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超低界面张力在三次采油中的重要
性
超低界面张力在三次采油中具有重要意义，因为它可以帮助优化采油过程并节省能源。
由于传统的采油流体在表面上形成了一层“膜”，称为界面张力，会使油井内油尘形成团块，而不是均匀分散。
此外，由于高界面张力，采油速度减慢，破裂时间和压力也会增加。
超低界面张力的出现可以改善这种情况，它能够降低表面张力，有效地将油尘分散，使油气更容易地渗透到油井中，从而提高采收率。
此外，超低界面张力还可以减少破裂时间和压力，减少油井注水，提高油井的保护性能，减少能源消耗，从而确保采油的高效率。
界面张力降低速度对乳化及驱油效率影响研
究
1 引言
乳化是一种将固态物质溶解于液体中的物理操作，经过乳化，可
以更容易准确地进行驱油抽油作业，此外也可以改善抽油机和井口设
备的使用效率。
为此，采用调控界面张力减低乳化的速度对于乳化效
果以及驱油效率的影响，一直被重视。
2 界面张力降低乳化速度的影响
研究发现，界面张力降低乳化速度会对乳化效果影响比较大。
乳
化过程涉及到乳液分液剂的加入，分液剂有利于改善油水界面特性，
使油梗的结合力降低，从而提高乳化速度。
当界面张力比较低的时候，油脂分子能够更加有效地溶解分液剂中的水分子，因此乳化效果会更好。
同时，降低界面张力也会改善驱油效率。
因为当界面张力比较低
的时候，油膜的夹紧力会降低，抽油机的吸力就更加有效，从而提高
驱油效率。
3 结论
调控界面张力减低乳化速度，可以改善乳化效果，提高乳油驱油
效率，从而更加有效地完成驱油作业。
137延长油田SJH区块大部分井初期依靠天然能力衰竭开发，产出水均为地层水，含水率稳定在20%左右。
此时油井的储量动用范围有限，主要在近井地带，并且随着地层压力的降低，产液和产油量均逐渐降低。
油井处于低含水率阶段，一方面原因可能为裂缝不发育，未形成油水井间水窜；另一方面原因可能为注入水未突破，尚未波及至油井。
在低含水率阶段，这类油井面临的主要问题是地层压力低、能量供给不足。
针对此类油井，本文有针对性提出了氮气泡沫驱参数设计方法，以地层能量的补充和恢复为主要目标，以弱调驱作用为辅助目标，并针对SJH区块特点设计了相应注入参数。
1 水源充足氮气与泡沫液+水交替注入参数设计方法延长东部各采油厂注水资源、气体资源均相对缺乏，在实际氮气泡沫驱开发参数设计时需要考虑实际注入流体资源现状进行优化。
首先考虑当水源充足时，对泡沫驱方案设计思路为充分发挥注入水对补充地层能量的作用，此时注入气段塞对水窜具有抑制作用，另外注入泡沫液可充分发挥注入泡沫液对泡沫驱流体注入能力及提高发泡能力的作用。
对于特低渗、超低渗储层，由于泡沫液与储层原油界面张力低，因此毛管力也低，所以同样的注入量注入水比注入泡沫液注入压力要高。
由于氮气与水交替注入、氮气与泡沫液交替注入均可以产生泡沫，只是注入压力具有差异性，因此可以根据实际注入压力允许情况选择注入方式。
泡沫液成本相对较高，在水的注入能力满足压力供给需求的情况下，推荐优先采用氮气-水交替注入。
已有研究表明[1-3]，如果泡沫驱周期太短，则注入气和泡沫液或水交替频繁，而段塞在地层中超低渗油藏低含水阶段氮气泡沫驱注入参数设计汤佳佳1 霍萍萍1 武金卫1 李康1 涂彬2 1.延长油田股份有限公司七里村采油厂 陕西 延安 7160002.中国石油大学（北京） 北京 100000摘要：针对延长油田SJH区块大部分低含水井地层压力低、能量供给不足等特点，针对性提出了氮气泡沫驱注入参数设计方法。
当水源充足时，设计每个注入周期注水段塞0.05HCPV、注气段塞0.01PV，充分发挥注入水对补充地层能量的作用，注入气段塞对水窜具有抑制作用；当水源不足时，每个注入周期推荐注气段塞0.05HCPV、注水段塞0.01HCPV，充分发挥注入气对补充地层能量的作用，注入水段塞对气窜具有抑制作用；当水源不足、且注入井注入压力较高时，每个注入周期推荐注气段塞0.05HCPV、注泡沫液段塞0.01HCPV。
超低界面张力表面活性剂分类及其应用超低界面张力表面活性剂是一类在界面上具有极低张力的表面活性剂，它们在制备过程中通常需要具有优异的表面活性性能，以便在各种应用领域得到更好的应用效果。
本文将介绍超低界面张力表面活性剂的分类、性能及其在各个领域的应用。
一、超低界面张力表面活性剂的分类根据其化学结构和性质，超低界面张力表面活性剂可以分为非离子型、阳离子型、阴离子型和两性离子型等四种类型。
