表面活性剂在油田开发中的应用

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  [摘要]随着中国社会经济的持续快速增长,原油的需求量在不断的增大,我国原油开采滞后与高需求量的矛盾与日俱增。原油的短缺和价格暴涨将会危及到国家的经济安全,因此不容小觑。为了提高本国原油的开采率,我国在原来的基础上,利用了兼具物理、化学和生物技术的三次开采技术,使得原油采收率提高到80%~85%。在三次开采中大量使用了表面活性剂和聚合物等。
  [关键词]表面活性剂 开采率 原油
  石油在我国的经济中占有重要的地位,近年来国家在石油的勘探、开发和开采方面的投资逐年增加。在油田開发的过程中,开采方式的选择对油田的产能,提高采收率有着重大作用,针对不同性质的原油,不同地质特点的油层,选择有效的开采方式至关重要。同时,在开采的过程中对物理、化学和生物技术的运用,特别是表面活性剂和聚合物的运用,更是相得益彰。
  1三次采油中用到的表面活性剂
  在我国,一些油田经过长时间的开发,进入了油田开发的中、晚期。许多专家和学者针对油田的具体情况,研究出了聚合驱油技术、微生物采油技术、表面活性剂驱油技术等的这些在三次采油中所必须的新技术。现在,在很多领域内都被大量的广泛的使用,并大部分都收到了较好的成效,在石油化工这块更甚。
  1.1新型驱油用化学剂
  20世纪60年代,国内一些大型油田的开发相继进入了中晚期。大庆、胜利油田为了改变国内这一现状,将地下剩余的原油充分开采出来,加大了对原油开采技术的研究力度,开发出了一些新型的驱油用化学剂,可用来辅助原油的开采,并取得了不错的效果。
  1.1.1聚合物驱油
  聚合物驱油是三次采油技术中辅助化学驱之一,它的出现也是大庆油田实验出来的结果之一,大庆油田单独研究了聚合物在采油中的应用。实验结果表明高相对分子质量聚合物与碱/表明活性剂交替注入水中比普通的聚合物与碱/表面活性剂交替注入时效果更好。在油田开采中,为了增加水的粘度,可以向水中注入高分子聚合物,这样可以降低油层中的水分子渗透率,从而可以改善油水的比例,调整好注入水在原油中的体积和波及率,进而提高原油采收率。驱油用的聚合物大致可分为两类:天然聚合物和人工合成聚合物。但工业上广泛应用的多为聚丙烯酰胺(人工)和黄胞胶(天然)。近年来,聚合物驱油技术有了新的发展,聚合物开采的对象从一类储层逐渐转向二类储层。通过一系列的外部调整,如优化井网、缩小井距离等方式以及增加注入水的聚合物用来来提高原油采收率,更大程度地将剩余储层油挖掘出来。
  1.1.2微生物采油
  微生物采油技术的技术含量较高,不仅包括微生物在油层中的化学过程也包括在油层中运移等的物理过程。用于采油的微生物有两种,一种是油层中的本源微生物和另一种外源注入微生物。本源微生物有好氧菌和厌氧菌,好氧菌易降解烃类,能产生有机酸、有机溶剂、气体等,有利于提高原油的采收率。同样,生长在油层中的本源微生物由于缺少足够的营养物质,导致其生长繁殖受限,因此,可向油层中注入培养基来促进微生物的生长,从而更好的发挥它的作用,减少封井时间。
  1.1.3微生物驱油
  提高原油采收率的微生物工艺我们将它划分为两个主要类型。一是把细菌代谢物作为驱油剂注入油层。它是利用生物表面活性剂、生物聚合物、溶剂、乳化剂等组合物,改善水的驱油性能。二是直接在地层中有目的地培养和发展微生物,形成具有驱油特性的细菌代谢物。这类型微生物适合新开采不久的新油田,通过注入淡水附带微生物在井底周围形成具有驱油特性的细菌代谢物来在开采过程中可提高新油田的采收率。另外,微生物是通过以下几种途径来提高石油采收率:
  (1)改变重烃组分的润湿性;
  (2)通过降解长链饱和烃类降低原油黏度;
  (3)产生溶解岩石,增大绝对渗透率的酸性物;
  (4)产生可以增大油藏压力及降低原油黏度的气体。
  延长油田公司在采油过程中,利用多种类型的表面活性剂来提高自身的采收率,提高石油的利用率。并进一步研究表面活性剂在三次原油开采中理论与实践。且看好表面活性剂和三次原油开采法在石油化工领域的发展前景。
