表面活性剂在石油生产中作用

摘要：随着世界能源需求日益增长，伴随着石油能源的迅速递减，这就要求人们使用各种办法来提高石油的采收率，进而充分利用有限的石油资源。在众多研究方法中，表面活性剂驱是一种前景颇为看好的化学方法，能很好地提高石油的采收率。本文综述了在石油开采过程中不同阶段表面活性剂驱中的表面活性剂的种类，并结合了表面活性剂驱在三次采抽中的应用及国内的一些应用实例。
关键词：表面活性剂 石油开采 应用
0 引言
随着世界能源需求的增加，对石油的开采量及开采效率的要求越来越高，用常规方法采油，一般仅采出原油地质储量很少，但是大约三分之二的原油仍留在油层中，并且很难解决原油被滞留在岩石孔隙中和剩余原油流动性差的难题。利用物理化学和生物学等技术来强化开采剩余储量的三次采油法，能有效提高原油采收率。

1 表面活性剂在钻井中的作用

1.1 钻井用表面活性剂，避免钻井事故

钻井用表面活性剂(包括钻井液处理剂和油井水泥外加剂)用量最大，约占油田用表面活性剂总量的60%左右；釆油用表面活性剂的量相对较少，但其技术含量相对较高，其用量约占油田用表面活性剂总量的1/3，这两类化学品在油田用表面活性剂中占有重要的位置。在油井的钻探过程中, 表面活性剂常被加入钻井液体系用作降滤失剂, 以使泥饼更致密, 从而降低泥饼中的自由水向地层渗透而避免钻井事故。降滤失剂需满足的重要要求之一是耐高温, 而要实现这一目的, 需要让表面活性剂分子尽可能多地与黏土表面的氧原子或羟基形成氢键。因此, 如能在降滤失剂分子结构中引入氟原子,降滤失剂则具有更好的耐温性。除此之外, 表面活性剂还在钻井液中用作降黏剂、增黏剂、流型调节剂、乳化剂、起泡剂、消泡剂、润滑剂、絮凝剂、黏土稳定剂和缓释剂等。

2 表面活性剂在油气开采中的增产作用

2.1 稠油开采，采用表面活性剂增产

由于稠油的黏度和密度比普通原油大得多, 因此对大多数的稠油通常采用井底乳液降黏, 即将碱类化合物和表面活性剂以及水注入到井底稠油中或挤入到油层近井地带, 借助井底的高温使稠油从地层渗流到井筒。由于井底温度和压力的变化使溶解在稠油中的轻质组分逸出, 同时油井中的水、表面活性剂和原油等组成的混合物向井口流动, 产生适当的搅拌, 从而使稠油以油滴状态分散在水中, 在油水界面由于表面活性剂的乳化作用, 大大降低了油水界面张力, 使水相中的表面活性剂分子富集在油水界面, 并被吸附在油滴周围, 使稠油液滴处在由表面活性剂构成的薄膜的包围之中, 形成了以稠油为分散相、水为连续相的O/W型乳状液, 从而阻止了油滴的聚结。由于连续相水的黏度很低, 在流动的过程中稠油间的相互内摩擦转变为水与水之间的内摩擦, 稠油与管壁间的摩擦也变为水与管壁间的摩擦, 从而大大降低了井筒内流体流动的阻力, 因此动力消耗减少, 从而可提高出油速度和出油量, 最终可提高油井产量。

2.2 油井清蜡与防蜡，采用表面活性剂

原油中含有一定数量的蜡, 蜡在地层中以溶解状态存在, 然而在开采过程中,含蜡原油沿油管上升, 随着温度、压力的降低以及原油中的轻质组分的不断逸出, 原油中蜡开始结晶析出, 并不断沉积, 从而导致油井产量不断下降甚至停产。以前采用的机械刮蜡、注热油或蒸汽热洗等方法, 劳动强度大, 作业时需要停产。近年来, 发展了以表面活性剂作为主体的水溶性清蜡剂、油溶性清蜡剂及乳液型清蜡剂。其作用机理一是通过表面活性剂的润湿反转作用, 使结蜡表面转变为亲水或亲油表面, 有利于石蜡从表面脱落, 不利于蜡在表面上沉积; 其次, 小分子表面活性剂由于具有渗透和分散性能, 因而易于深入松散结合的蜡晶缝隙里, 使蜡分子间的结合力减弱, 从而导致蜡晶拆散而分散于油流中。