1. 非离子型非离子型超低界面张力表面活性剂主要是通过疏水基团和亲水基团之间的相互作用来降低界面张力。
常见的非离子型超低界面张力表面活性剂有硅烷类、疏水性氨基甲酸酯类、疏水性糖类等。
它们在水性润湿剂、抗静电剂、抗粘剂等方面有着广泛的应用。
二、超低界面张力表面活性剂的性能超低界面张力表面活性剂具有以下几种主要性能：1. 降低表面张力超低界面张力表面活性剂在水性体系中可以显著降低表面张力，使得水与其他介质的接触角变小，从而提高了材料的湿润性能。
2. 提高分散性超低界面张力表面活性剂在润湿介质中可以提高颗粒的分散性，使得颗粒能够更好地均匀分布在介质中，提高了材料的使用效果。
3. 改善稳定性超低界面张力表面活性剂在水性体系中可以形成稳定的乳液或胶体结构，从而提高了材料的稳定性和保质期。
1. 化妆品超低界面张力表面活性剂在化妆品中可以用作表面活性剂、乳化剂等，提高了化妆品的润肤性能和稳定性。
2. 污染治理超低界面张力表面活性剂在油污处理、废水处理等方面有着广泛的应用，可以提高处理效率和效果。
3. 农业超低界面张力表面活性剂在农业中可以用作植物叶面肥、农药增效剂等，提高了农作物的吸收和利用效率。
超低界面张力表面活性剂是一类具有优异表面活性性能的化学品，在各个领域都有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和人们对环境友好型产品的需求不断增加，相信超低界面张力表面活性剂将会在未来得到更广泛的应用。
超低界面张力表面活性剂分类及其应用
超低界面张力表面活性剂是一种具有极低界面张力的表面活性剂，能够在液体界面上降低表面张力，使液体胶体更加稳定。
超低界面张力表面活性剂广泛应用于各个领域，以下将对其分类及应用进行介绍。
超低界面张力表面活性剂的分类主要有两种：一类是疏水性的表面活性剂，又称为疏水性胶体活性剂；另一类是亲水性的表面活性剂，又称为亲水性胶体活性剂。
疏水性表面活性剂主要包括疏水性有机胶体活性剂和疏水性无机胶体活性剂。
疏水性有机胶体活性剂常见的有石化胶体活性剂、疏水性单体聚合胶体活性剂等。
这些疏水性表面活性剂具有较小的亲水基团，可以在油水界面上形成疏水胶体层，从而降低液体界面的表面张力。
疏水性表面活性剂广泛应用于乳化、分散、脱泡、润滑等过程。
超低界面张力表面活性剂的应用非常广泛。
在工业领域，超低界面张力表面活性剂常用于乳化液、分散液、脱泡剂、湿润剂等的制备。
在食品工业中，超低界面张力表面活性剂常用于液态食品的乳化、稳定、增湿等。
在农业领域，超低界面张力表面活性剂常用于农药的增湿、增粘、抗雨水冲刷等。
在制药、纺织、环境保护等领域也有广泛的应用。
驱油用表面活性剂的发展及界面张力研究仉莉;吴芳;张弛;刘晓玲;葛际江;张贵才【摘要】综述了驱油用磺酸盐表面活性剂、羧酸盐表面活性剂、非离子-阴离子两性表面活性剂、烷基多糖苷表面活性剂、Gemini表面活性剂、甜菜碱表面活性剂的发展,指出Gemini表面活性剂、甜菜碱表面活性剂在油田中应用需解决的问题和国外近年较重视驱油用非离子-阴离子表面活性剂的趋势;总结了表面活性剂分子结构与降低界面张力性能的关系,指出研究甜菜碱类表面活性剂低界面张力形成机理对指导新型表面活性剂的合成有重要意义.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(025)006【总页数】7页(P59-65)【关键词】化学驱油;表面活性剂;提高采收率【作者】仉莉;吴芳;张弛;刘晓玲;葛际江;张贵才【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,青岛,266555;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,青岛,266555;中国石油技术开发公司,北京,100028;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,青岛,266555;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,青岛,266555;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,青岛,266555【正文语种】中文【中图分类】TE39我国 85%原油产量来自产龄 10 a以上的老油田,但我国老油田的平均原油采收率仅为 32%,而世界先进国家采收率已达到 50%.