表面活性劑在石油工程中的應用研究進展

表面活性劑在石油工程中的應用研究進展內(nèi)容摘要：外表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。綜述了外表活性劑在石油工程中的研究及應用現(xiàn)在狀況，由于國內(nèi)一些大型油氣藏已到開采后期，油田采收率較低，利用外表活性劑能夠提升采收率。高分子類型的外表活性劑既能提升涉及系數(shù)，又能提升洗油效率，是很好的驅(qū)油助劑。當前不少油田在開采低浸透油藏以及頁巖油氣藏，壓裂液助劑的開發(fā)研究是如今及將來的一個研究熱門。本文關鍵詞語：外表活性劑；石油工程；應用；研究外表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構成的，少量存在即能顯著降低溶劑外表張力的物質(zhì)。它們廣泛用于日常生活[1，2]，以及石油工程。例如，在油氣鉆井工作中能夠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(yè)中能夠用作黏土穩(wěn)定劑、驅(qū)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能夠用作減阻劑、破乳劑、殺菌劑、絮凝劑等，于浩洋等[3-6]對其在油田中的重要應用及其作用機理進行過歸納。當前國內(nèi)一些大型油藏已到開發(fā)后期，原油采收率較低，能夠采取化學驅(qū)進行驅(qū)油。例如，大慶油田的堿-外表活性劑-聚合物〔ASP〕三元復合驅(qū)為大慶油田的增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)作出了宏大奉獻[7]。對低孔低滲的油氣藏如當前國內(nèi)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外表活性劑[8-11]。根據(jù)外表活性劑在水中起活性作用的親水基團來進行分類，能夠?qū)⑵浞譃殛庪x子型、陽離子型、兩性離子型、非離子型及特種類型〔包含含氟和含硅、Gemini、Bola及生物外表活性劑等〕外表活性劑。現(xiàn)根據(jù)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(xiàn)在狀況進行綜述，以供我們國家頁巖油/氣藏開采技術的研究人員作參考。1普通外表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外表活性劑。常見的陰離子外表活性劑有羧酸鹽型〔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]能夠?qū)⒂退缑鎻埩抵脸徒缑鎻埩Α?0-3mN/m〕，用于堿-外表活性劑-聚合物〔ASP〕三元復合驅(qū)，能夠極大地提升原油的采收率。1.2陽離子型季銨鹽型、吡啶鹽型及咪唑啉型等陽離子外表活性劑可用、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，不外使用量不太大。例如，將季銨鹽型外表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外表活性劑分子中既有陰離子又有陽離子，在水中由于pH值的不同能夠表現(xiàn)出兩種類型的電性，可用作驅(qū)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(zhì)中的流動特征及驅(qū)油特征，發(fā)現(xiàn)低礦化度地層水與甜菜堿溶液與巖石外表作用更強、流動阻力更小，高礦化度水驅(qū)、低礦化度水驅(qū)的采收率可分別到達32.5%和33.8%，而低礦化度水驅(qū)加后續(xù)低礦化度外表活性劑驅(qū)的組合方式可使采收率達最高。1.4非離子型非離子型外表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(zhì)較穩(wěn)定，例如聚氧乙烯烷基醇醚可用于驅(qū)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外表活性劑，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。結果表示清楚：EO聚合度越大，外表活性劑的親水性越強，泡沫性能及穩(wěn)定性均有所提升；相反，礦化度、壓力和溫度的升高使泡沫性能下降。2特種外表活性劑的研究及應用2.1含氟/硅型重要是含氟外表活性劑及含硅類型的外表活性劑。