性劑具有抑制瀝青質沉淀和穩定原油中的瀝青質的能力，防止瀝青質沉淀堵塞儲層基質中微小孔隙而降低采收率，阻礙瀝青質沉淀所導致的巖石潤濕性由水潤濕轉變為混合潤濕甚至油潤濕，但表面活性劑并沒有清除巖石表面已經沉淀瀝青質的能力[11]。

Gupta 等[12]研究表明，非離子表面活性劑抑制瀝青質沉淀的能力優于陰離子表面活性劑，非離子表面活性劑對Lyons 砂巖和Eagle Ford 頁巖的滲吸采收率比陰離子表面活性劑分別高0.7%和7.2%。

2 傳統表面活性劑滲吸驅油

2.1 陽離子表面活性劑

陽離子表面活性劑作為滲吸驅油劑，具有耐溫性較好、成本低等優點，其與二價離子對表面帶正電荷的碳酸鹽巖通常表現出協同增效的滲吸驅油性能，而對表面帶負電荷的頁巖、砂巖吸附損失較大，實用性較差。

Shahbazi 等[13]研究了十六烷基三甲基氯化銨鹽溶液對白云石的滲吸驅油性能，當其濃度為300mg·L-1時，可以將白云石表面接觸角從140°降至32°，與鹽水驅替相比滲吸采收率可提高7.95%。Hosseini 等[14]研究表明，十二烷基三甲基溴化銨（C12TAB）與Ca2+、Mg2+二價離子的協同驅油性能優于一價離子，C12TAB 的鹽溶液可以將碳酸鹽巖接觸角從90°降低到14°，而不含二價離子的C12TAB溶液僅能將接觸角從90°降低到71°。

2.2 陰離子表面活性劑

陰離子表面活性劑作為滲吸驅油劑，具有界面活性高、耐溫性好、成本低等優點，由于其表面帶有負電荷，通常適用于頁巖、砂巖等儲層，但其抗鹽能力較差，容易與地層中的多價陽離子作用形成沉淀，對儲層造成損害。

陰離子表面活性劑主要包括硫酸鹽、磺酸鹽、羧酸鹽和磷酸鹽，針對硫酸鹽和磺酸鹽作為滲吸驅油劑的研究較多。Zhan 等[15]研究表明，質量濃度為0.05%的十二烷基硫酸鈉鹽溶液可以將致密砂巖的接觸角從144.1°降低到66.1°，滲吸采收率較鹽溶液可提高26.5%。Li 等[16]采用1,2-癸二醇、四丁基溴化銨和環氧氯丙烷合成了1,2-癸二醇二羥丙基磺酸鹽，其可使巖石表面接觸角從100.8°降低至17.8°。

2.3 非離子表面活性劑

非離子表面活性劑作為滲吸驅油劑，具有乳化性能強、吸附損失小等優點，但其存在對酸堿敏感、界面性能差、溶解性受到濁點影響等缺點。非離子表面活性劑與巖石表面的吸附屬于物理吸附，無法滿足巖石表面電荷密度高的應用。

Souayeh 等[17]將脂肪醇聚氧乙烯醚H27C13-（OCH2CH2）7OH 和H27C13-（OCH2CH2）20OH 復配，形成的體系在低濃度鹽水中可以將油水界面張力降低至0.01~0.1mN·m-1，將油潤濕的方解石表面接觸角從160°降低到34°，顯示出較好潤濕性改變能力。Amirpour 等[18]研究表明，辛烷基酚聚氧乙烯醚TX-10 可將砂巖表面接觸角從148°降低到50°，滲吸采收率提高10%。

2.4 兩性表面活性劑

兩性離子表面活性劑同時含有陽離子基團和陰離子基團，具有生物降解能力強、耐鹽性好、可與多種表面活性劑復配等優點，兩性電荷的存在使其適用于頁巖、砂巖、碳酸鹽巖等儲層，缺點是相對成本高。

甜菜堿是應用最為廣泛的兩性表面活性劑滲吸驅油劑，根據陰離子的不同可分為羧基甜菜堿、磺基甜菜堿和硫酸鹽甜菜堿。Kumar 等[19]采用N,N-二甲基四甲胺和氯乙酸鈉合成了N,N-二甲基十四烷基羧基甜菜堿，其在80℃下耐鹽可達到20%NaCl，在219℃下熱穩定性較好，可將油水界面張力降低至3.06×10-2mN·m-1。朱維耀等[20]研究表明，3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜堿可將巖石的接觸角從81.7°降低到24.0°，滲吸采收率達到42.1%。