因此,确保我国原油产量的持续增长,最为关键的是提高老油田的最终采收率.根据提高采收率方法筛选、潜力分析及发展战略研究结果,我国注水开发油田 (其储量和产量均占全国的 80%以上)提高采收率的方法主要为化学驱(碱驱、聚合物驱、表面活性剂驱等).该方法覆盖地质储量达60亿 t以上,可增加可采储量 10亿 t,为各种提高采收率方法潜力的 76%,是我国提高采收率研究的主攻方向.近十几年来,复合驱(碱 -表面活性剂 -聚合物的复合)从化学驱中脱颖而出,成为最具应用前景的方法之一.这一方面是由我国的特殊油藏条件及各种技术的适应性所决定的;另一方面则是因为复合驱综合发挥了不同化学剂的协同效应,从而成为大幅度提高石油采收率的重要方法之一.1 驱油用表面活性剂表面活性剂的性能是决定化学驱(表面活性剂驱,含表面活性剂的复合驱)成功的关键. 从选择指标上讲,驱油用表面活性剂要求降低界面张力强、在岩石表面吸附量小、价格低、能适应地层的温度和盐含量等,在此基础上还必须在室内物理模拟中表现出较高的提高采收率的能力.国外根据相态试验选择表面活性剂时,还提出在相态试验中不会出现液晶相、凝胶(gel)或其他类似的黏稠相,相态试验平衡快等要求.目前现场和室内研究中用于驱油的表面活性剂包括阴离子型表面活性剂、非离子 -阴离子型表面活性剂、两性表面活性剂、Gemini表面活性剂等.1.1 阴离子表面活性剂用于驱油的阴离子表面活性剂主要包括石油磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、α-烯烃磺酸盐、木质素磺酸盐和石油羧酸盐、烷基羧酸盐.1.1.1 磺酸盐表面活性剂木质素磺酸盐是最早用作驱油的表面活性组分 (1929年)[1],但由于该类物质没有长链亲油基,因此界面活性差,在早期化学驱中曾用作牺牲剂.近年来国内鉴于木质素较低的价格,有通过烷基化等手段制备含长烷基链木质素磺酸盐的研究,不过对于能否取得较好经济成本与技术指标之间平衡的报道极少. α-烯烃磺酸盐是工业化较晚的表面活性剂(1968年),分子中含有双键,耐盐能力可比于聚氧乙烯烷基醇醚硫酸盐 (AES),但界面活性比烷基苯磺酸盐差,且价格高,因此主要作起泡剂,在泡沫驱、稠油注蒸汽开采过程 (控制蒸汽窜进和超覆)中有广泛应用.研究表明,α-烯烃磺酸盐的亲油基越长,高温稳泡能力越好[2],但目前国内α-烯烃磺酸盐亲油基主要为 C12—C16,未出现高于 C16的工业化产品.真正大量用作驱油剂的磺酸盐表面活性剂是石油磺酸盐和合成磺酸盐.石油磺酸盐具有生产工艺简单、成本低等优点,但是石油磺酸盐耐盐性差(可用于含盐量低于3%的情况)、吸附损失较大,且由于原料组成复杂,不同批次产品性能稳定性差,因此进入 20世纪 90年代,国外驱油用表面活性剂主要集中到重烷基苯磺酸盐的研制上.这类表面活性剂以生产洗涤剂用十二烷基苯的副产品作为原料,同样具有价格低的优势,而且重烷基苯磺酸盐中除直链和支链烷基苯磺酸盐外,还含有部分二烷基苯磺酸盐和烷基萘磺酸盐,界面活性优于十二烷基苯磺酸盐,因此被迅速推广使用,美国的Stepan公司、SCI公司和 W itco公司先后研制了各自产品,如ORS-41(SCI公司技术,W itco公司生产),B-100 (Stepan公司).大庆油田三元复合驱在杏五及杏二西区先导性矿场试验用的表面活性剂即为ORS-41,中区西部先导试验用的表面活性剂即为B-100.曲景奎[3]、邹文化[4]等分别以抚顺洗涤剂厂的重烷基苯、金桐石油化工有限公司的重烷基苯为原料制备了重烷基苯磺酸盐,对大庆原油、苏北原油表现出较好的界面活性.为达到超低油水界面张力,上述磺酸盐表面活性剂通常和碱复配使用,构成复合驱油组分.但碱组分的引入,同时引起地层伤害、井筒和管线结垢、破乳难等问题.为解除这些困扰,要求驱油组分有高的界面活性,趋向于低碱、甚至无碱即可达到超低界面张力.因此进入 21世纪以来,随着对表面活性剂结构 -性能关系的研究和低界面张力理论的发展,通过使用设计的原料和特殊的合成工艺,形成了一些新型的表面活性剂,如支链烷基苯磺酸盐[5]、烷基甲基萘磺酸盐[6]等.中国石油勘探开发研究院对烷基苯磺酸盐表面活性剂中苯环在烷烃碳链上不同取代位置的研究发现,随着取代位置向碳链中间移动,界面活性增加,降低油水界面张力的能力和效率增加.在此规律的指导下,通过对烷基苯磺酸盐原料的调整和适当增加碳链支化度,合成出了石蜡基和环烷基原油的弱碱化表面活性剂[7].