微乳液驅油技術的研究進展*

張志超，柏明星，王 勇，聶劍峰，劉敬源，邵 軍

（1.東北石油大學提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710018；3.大慶煉化公司，黑龍江大慶 163318）

0 前言

微乳液是一種由水、油、表面活性劑及助劑復配而成的具有透明、光學各向同性、熱力學穩定性的混合體系［1-4］。與常規乳液相比，微乳液的液滴粒徑小，通常在10～100 nm 之間，具有超低的界面張力（＜20 mN/m），并具有雙向潤濕性，對油增溶能力強［5-7］。微乳液驅能對低滲油藏起到降壓增注作用同時可改善滲吸驅油提高采收率效果，這為低滲油藏的高效開采提供了新思路［8］。由于油藏巖石表面常帶負電性，因此配制驅油用微乳液一般選擇陰離子型表面活性劑，這可避免表面活性劑在地層的過度吸附損耗。微乳液配制時所選用的常用陰離子型表面活性劑主要是石油磺酸鹽類［9］，此外，還加入了正丁醇、t-戊醇及氯化鈉、碳酸鈉等助劑，以保證微乳液界面穩定性和更好發揮其降低油水界面張力能力［10］。助劑的功能主要是吸附在油水界面上穩定和軟化界面膜，促進表面活性劑的親水親油平衡作用。驅油用微乳液具有多種類型，Jeirani［11］應用混合膜理論分析認為，在配制微乳液時會在油、水界面上形成表面活性劑及助劑吸附的混合膜，混合膜的兩側受到不均衡界面張力和表面壓的影響而發生剪切彎曲，形成水包油型（O/W）、油包水型（W/O）和雙連續型的微乳液。微乳液被注入油藏中與油或水接觸后，微乳液也會由對油水的增溶和表面活性劑及助劑的損耗發生相行為轉變，改變微乳液的性質［12］。對于微乳液驅油時發生的相行為判斷主要是應用微乳液體系的親水親油平衡值（HLB）值法、擬三元相圖、魚狀相圖和電導率分析等方法［13-14］。HLB值法由Salager等［15］最早提出，認為當評價體系的HLB＞0時，形成油包水（W/O）型微乳液；當HLB＜0時，形成水包油（O/W）型微乳液；當HLB=0 時，形成雙連續型微乳液。劉倩等［16］、藍強等［17］應用擬三元相圖和魚狀相圖的方法對微乳液的相變行為進行了論述，認為通過相圖分析能夠清楚地確定不同微乳液相區域的范圍，獲得優化參數，且能夠預測微乳液驅時由于不同組分變化導致的相行為變化。微乳液驅對油藏采收率的提高效果與微乳液對其增溶油能力以及產生的超低界面張力相關，對油增溶能力越好、對油水界面張力降低越低，驅油效果越好。吳章輝等［18］依據HLB 方程，分析了微乳液對地層油增溶能力的影響因素，發現微乳液對油相的增溶能力與油的組成無關，而與油的等效烷基碳數和醇助劑的用量相關，等效烷基碳數越小、醇用量高時，微乳液對油的增溶能力越強，降低油水界面張力的能力也越好。因此，通過對微乳液驅油機理和當前的發展狀況進行論述，對其在低滲透等非常規油藏提高采收率技術中的應用提供一定的理論借鑒。

1 微乳液的驅油機理

1.1 降低界面張力

水油相間界面張力較高，通常在20～30 mN/m數量級，導致水驅油藏存在較高的毛管驅替阻力，特別是在低滲特低滲油藏水驅時，這種現象更明顯［19］。而微乳液與油相間界面張力極低，一般在10-2～10-4mN/m 數量級［20］。當將微乳液注入油藏后，形成超低的油水界面張力可降低驅替阻力，起到降壓增注的作用。此外，在相同的驅替壓差下，微乳液相比水能進入更小的油藏孔隙中驅油，擴大波及體積。另一方面，微乳液中表面活性劑在巖石上的吸附也會改善孔隙潤濕性，降低微乳液剝離巖石壁面吸附油的黏附功，有利于黏附在巖石上的剩余油脫離巖石壁面，提高油藏采收率。對于微乳液降低油水界面張力的表征，崔樂雨等［21］提出可由Chun-Huh 公式（1）進行表述，發現微乳液降低油水界面張力的能力隨增溶參數（Vi/Vs）變大呈指數降低，在對油水增溶能力相同時，形成了驅油效果最好的中相微乳液。而微乳液注入油藏后，能夠降低油水界面張力，使毛管數從10-6～10-7增至10-4～10-2，促進了油藏的吸液、排油能力，擴大了油藏波及體積，能夠將油藏中的殘余油飽和度從100%降低至30%左右，提高油藏采收率［20，22］。呂其超等［23］也基于室內微乳液驅油實驗證實，巖心驅替至含水95%后注入0.3 PV的微乳液驅替后可提高采收率22.4%。