2.3 酸化增产，采用表面活性剂

油井经历一段时间的开采后, 油层压力降低,油流通道堵塞，地层深部的原油不易采出。通常采用的措施之一是通过向油井注入一定浓度的酸液, 使其与地层岩石发生反应,提高地层渗透率, 改善油流通道, 达到油井增产的目的。在这一过程中, 表面活性剂发挥着如下作用。
（1）延缓酸岩反应速度
为减缓酸液与地层岩石的反应速度, 可向酸液中加入表面活性剂, 使其在岩石表面吸附形成一层致密膜, 控制酸液中H+向岩石表面的扩散, 减缓酸- 岩反应速度。随着酸液逐步向地层深部渗透, 表面活性剂不断被地层吸附, 逐渐消

源于：论文的格式要求www.udooo.com

耗, 浓度下降, 吸附量减小, 吸附膜变薄, 使剩余酸液中的H+与岩石继续发生反应, 从而达到既缓速, 又深部酸化的目的。
（2）缓蚀作用
很显然, 酸液容易加速油井管柱的腐蚀。如向酸液中加入表面活性剂, 其在酸液中遇到金属表面后产生定向吸附, 亲水极性基团朝金属表面吸附, 疏水基团背向金属朝着酸液伸展, 结果在金属表面形成一层疏水保护膜。一方面阻碍酸液中H+向金属表面扩散,另一方面由于表面活性剂的吸附, 使表面自由能降低, 从而增加了腐蚀反应的活化能, 使腐蚀速率降低。最近, 国内外均有专家报道双子表面活性剂对碳钢、铁和锌都具有更好的缓蚀作用。
（3）乳化作用
酸与原油接触反应产生的活性物质及酸, 与地层岩石反应产生的具有中间润湿性的微粒, 都易导致油乳状液的形成, 既不利于酸液的返排, 又易伤害地层, 导致产量降低。加入表面活性剂后, 其优先吸附于原油中石蜡微晶和泥质微粒的表面, 以及酸- 油界面, 使其变为水润湿, 从而使酸/油乳状液失稳和削弱其他乳化剂的乳化作用, 使酸/油乳状液难以形成, 有助于返排。
（4）助排作用
表面活性剂还能降低酸/油界面张力, 减小地层汇总液体的毛细管滞留作用, 加速残酸的返排, 改变地层润湿性, 悬浮不溶性微粒, 预防淤渣的形成。为最大限度地降低表面张力, 通常使用复配表面活性剂, 最近几年, 开始普遍采用氟碳表面活性剂作为助排剂。
除上述功能外, 自20世纪末以来, 国外少数几家公司相继开发出具有黏弹性能的表面活性剂。这类表面活性剂能在酸液中形成蠕虫状胶束, 可大幅度提高酸液的黏度, 因此酸液可充分与岩石发生反应。但遇到原油后, 胶束又被破坏, 酸液黏度大幅度降低, 十分易于返排。因此, 由这类表面活性剂配制的酸液体系被称为“自转向酸”, 是目前国内外石油行业研究的热点。

2.4 采用表面活性剂，压裂增产

压裂也是常用的增产措施之一, 即采用高压泵将携带有支撑剂的高黏流体以远远超过地层吸收能力的能量注入油井中, 使其超过地层破裂压力, 将地层压开, 支撑剂( 如砂子等) 则填充于地层缝隙, 当外加压力除去后, 被压开的地层裂缝不致完全闭合, 从而增大地层渗透率, 达到油井增产的目的。表面活性剂在压裂作业中, 主要用于制备O/W型或W/O型乳液型压裂液、油基或水基泡沫压裂液, 以及稠化油压裂液。
此外, 在水基压裂液中也常用一些表面活性剂作为压裂液返排时的助排剂。通常, 水基压裂液和稠化水压裂液通常使用水溶性聚合物增黏, 甚至还加入有机或无机交联剂使其形成凝胶, 但压裂作业结束后,聚合物或凝胶的残渣返排不出来, 易对地层造成伤害。为使尽可能多的聚合物残渣排出地面, 需要向压裂液中加入表面活性剂以降低岩石表面- 水之间的界面张力并改变岩石表面的润湿性, 使岩石对水的润湿性改变为非润湿性表面, 从而降低地层毛细管压力,有助于残渣的排出。黏弹性表面活性剂最近在国外也被用于压裂液中以取代水溶性聚合物。压裂作业完成后, 只需要向地层注入特殊的破胶剂或通过与原油接触即可破胶, 表面活性剂解缔合而全部排出到地面, 可避免对地层的伤害。由黏弹性表面活性剂构成的压裂液体系也被称之为“无固相压裂液”, 可避免传统压裂液对地层的伤害, 也是国内外石油界关注的热点。