郭万奎、杨振宇等[8]以α-烯烃、二甲苯为原料制备的长链烷基苯磺酸盐,在较宽的表面活性剂质量分数 (0.1%～0.3%)、碱质量分数(0.6%～1.2%)范围内可与大庆原油形成 10-3mN/m数量级的超低界面张力. P.D.Berger等[9]通过烯烃磺酸盐和芳烃加成制备出了苯环位于烷基不同位置的芳基烷基磺酸盐,不需同碱复配即可产生超低界面张力.从上述发展历程可以看出,驱油用磺酸盐表面活性剂的合成从原料选择到合成工艺,都逐步精细化.另外为合成高界面活性的合成磺酸盐,要求构建和原油“相容性”好的亲油基:烃链支链化、烃链有芳环.不同的油相,对烃链支化度(branching index)、芳环位置、芳环有无的要求不一样[10-12].大庆油田经多年攻关,从分子水平上基本掌握和控制了三次采油用的烷基苯磺酸盐的分子结构,并取得了拥有自主知识产权的系列产品,其性能与国外ORS-41相当[13].1.1.2 羧酸盐表面活性剂作为驱油组分的羧酸盐表面活性剂主要包括石油羧酸盐[14]和天然羧酸盐[15].以油脂下脚料为原料开发的混合羧酸盐在中原油田采油五厂先后开展了单井吞吐、井组区块驱替试验并取得了成功[16].羧酸盐表面活性剂耐盐能力和界面活性均比磺酸盐表面活性剂差,但与磺酸盐表面活性剂复配后可以产生协同效应[17].1.2 非离子 -阴离子表面活性剂非离子 -阴离子表面活性剂主要包括烷氧基羧酸盐、烷氧基磺酸盐、烷氧基硫酸酯盐、烷氧基磷酸酯盐,其性能取决于阴离子基团类型、烷氧基类型和链节大小、亲油基类型和大小.相比于磺酸盐表面活性剂和羧酸盐表面活性剂,非离子 -阴离子表面活性剂的最大特点是抗盐能力强.另外,针对不同盐含量的地层水,通过调节烷氧基表面活性剂分子中氧乙烯(和/或氧丙烯)链节的大小,可以调节表面活性剂的亲水亲油平衡.因此作为驱油剂,非离子 -阴离子表面活性剂表现出比磺酸盐表面活性剂和羧酸盐表面活性剂更大的优势.加拿大DavidLioyminster和Wainwright Sparky复合驱试验中选用的表面活性剂就属于烷氧基硫酸盐.从发展历程看,较早研究的非离子 -阴离子两性表面活性剂仅含有氧乙烯链节.20世纪 80年代后,出现了分子中同时含氧乙烯和氧丙烯链节的磺酸盐、硫酸盐两性表面活性剂[18].上述两类表面活性剂主要是为高盐储层的低浓度表面活性剂驱而设计的 (Loudon油田,矿化度 104 000 mg/L;North Sea油田,矿化度 36 184mg/L)[19-20].20世纪末,仅含氧丙烯链节、亲油基为支链的非离子 -阴离子两性表面活性剂受到关注.2002年,Jayanti发表了“支链醇聚氧丙烯醚硫酸酯盐是高效的油污地层除油剂”的研究成果[21],鉴于油污地层修复和提高原油采收率的相似性,支链醇聚氧丙烯醚硫酸酯盐作为驱油剂开始受到重视,相关研究展示了该类表面活性剂良好的应用前景:2005年,YWu[22]评价了亲油基不同、氧丙烯链节分别为 3、5、8的 18种聚氧丙烯支链醇醚硫酸酯盐 Alfoterra,发现该类表面活性剂在低质量分数(0.1%)下,不需同碱、助溶剂复配即可使盐水/辛烷或原油的界面张力降至 0.01 mN/m.以质量分数为0.2%的 Alfoterra(C12,3个氧丙烯)作驱油剂,可使水驱后残余油饱和度降低50%.2006年,D.B.Levitt通过相行为研究表明, C16-17-(PO)3-SO4Na与 C20-24AOS(α-烯烃磺酸盐)、C15-18 IOS(内烯烃磺酸盐)复配后,对West Texas原油的增溶参数均大于 10(相应于界面张力低于0.003 mN/m),可以避免凝胶或液晶出现,是有潜力的提高采收率用表面活性剂[23].此外,聚氧丙烯支链醇醚硫酸酯盐 Alfoterra还具有较好的润湿反转能力.0.05%Alfoterra与最佳含量的 Na2CO3复配,可使吸附West Texas原油的方解石表面反转为中性或水湿,其性能不比 1%的十二烷基三甲基溴化铵差,应用于裂缝性碳酸盐地层中前景可观[24].国内日用化学研究所较早进行了羧甲基聚氧乙烯烷基酚醚的生产,中国石油大学的王业飞、李宜坤[25-26],中科院理化技术研究所的靳志强等对非离子 -阴离子表面活性剂在油田的应用进行了相关研究[27],但含氧丙烯链节的非离子 -阴离子两性表面活性剂在我国属空白,其合成、应用均未引起注意.