3 新型表面活性劑滲吸驅油

3.1 生物表面活性劑

生物表面活性劑具有毒性低、可降解、結構多樣化、對環境的適應性強等優點，近年來被作為滲吸驅油劑廣泛關注，應用前景較好。

林軍章等[21]研究表明，生物表面活性劑鼠李糖脂和脂肽具有較強的降低界面張力和潤濕反轉能力，將原油從巖石表面剝離的黏附功從14.2mN·m-1分別降低到0.069 和0.016mN·m-1，滲吸驅油效率分別達到8.46%、10.07%。王晨伊等[22]利用地衣芽孢桿菌L20 代謝制備了脂肽類表面活性劑，其可將人造砂巖表面接觸角從103.2°降低到30.9°，對砂巖的驅替采收率可提高14.18%

3.2 雙子表面活性劑

雙子表面活性劑是由兩個親水性基團和兩個疏水性基團組成，與傳統表面活性劑相比，作為滲吸驅油劑具有表界面活性更好、臨界膠束濃度更低、改變潤濕性能更強等優點，其在超低濃度下可將油水界面張力降低至超低值，應用潛力巨大，缺點是成本相對較高。

Hou 等[23]以三甘醇、氯磺酸、4-辛基苯酚為主要原料合成了雙子磺酸鹽，在溫度120℃、礦化度20×104mg·L-1條件下，其可將油水界面張力降低至8.75×10-3mN·m-1，將石英的表面接觸角從128°降低到31°，滲吸采收率可提高17.3%。王成文等[24]以十二胺、甲醛、甲酸、甲胺、環氧氯丙烷和氯磺酸等為主要原料制備了得到硫酸鹽-季銨鹽型兩性表面活性劑，體系的臨界膠束濃度為5.4×10-4mol·L-1，油水界面張力為1.14×10-2mN·m-1，較水驅滲吸采收率可提高11.63%。

4 表面活性劑強化滲吸驅油

4.1 表面活性劑復配強化

表面活性劑復配對實現降本增效方面具有重要的意義，多種表面活性劑復配既能發揮協同作用，又能實現降低成本。表面活性劑復配可明顯提升滲吸驅油劑的耐溫抗鹽性能，滿足高溫高礦化度等特殊環境的應用。

王友啟等[25]采用十二酸二乙醇酰胺與脂肪醇聚乙烯醚硫酸鈉復配，體系可將油水界面張力降低至3×10-3mN·m-1，在高礦化度、高鈣鎂離子濃度、高溫下具有較好的界面性能，在高鈣鎂油藏具有良好的應用前景。Jia 等[26]研究發現，十二烷基硫酸鈉與1-十二烷基-3-甲基咪唑氯鹽復配體系可將油水界面張力從10-1mN·m-1降低到10-4mN·m-1，滲吸采收率提高16.1%。

4.2 納米粒子強化

納米材料與表面活性劑復合驅油對低滲超低滲儲層提高采收率具有重要意義，納米SiO2與表面活性劑復合驅油體系研究最為廣泛，其驅油的機理包括改變潤濕性、降低界面張力、結構分離壓力及密度差異[27，28]。

He 等[29]研發了由椰子油二乙醇酰胺和納米SiO2顆粒組成的超低界面張力納米流體，體系與原油的界面張力降至10-3mN·m-1，滲吸采收率與表面活性劑相比可提高16.8%。Song 等[30]采用十二烷基磺基甜菜堿和SiO2納米顆粒構建了高效納米流體驅油體系，體系平均尺寸為58.59nm，Zeta 電位表明體系穩定性較好，滲吸驅油效率較鹽水和十二烷基磺基甜菜堿溶液相比分別提高了20.5%和8.5%。

5 結語與展望

（1）表面活性劑作為滲吸驅油劑可顯著提高油潤濕儲層的采收率，主要基于改變巖石潤濕性、降低油水界面張力、乳化原油、增加巖石表面電荷密度及防止瀝青質沉淀等5 項機理來發揮滲吸驅油作用。

（2）表面活性劑吸附損失對高效發揮滲吸驅油性能有較大影響，其在儲層巖石表面的吸附過程與表面活性劑類型、巖石巖性物性特征、巖石表面電荷類型及密度、水相礦化度等因素有關，加強表面活性劑結構、巖石與流體之間的構效關系研究，明確表面活性劑在巖石表面的吸附特征，用于預測表面活性劑吸附損失及設計表面活性劑滲吸驅油配方。

（3）攻關生物表面活性劑、雙子表面活性劑的制備技術，降低生產成本，實現兩種表面活性劑的低濃度、低成本滲吸驅油。

（4）推動表面活性劑復配強化滲吸驅油技術用于高礦化高溫等惡劣儲層提高采收率及降本的研究及應用；加強納米材料與表面活性劑復合驅油體系的配方研究并推動其在低滲透油藏的應用。