  1.1.4三元复合驱
  在新型的化学驱中,还有另外一种,就是三元复合驱。在三元复合驱中常用的表面活性剂有三种:石油磺酸盐、人工合成磺酸盐和乙氧基磺酸盐,大多数矿场试验都采用石油磺酸盐。另外,石油磺酸盐在三元复合驱中用得比较广泛,目前也正在深入的研究当中。我们知道石油磺酸盐有吸收和滞流地层中的多价离子的作用。三元复合驱在美国的研究比较成功,从以前的采收率11.3%到56%,效果很好。国内大庆、胜利油田也相继进入了试验阶段,目前还存在这一些问题,如游离水的脱离、原油的电脱水等。
  2表面活性剂与三次采油
  随着社会经济的发展,国内原油的供应远远满足不了国内的需求,国内一些大型的油田(大庆、胜利等油田)相继进入了开发的中晚期阶段。但,由于技术的缺陷油田的开发并不充分,为了寻找新的出口,大庆油田开始研发新的开发技术。于是,需借用表面活性剂做辅助的三次采油技术开发成功,利用表面活性剂在原有的只能提升2%—5%的基础上可提高10%的产量,并且在含水高达98%的原油中注入表面活性剂依旧可提高不错的效果。目前,大庆油田在三元复合驱这块取得了惊人的成绩,结合三次采油技术,可使采收率提高到20%。
  2.1表面活性剂的种类
  目前国内已开发了石油磺酸盐、烷基苯磺酸盐、石油羧酸盐以及生物表面活性剂等4大类表面活性剂。虽然研制出了这四种表面活性剂,但是考虑到表面活性剂的生产工艺和过程,表面活性剂的成本仍然比较高。在三次采油技术中,是将表面活性剂注入地层,让表面活性剂与地层油藏及油藏流体的相互作用,来降低油水界面的张力,从而改变油的乳化特性,同时也改变了地层岩石表面的润湿性,这样一方面可以形成较稳定的油水乳状液,另一方面还可以减小油对地层表面的附着力,提高洗油能力。   2.2表面活性剂的溶液性能
  我们已经知道表面活性剂的功能非常强大,但是概括起来可以从两个方面来看:一是表面活性剂从表面或者界面上吸附,从而形成单分子的吸附膜;二是在溶液内部通过不断的聚合,使得内部分子的不断重组,从而形成不同种类的有序的分子组合体。如胶团、反胶团、囊泡、液晶等。这些有序的分子组合体各自表现出不同的功能。胶团在这里是一个很重要的角色,是表面活性剂的基础,它能使一些不溶或微溶于水的物质(如烃类和长链醇)通过胶团使其明显提高溶解度。基于胶团与其他有序的分子组合体的扩容性能,衍生出了胶团催化、形成微乳状液、間隔化反应介质和微反应器、药物载体等功能。
  2.2.1耐盐的表面活性剂
  随着技术的进步,油田的深度也在不断增加,地层的温度和盐度越往下越高,对技术的要求也越来越高。目前,国内还没有合适的抗盐表面活性剂。但是,具有耐盐性能的高分子化合物可谓五花八门,品种繁多。
  在三次采油技术中,表面活性剂的运用是必须的,尤其是含有石油磺酸盐的表面活性剂使用颇多。石油磺酸盐的原料来源广,产于油,用于油,与原油协调性能好;制作工艺较简单,成本低,是一种比较理想的驱油用表面活性剂。但是,该种表面活性剂的化学成分复杂,还有上百种化合物,驱油效果差异大。但通过与其他表面活性剂的复配可克服这个缺点。如烷基聚氧乙烯硫酸盐与石油磺酸盐的复配体系和羧甲基型的非离子一阴离子两性表面活性剂与石油磺酸盐的混合体系等,可以显著地提高体系的抗盐性。前者的抗钙能力比较突出;后者,在不加入低分子量的醇的情况下可以获得超低表面张力,并且特别适合于含高盐度的地层。
  将多种类型的表面活性剂混合有助于提升整体的耐盐性。如烷基芳基磺酸盐作主表面活性剂,羧甲基乙氧基化物和乙氧基化的磺酸盐作助表面活性剂,其混合体的耐盐性能得到明显改善;a-烯烃磺酸盐和烷基二苯基醚二磺酸盐的混合物可用于提高采收率,增强流度控制和对Ca2+的忍耐性,以及降低在油藏岩石上的吸附;烷基磺酸盐和醚磺酸盐组成的双表面活性剂体系,具有高的驱替效率,而且与改性的聚丙烯酰胺聚合物的兼容能力强,特别适合于高含盐度的油藏。
  2.2.2表面活性剂的抗温性能