研究证明,聚氧乙烯烷基醇 (酚)醚硫酸酯钠盐、羧甲基聚氧乙烯烷基醇 (酚)醚、聚氧乙烯烷基醇(酚)醚磺酸盐钠盐是性能优异的稠油乳化剂[28-30].Q.Liu以 50mg/L的烷基醚硫酸盐 (alkyl ether sulfate)与质量分数为 0.15%的 Na2CO3复配,通过轻微扰动,即可使1 800 mPa·s(22℃)的稠油乳化[31].填砂管驱替试验表明,类似的配方对 Brintnel、Eastbode、Cactuslake、Court、Senlac 5种黏度650～18 000 mPa·s的稠油采收率增值 (水驱之后)可达 20%以上[32].同烷基氧基硫酸盐和烷氧基羧酸盐相比,烷氧基磺酸盐合成工艺较为复杂,国内相关工业化生产的报道较少.1.3 其他类型表面活性剂1.3.1 烷基多糖苷烷基多糖苷中糖的聚合度和烷基大小影响其性能.糖的聚合度一般为 1.1～3.0,烷基链长度一般为 C8-C16,其 HLB值一般为13～16.虽然烷基多糖苷作为表面活性剂在 1936年已被注意到,但直到 1980年才开始被商业应用,1999年年产量达 80 000 t.目前我国年生产能力也达6 000 t.烷基多糖苷起泡性能好,同阴离子表面活性剂配伍性好,无毒,生物降解迅速,目前主要应用于民用洗涤用品和工业清洗剂.该类表面活性剂虽然在1991年提出用作驱油用表面活性剂[33],但该方面的研究一直未受重视.S.Lglauer指出,单纯烷基多糖苷由于亲水基较大,降低油水界面张力能力不强,但同醇或斯盘等含有小亲水基的表面活性物质复配,可在较低质量分数下使界面张力降低至0.01 mN/m以下,而且上述体系的界面张力几乎不受温度、盐含量的影响,这与常规的非离子表面活性剂不同[34].烷基多糖苷目前价格较高,似乎作为驱油剂在经济上是不可行的,但若以烷基多糖苷粗产品 (不进行纯化)直接应用,可大幅度降低成本,因此有必要进行这方面的研究.1.3.2 Gemini表面活性剂 Gemini表面活性剂是20世纪末出现的一类由 2个或 2个以上同一表面活性剂分子在亲水基及其附近用联接基团连接起来的表面活性剂,由于该类表面活性剂独特的性能,因此国内开展了大量该类表面活性剂在三次采油中的应用研究[35-39],非离子型 Gemini表面活性剂、阴离子型 Gemini表面活性剂、阳离子型 Gemini表面活性剂、两性 Gemini表面活性剂均有涉及,但目前鲜见在油田化学驱应用的报道,主要有以下问题尚待解决:在上述4类表面活性剂中,以阳离子型 Gemini表面活性剂的合成工艺最为成熟,虽然表面活性剂降低油水界面张力的能力优异,但在地层中 (我国实施化学驱的油田多是砂岩)损耗大的问题难以解决;而其他类型的 Gemini表面活性剂往往合成工艺复杂,收率低.以阴离子型Gemini表面活性剂为例:如以纯乙二醇二缩水甘油醚合成 Gemini表面活性剂,转化率仅为 82%[40],而乙二醇二缩水甘油醚若由国内活性树脂稀释剂提纯而获得,收率一般低于50%.以乙二醇和辛基缩水甘油醚为原料 (类似于谭中良论文中的合成方法),产物产率仅为65%[41].所以,阴离子型 Gemini表面活性剂往往成本高,目前国内未见工业化产品.依此预计,Gemini表面活性剂真正用作驱油剂还需要较长时间,但有关 Gemini表面活性剂用作驱油剂的基础研究不应由此被忽视.1.3.3 甜菜碱型表面活性剂按其中含有的阴离子基团分,甜菜碱表面活性剂可分为羧酸型、磺酸型、硫酸酯盐型和磷酸酯盐型,目前以羧酸盐型甜菜碱和磺酸盐型甜菜碱最为常见.在 21世纪初,山东大学李干佐发现十二烷基羟磺基甜菜碱可以大幅度提高天然羧酸盐的耐盐能力 (耐钙镁离子能力从380 mg/L提高到 5 000 mg/L),由此开发了耐盐的天然羧酸盐复合驱油体系,在中原胡状油田进行了推广应用[42].此后,徐军[43]采用量子化学方法,对由 1个十二烷基羧酸分子、1个DSB分子及 1个二价钙离子组成的模型复合物进行了能量计算和电荷分布计算,得出在长链烷基羧酸盐和DSB两者混合胶束的界面层中存在负电荷空穴,提出二价金属离子被络合的模型,合理地解释了羟磺基甜菜碱提高羧酸盐耐盐能力的实验事实.近年来,基于化学驱中无碱超低界面张力驱油体系发展的需要,甜菜碱表面活性剂在三次采油中应用引起关注.大庆石油学院、大庆油田科研人员研究表明,甜菜碱表面活性剂可在不加碱的情况下使油水界面张力降至超低,且使用浓度极低(王德民等针对大庆原油研制的羟磺基甜菜碱在 50 mg/L时可使油水界面张力降至超低[44]).