式中，IFTmi—微乳液與油或水之間的界面張力，mN/m；Vi—油或水相的增溶量，mL；Vs—配制微乳液表面活性劑用量，mL；C—特征常數。

1.2 調剖堵水

微乳液在注入油藏后仍能保持較高的流體黏度，減小油水流度比，從而防止驅替劑的黏性指進。Davidson 等［24］通過室內微乳液微觀驅油實驗，發現被地層孔喉剪切后的微乳液黏度保留率是提高油藏驅油效果的重要參數。殷代印等［25］通過室內光刻玻璃驅油實驗證實，在地層溫度為45 ℃條件下，微乳液驅油被剪切后的剩余黏度為4.3～8.2 mPa·s，而同等條件下水的黏度僅為0.65 mPa·s，在微乳液驅后的采收率相比水驅提高了26.38 百分點。因此，微乳液驅相比水驅能很好地調整流度比，擴大油藏波及體積。但對于非均質性極強油藏，如礫巖油藏，常規微乳液調整流度的能力有限，解決該問題關鍵是優化注入工藝和微乳液的性質。鮑博等［26］針對強非均質性油藏研發了黏度保留率非常高的W/O/W 復合型微乳液，驅油實驗證實，該復合型微乳液被注入微流控芯片后，可極大地調整吸水剖面。在注入工藝方面，目前較常用的是聚合物前置段塞+微乳液段塞+聚合物保護段塞，可防止微乳液的突進，提高洗油效率［27］。此外，除具有調剖能力外，微乳液還具有一定的類似聚合物驅的黏彈性驅油效果。Preziosi 等［28］論述了微乳液在巖石中黏彈性驅油的機理，認為微乳液流經收縮吼道時，液滴發生彈性收縮和拉長變形，經過吼道后微乳液在靜電斥力和分子間斥力作用下發生彈性恢復會拖拽孔吼處富集的原油拉長、截斷被采出，提高油藏驅油效率。

1.3 增溶驅油

微乳液具有增溶能力，可將流經孔隙壁面的油膜狀剩余油、盲端狀剩余油增溶采出，提高油藏洗油效率［29］。微乳液被注入油層時，隨著微乳液在油層中運移，會與油水接觸增溶油水并引發相變。當陰離子型表面活性劑作為乳化劑時，地層水礦化度增加會壓縮表面活性劑的雙電層，表面活性劑的親油性變強，微乳液易發生向W/O型微乳液轉變。而對于非離子型微乳液體系，礦化度會影響其相行為，體系礦化度增加時會破壞水和表面活性劑間氫鍵的穩定性，導致表面活性劑親水能力下降，改變相行為［12］。隨著微乳液攜帶油滴聚并成油墻時，微乳液中的表面活性劑進入油相中的量多，這會改變油水界面膜的性質，促使微乳液向W/O型微乳液轉變。W/O 型微乳液具有黏度高、密度高、穩定性強的特點，對非均質油藏的深部調剖效果好。對于靠近后續水驅段塞的微乳液，由于微乳液中的鹽和助劑向水相中擴散，導致微乳液自身穩定性變差，逐漸轉變為O/W 型微乳液，增加了后續水驅時的黏度，從而可防止水驅的過早突破。因此，在微乳液驅油過程中，微乳液在油藏中存在W/O型和O/W型多種相態，并且也會由于其對油水的增溶、助劑和表面活性劑的擴散誘發相行為轉變，發揮不同的協同提高油藏采收率功能。