  温度对表面活性剂性能的影响非常大,因此在化学合成表面活性剂的时候要考虑怎么解决这个难题。在以上介绍的众多表面活性剂中,非离子型表面活性剂可以很好的改善这一情况。表面活性剂中含有足量的环氧乙烷或环氧丙烷组分,这些元素的浊点一般可以达到80—110℃,且能够溶解在温度、浊点都比它低的溶液中。另外,它还有足量的疏水组分能够让它溶解在等于或高于油藏温度的油中,并且可以提高采收率。
  2.2.3低成本表面活性剂
  表面活性剂的种类很多按成本来分类,有两种,一种是高成本化合物,另一种是相对成本较低的表面活性剂。通常成本较低的表面活性剂用的比较多,其也分为三类,木质素磺酸盐、羧酸盐表面活性剂和一类不需要加助表面活性剂的表面活性剂。
  木质素磺酸盐一胺复合体是木质素衍生出的油田化学品在油田开采和钻井作为井液处理剂、采油用表面活性剂等得到了广泛应用。用这种活性剂进行油田开采的采收率可以和普通阴离子表面活性剂相媲美,但成本却低很多。木质素磺酸盐在室温下能够提高油田钻井液的表面粘度、动切力、静切力,具有降滤失的作用。但,在180℃高温以上,会失去降滤失的作用。因此,木质素磺酸盐的抗温性能差。而木质素磺酸盐和石油磺酸盐复合体系能够降低油水界面张力,形成液晶相所产生的高粘度,可以很好的控制体系流度,驱替实验表明,这种复合体系成本较低且能产生较石油磺酸盐单一组分体系更高的采收率。
  甲醛与5~20碳的烷基酚在加热的情况下,可与木质素酚基磺酸盐反应合成为油溶性木质素表面活性剂,使得该表面活性剂具有很高的表面活性,有利于提高石油采收率。
  2.3驱油用表面活性剂
  添加表面活性剂表面可以减少油水之间的界面张力,促成乳化,降低油水的溶解度,增加原油的岩石吸收量,降低原油粘度。一般认为,能大幅度提高原油的采收率的表面活性剂需具备以下条件:
  (1)可使原油与水的界面张力降至最低程度,约0.01~0.001mN/m以下,具有适宜的溶解度、pH值、浊点和相持性;
  (2)可降低岩层对原油的吸附作用;
  (3)于储油岩层的温度下,在油层盐水中长时间保持其理化稳定性,耐盐性好,对电解质不敏感;
  (4)能与大部分的储油层接触,提高驱油率;
  (5)具有较高的经济价值。
  表面活性剂本身的特性是影响驱油效果的因素之一,另外,原油、岩层、盐水状况及所采用的开采技术都会对驱油效果产生影响。在驱油中,常用的表面活性剂有阴离子和阳离子型表面活性剂、两型表面活性剂以及非离子型化合物。阴阳离子对之间有很强的吸引力,能够使头基充分靠近原油表面,从而能够将油水界面分离,起到减少油水界面张力的作用。但抗盐能力较差,临界胶束的浓度很高,比较常用的品种有:石油磺酸盐、烷基苯磺酸盐、木质素磺酸盐等。非离子型表面活性剂在水中和有机溶剂中有较好的溶解性,稳定性高、不易受强电、无机盐、酸和碱的影响。并且它与其他类型的表面活性剂有良好的相容性,常用以混合复配使用。非离子表面活性剂有很高的表面活性,临界胶束浓度低,但浊点低,不能用于较高浊点的地层。目前,通过改性的非离子型表面活性剂除拥有以上优点外,还具有高浊点、高抗盐能力、能适用于高温、高盐地层等特点。比较常用的有:脂肪醇系聚氧乙烯醚、烷基酚系聚氧乙烯醚、油酸聚氧乙烯酯等。在三次采油中,添加的表面活性剂往往不止一种,而是多种表面活性剂、聚合物和助剂等组成的复合体系,只有在相互配合下才能更好地提高石油采收率,如使用水溶性的石油磺酸盐驱油,可以与少量增溶助剂二烷基苯聚氧乙烯烷基磺酸盐混合,提高驱油效率。
  3结语与展望
  表面活性剂作为三次采油技术的辅助化学驱之一,其作用是不可小觑的。表面活性剂同聚合物、三元复合驱等在三次采油技术中发挥不可缺少的作用,利用这些化学驱可使原油的采收率提高10%—20%。这有效缓解了国内原油的部分压力。对于已经进入中晚期开发的大型油田来说,好比获得了新的生命力,在开发剩余的地下原油中作出了不小的贡献。并在今后,随着研究的进一步深入,表面活性、聚合物、三元复合驱等化学驱进入原材料广、廉价、高性能的时代也已经不远了。这将有效的降低石油开采的成本。
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