但是,甜菜碱的分子结构决定了该类表面活性剂在地层中的吸附量会较高.K.Mannhardt[45]通过岩心驱替研究表明,椰油酰胺基丙基甜菜碱(Stepanflo 60,Stepan Company产品)在岩心中的吸附量在相同条件下比α-烯烃磺酸盐 (EnordetAOS1416,ShellChemical产品)高 10倍以上.对甜菜碱表面活性剂来说,低浓度下高的界面活性能否克服在岩石表面高的吸附损耗所带来的影响,将是制约该类表面活性剂在化学驱中的推广应用的重要问题.2 表面活性剂分子结构与降低界面张力的关系表面活性剂驱根本的作用机理是降低界面张力,因此研究表面活性剂结构对界面张力的影响是非常必要的.表面活性剂分子中包括亲水基和亲油基,易在油水界面上吸附,另外当表面活性剂溶液在浓度差的作用下会发生由水相自发向油相的扩散.在二者共同作用下,表面活性剂在油、水及界面上进行分配,此分配情况决定了界面张力的大小.2.1 表面活性剂亲油基对界面张力的影响亲油基对表面活性剂界面张力的影响,既涉及亲油基和亲水基之间的平衡,又涉及亲油基和油相的相容性.亲水基一定时,亲油基烃链类型、烃类分支、末端基团对界面活性有较大影响:(1)表面活性剂疏水链与油相构成越相近,相容性越好,如疏水基含有苯环的烷基苯磺酸钠溶液与含有苯环的油相间具有最低的油 -水界面张力,而氟碳链的表面活性剂降低油水界面张力能力往往较差.末端基团 (包括苯基、-CH3、-CF3、-CHF2)不同的烃链,与油相的相容性不同,因而也表现出不同的界面活性.(2)随着烃链支链化,表面活性剂在油相中的溶解性增强[46],因此烃链支链化的表面活性剂比直链表面活性剂表现出更强的降低界面张力的效力.但当与亲水基相连的碳上有分支时,规律相反.李宗石、朱友益等[47]研究了苯环处于烷基不同位置的烷基苯磺酸盐的界面活性,发现当苯环处于烷基中间位置时,所得表面活性剂界面活性最强. W illiam对十六烷基苯磺酸盐异构体/正构烷烃界面张力研究表明,苯环在碳链位置不同,表面活性剂对烷烃的界面张力不同,如图 1所示 (由质量分数为0.07%表面活性剂 +0.3%氯化钠测定)[48].图1 十六烷基苯磺酸盐异构体/正构烷烃界面张力另外由图 1可以看出,组成相同的十六烷基苯磺酸盐异构体,烷基的支链越长,具有最低界面张力的烷烃碳数越大,由于原油的等效烷烃碳数一般为6～10,此时只有丙基十三烷基苯磺酸盐和丁基十二烷基苯磺酸盐有较好的降低界面张力的能力. (3)直链的烷基苯磺酸盐,疏水链与油相烷烃碳链长度越相近,界面上吸附的表面活性剂分子越多,表面活性剂在油 -水界面上排列越紧密,界面效率越高,降低油 -水界面张力的能力越强[49].支链长度相同的表面活性剂,主链越长,适应的最低界面张力的正构烷烃碳数越大.随烃链长度增加,降低界面张力的能力增强,但达到最低 IFT的时间效应显著增大.有学者认为这一现象同扩散过程有关.2.2 表面活性剂亲水基对界面张力的影响可用于驱油的表面活性剂主要是阴离子表面活性剂,相关的亲水基团包括 -S,-S, -COO-,按亲水性从大到小排列,依次为 -SO42-, -COO-,-SO32-.在上述亲水基团中再引入氧乙烯(和/或氧丙烯)链节,可进一步提高表面活性剂的亲水性.A.Skauge[50]比较了聚氧乙烯烷基醇醚磺酸盐和羧甲基聚氧乙烯烷基醇醚的界面活性,发现当亲油剂、氧乙烯链节相同时,磺酸盐表面活性剂相比于羧甲基表面活性剂具有较高的增溶参数和较低的界面张力.表面看来,表面活性剂亲水基对界面张力影响没有亲油基大,实际不尽然,一个典型的例子是甜菜碱.国内近几年开展的研究说明,甜菜碱分子结构简单,但不需同碱配合使用即可使多种原油的油水界面张力降至 10-2mN/m以下,这与目前广泛研究的烷基苯磺酸盐的情况截然不同,后者往往综合调控苯环位置、烷基链长度、烷基链分支和苯环上取代基等才能得到较合适的分子结构.这说明,选择特定的亲水基,可以构建出界面活性高、适应性强的驱油用表面活性剂.因此,研究甜菜碱类表面活性剂低界面张力形成机理,对指导新型表面活性剂的合成具有重要意义.2.3 表面活性剂复配规律有两种观点用于解释表面活性剂复配体系低界面张力形成机理:一种是提高界面电荷密度机理,另一种是表面活性剂界面密堆积机理.K.S.Chan和 D.O.Shah发现,当聚氧乙烯烷基醇醚磷酸酯 (Klearfac AA-270)和石油磺酸盐(TRS10-80)混合时,随体系中磷酸酯的比例增加,界面张力值降低并且低界面张力区有相当大的展宽.