很特殊的既憎水又憎的含氟外表活性劑，能夠在凍膠壓裂液中作為熱穩(wěn)定性較好的助排劑；含硅外表活性劑如有機硅則是很好的消泡劑，還能夠用作驅(qū)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(huán)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(qū)塊原油的界面張力可低至0.025mN/m，將其進行CO2驅(qū)油實驗，可進一步提升11.44%的原油采收率。2.2Gemini〔雙子、孿生或雙生〕型Gemini型外表活性劑是一類雙親水基雙親油基的兩親物質(zhì)。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。當前已報道的的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處外，在石油工程中可用于三采及清潔壓裂液的增稠[27-30]。陽離子的雙子外表活性劑有較好的協(xié)同效應[31]。Oliviero等[32，33]研究了雙子水溶液的物理化學性質(zhì)，而朱森[34]研究用計算機模仿雙子外表活性劑的性能表征。唐善法等[35]合成了表征系列羧酸鹽雙子外表活性劑，能夠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，黏度測試結果表示清楚疏水鏈碳數(shù)越多，該雙子型外表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?。皇杷溙紨?shù)一樣時，聯(lián)合基碳數(shù)越多，其增稠能力越強，熱穩(wěn)定性越好；0.04%納米ZnO可提升高溫下的溶液黏度〔100℃下由10mPa·s升至30mPa·s〕。優(yōu)化配方有良好的抗高溫性能和剪切穩(wěn)定性，攜砂穩(wěn)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外表活性劑在致密油氣藏的研究及應用單一的外表活性劑雖然能降低溶劑的外表張力，但其構成洗油能力較強的膠束、乳液及微乳液的能力較弱，因而在提升原油采收率時多需和多種化學劑復配使用。例如，參加適量的無機鹽能夠調(diào)整乳狀液及微乳液的親水親油平衡值〔HLB值〕，利于膠束的構成；參加適當?shù)耐獗砘钚晕镔|(zhì)能夠減少價格昂貴的外表活性劑的使用。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，若不能研制出適宜的外表活性劑，則需要用兩種或多種外表活性劑進行復配，調(diào)整到油-水乳化所需的HLB值，如此能力配制出穩(wěn)定的水/油型乳狀液或油/水型乳狀液，可用于提升原油采收率。例如，利用陰離子/非離子外表活性劑進行驅(qū)油，模仿效果表示清楚，能夠顯著降低界面張力能力，濃度范圍在0.05%～0.30%；熱穩(wěn)定性較好，乳化性能較好，能夠使水驅(qū)的采收率提升12%左右[36]。針對致密油氣藏，將外表活性劑復配至壓裂液中，比照研究發(fā)現(xiàn)陽離子外表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(chǎn)量會有所提升[37]。利用納米乳液針對超低浸透油藏利用納米乳液進行降壓增注，不僅能夠降低油水界面張力，還能夠提升原油采收率[38]。邱正松等[39]針對頁巖儲層的水敏等儲層傷害問題，采取兩步稀釋法，研備出極小粒徑且分散性好的水包油型納米乳液。選取Gemini季銨鹽型外表活性劑與Tween80等復配。羅明良[40，41]等以氨基聚硅氧烷和綠色外表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能夠結實吸附到巖石外表，分子鏈中的疏水基團硅甲基能夠改變巖石外表的潤濕性。4結論石油工程中鉆遇的儲層有時會很復雜，現(xiàn)有的外表活性劑不太適用，當前重要的研究熱門是環(huán)保型外表活性劑的研制及作用機理的研究，用于驅(qū)油及壓裂的新型外表活性劑及其作用機理的研究。例如，任立偉[42]提出鉆井液用外表活性劑今后的研究工作應充足利用外表活性劑之間的協(xié)同效應，提升外表活性劑的抗溫、抗鹽及抗鈣的能力，盡量開發(fā)出環(huán)保產(chǎn)品如烷基糖苷類，以及雙子型外表活性劑及含硅或氟等的新型外表活性劑，還要重視各種類型外表活性劑的作用機理的研究。對于開發(fā)后期的油氣藏，采取化學驅(qū)進行驅(qū)油時的驅(qū)油機理由于采取的化學劑的不同，尤其是新型化學劑〔如有機堿、生物外表活性劑等〕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能夠利用乳狀液驅(qū)油，但