对此,K.S.Chan依据表面电荷密度对超低界面张力的影响进行了解释:在石油磺酸盐中,每个磺酸基团有 1个荷负电的氧原子,而在磷酸酯中每个极性基团有 2个荷负电的氧原子,因此石油磺酸盐和烷基单磷酸酯的混和胶束在胶束表面及油 -盐水界面将产生较大的表面电荷,如图 2所示[51].图2 聚氧乙烯烷基磷酸酯与石油磺酸盐混合引起胶束表面电荷密度增加示意图离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂复配,虽然复配体系界面电荷密度没有大的变化,但复配体系的界面密度会发生变化.谭晶等[52]利用耗散颗粒动力学方法通过研究椰油酸二乙醇酰胺与α-烯烃磺酸钠、椰油酰胺丙基二甲基甜菜碱和十二烷基苯磺酸钠复配体系中表面活性剂分子在界面的吸附行为发现,当具有高界面效率的离子表面活性剂的界面吸附趋势大于非离子表面活性剂的情况下,界面层中非离子表面活性剂以分子簇形式插入到离子型表面活性剂分子吸附形成的空穴中时,界面上分子排列紧密,既具有高界面效率又具有高界面密度,产生复配协同增效.在最佳配比条件下,离子型表面活性剂具有最大界面吸附密度,体系具有最高界面效力,在极低浓度下即可大幅度降低界面张力.若离子型表面活性剂吸附趋势远低于非离子表面活性剂,界面上分子排列比较散乱,不能产生协同效应,界面张力比较大.3 结论(1)综述了驱油用磺酸盐表面活性剂、羧酸盐表面活性剂、非离子 -阴离子两性表面活性剂、烷基多糖苷表面活性剂、Gemini表面活性剂、甜菜碱表面活性剂的发展,指出 Gemini表面活性剂、甜菜碱表面活性剂在油田中应用需解决的问题和国外近年较重视驱油用非离子 -阴离子表面活性剂的趋势.(2)总结了表面活性剂分子结构与降低界面张力性能的关系,指出研究甜菜碱类表面活性剂低界面张力形成机理对指导新型表面活性剂的合成有重要意义.参考文献:[1] De GrootM.Lignosulfonate sacrificial agents in oilrecovery:US,1823439[P].1929.[2] 曹绪龙,何秀娟,赵国庆,等.表面活性剂疏水链长对高温下泡沫稳定性的影响 [J].高等学校化学学报, 2007,28(11):2106-2111.[3] 曲景奎,周桂英,朱友益,等.三次采油用烷基苯磺酸盐弱碱体系的研究[J].精细化工,2006,23(1):82-85.[4] 邹文化,崔正刚,张天林.重烷基苯磺酸盐中试产品的应用性能[J].日用化学工业,2002,32(6):16-19.[5] Yang Jie,Qiao Weihong,Li Zongshi.Effects of branching in hexadecylbenzene sulfonate isomers on interfacial tension behavior inoil/alkali systems[J].Fuel,2005,84: 1607-1611.[6] Zhao Zhongkui,Bi Chenguang,Qiao Weihong,et al.Dynamic interfacial tension behavior of the novel surfactant solutions and Daqing crudeoil[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem EngAspects,2007,294:191-202.[7] 沈平平.大幅度提高采收率的基础研究[J].中国基础科学,2003(2):9-14.[8] 郭万奎,杨振宇,伍晓林,等.用于三次采油的新型弱碱表面活性剂[J].石油学报,2007,27(5):75-78.[9] Berger P D,Lee C H.Ultra low concentration surfactants for sandstone and limestone floods[C].SPE 75186,2002.[10]韩冬,沈平平.表面活性剂驱油原理及应用[M].北京:石油工业出版社,2001:213-289.[11]Ramesh Varadaraj,Jan Bock,Paul Valint.Foundamental interfacial properties of alkyl-branched sulfate and ethoxy sulfate surfactants derived from guerbet alcohols.1.surface and instantaneous interfacial tensions[J].J Phys Chem, 1991,95:1671-1676.[12]Richard F Tabor,Sarah Gold.Electron densitymatching as a guide to surfactant design[J].Langmuir,2006,22:963-968.[13]王德民.大庆油田“三元”、“二元”、“一元”驱油研究[J].大庆石油地质与开发,2003,22(3):1-9.。
超低界面张力体系驱油技术研究与现场应用【摘要】陕北油田位于鄂尔多斯盆地大地构造带，以侏罗系延安组和三叠系延安组为主力油藏，具有低压、低渗透（或特低渗透）、低孔隙的特点，致使大部分残余油滞留在储层中无法驱采，导致采收率很低，。
超低界面张力体系，可以降低试验井组受益井的含水上升速度，进一步提高注水效率，改善区块注水开发效果，提高油层吸水能力，改善吸水状况，扩大注入水波及体积，改善注入水的驱替效率，提高洗油效率，使井组含水下降，提高单井产油量，进一步提高原油采收率。
【关键词】超低界面张力表面活性剂驱油提高原油采收率低渗透油层1 技术原理当界面张力在10-1～10-3mn？m-1范围称为低界面张力，高于上限为高界面张力，低于下限为超低界面张力。
在保持其他条件不变时，若能降低界面张力，则注水驱油的效率便可大大提高。
1.1 渗吸驱油机理在多孔介质中，润湿相流体依靠毛管力作用置换非润湿相流体的过程称为渗吸。
向渗吸液中加入表面活性剂一可以降低粘附功，提高洗油效率；二可以使孔隙表面亲水性增强，有利于水在孔隙表面的铺展，渗吸波及扩大；三可以使界面张力降低，使脱离介质表面的油滴变小，油滴变形能力增强；四可以改变油膜与岩石之间的吸附平衡，使油膜剥离；五可以减小变形阻力，减小贾敏效应，提高驱油效率。
1.2 乳化机理表面活性剂体系对原油具有较强的乳化能力，能将岩石表面的原油分散、剥离，形成乳状液，降低了原油黏度，改善水驱油的边界条件，改善油水两相的流度比，提高波及系数，从而提高水驱效率。
1.3 提高岩石表面电荷密度机理表面活性剂为阴离子型时，可以在油珠和岩石表面上吸附，提高岩石表面的电荷密度，增加油珠与岩石表面之间的静电斥力，使油珠易于随排驱流体运移，提高了洗油效率。
1.4 改变原油流变性机理表面活性剂进入地层，可以溶于油中，削弱沥青、胶质、石蜡等高分子物质形成的网状分子结构，降低原油流动阻力。
2 室内试验及配方优选阴离子型表面活性剂的性能比较好，相对来说能克服滞留作用，而且稳定性较好。
泡沫驱数学模型改进通过研究泡沫驱的驱油机理，设计了基于总量平衡方程和多因素阻力因子的泡沫驱的数学模型，通过研究油气水组分模型的质量守恒方程、气相阻力因子模型等，改进了泡沫驱数学模型，并进行了相应的算例测试与分析，实现了泡沫复合驱数值模拟功能。
标签：泡沫驱；总量平衡模型；阻力因子；数学模型；数值模拟1 引言泡沫驱是一种新型化学驱油技术，应用前景广阔[1]。
根据室内试验研究，泡沫驱油机理主要机理为选择性封堵高渗带，扩大波及。
目前泡沫驱数学模型主要采用等效模型，且考虑的影响参数较少[2-5]，需要进一步改进完善，提高应用适应性。
2 基于总量平衡方程的泡沫驱数学模型2.1 泡沫总量平衡方程流体系统包含油、气、水三相，可考虑的组分包括：油、气、水组分，表面活性剂（起泡剂），聚合物，阴阳离子，泡沫；表面活性剂、聚合物、阴阳离子存在于水相中，泡沫组分存在于气相中；考虑起泡剂和聚合物在油藏中的对流、扩散和吸附损耗。
基于质量守恒，各组分的平衡方程为：其中为相数，为油藏介质孔隙度，%，为组分的密度，g/cm3，是第组分的总浓度，%，为组分在相中的浓度，%，为包含分子扩散的Fick弥散张量，为相速度，m/day。
对于泡沫组分，其右端项为，其中，，分别为泡沫生成、聚并以及破灭速度，该项包含了动态的物理化学反应平衡，因此，称为总量平衡方程。
泡沫生成和聚并速度表达式：式中，、分别为水和气体的流速，m/s。
k1为泡沫生成速度常数，与起泡剂浓度和含油饱和度有关。
k2是聚并系数，无量纲，与毛管力有关。
室内研究表明，随着含油饱和度的增大，气相中泡沫的浓度显著降低，泡沫稳定性下降，泡沫遇油破灭的速度表达式为：式中为临界含油饱和度，%，为聚合物浓度，%，为实验参数，无量纲。
2.2 泡沫阻力因子模型通过渗透率下降因子描述泡沫的选择性封堵、气相剪切等机理，根据实验结果与认识，引入临界含油饱和度，临界表面活性剂浓度，临界毛管力来描述遇油消泡，遇水生泡特征。