1.4 儲層保護

油井結蠟和壓裂液返排不充分，均會使低滲油藏采油井發生堵塞，影響開采效果。微乳液被注入油藏后對重質油也具有一定增溶作用，且微乳液中的表面活性劑分子也會在重質原油分子間吸附，阻止重質油橋接形成更大的沉淀。在油井壓裂時，注入微乳液能夠改變油藏近井地帶的潤濕性，降低油水界面張力，從而促進壓裂液返排。陳曦等［30］通過室內實驗證實，油濕性的云母片被中相微乳液浸泡后，潤濕角可增至65～90°，中性潤濕程度增加，降低了壓裂液與裂縫壁面的分離壓，壓裂液返排率相比注水壓裂時增加了28%。此外，微乳液改變油藏潤濕性向中性偏移時，也可降低強親水地層對鉆井液中自由水滲吸，抑制泥頁巖的水化膨脹，保護井壁。張敬輝等［31］進行了微乳液對頁巖井壁穩定性的研究，發現頁巖內部的鈉離子進入微乳液中促使微乳液聚并形成幾百納米的微乳堵塞了頁巖孔道，會阻止頁巖繼續吸水膨脹。

2 非常規油藏驅油用微乳液

2.1 超臨界CO2微乳液

超臨界CO2微乳液是一種性質特殊的微乳液，是以非極性的CO2為連續相、低分子多元醇和表面活性劑為助劑、原油為非連續相的分散體系。超臨界CO2在進入油藏萃取驅油時，僅能萃取一些低分子烴類，且與原油之間的混相壓力高。而超臨界CO2微乳液注入油藏后可有效降低CO2與油相間界面張力，從而可降低CO2與原油間的最小混相壓力［32］。此外，超臨界CO2微乳液相比CO2混相驅提高了驅替液的黏度，改善了流度比，可有效延緩CO2在生產井的突破時間。郭爽等［33］論述了CO2也可作為微乳液形成的觸發開關用于解決微乳液破乳問題。在CO2與烷基咪唑交替注入油藏時，CO2與烷基咪唑反應轉化為碳酸氫鹽表面活性物質，誘導微乳液形成并提高油藏采收率，而被驅替出的微乳液在地面降壓，CO2分離，快速促進破乳，分離油和水。張永民等［34］論述將N，N-二甲基-N-十二烷基胺作為助表面活性劑加入三元復合體系中復配得到的CO2刺激型微乳液的性質，發現在CO2與N2交替注入10次后，微乳液體系能夠在乳化和破乳之間不斷轉換，且形成的微乳液對油砂中的殘余油的洗油能力較好。但也指出CO2刺激響應后溶液的pH 值變化范圍很窄，能夠響應CO2的分子也多為弱酸和堿，其實際應用尚不成熟。配制超臨界CO2微乳液的主要技術難點是合成既能溶解于非極性CO2中又能溶解于油相中的表面活性劑，目前，研究較成熟的主要是含—F 基的表面活性劑。Johnston 等［35］合成了一種全氟聚醚碳酸銨鹽表面活性劑PFPE，并應用于超臨界CO2微乳液的配制，得到了性質良好的超臨界CO2微乳液。目前已知的氟化表面活性劑主要 有8FG（EO）2、8FS（EO）2，氟-碳雙結構的di-C5SS、di-CF1、di-CF2、di-CF4表面活性劑以及具有氟碳（FC）和碳氫（HC）雙尾鏈結構的表面活性劑等［36-37］。但氟化表面活性劑對于地層水等有較強的污染，限制了其工業推廣。祁建磊等［36］研究發現氟原子個數小于8的表面活性劑具有一定的安全環保性，并指出另一種可用于CO2微乳液配制的不含硅、氟的非離子表面活性劑（LS-mn）系列、TMN系列及Dynol 系列。超臨界CO2微乳液的驅油技術目前尚沒有得到礦場應用，主要處于室內實驗階段。美國UT Austin大學、荷蘭TU Delft 大學、法國TOTAL石油公司、美國Rice 大學［38-41］的研究者們對微乳液泡沫的驅油效果進行了評價，發現應用微乳液泡沫可使油水界面張力降至10-2mN/m，且能夠較好地提高油采收率。

2.2 納米微乳液

低滲特低滲油藏的孔吼尺寸非常小，注水驅油困難，提高采收率的主要手段就是降壓增注。納米微乳液的液滴尺寸小，多為納米級，小于多數非常規油藏巖心的孔喉直徑，能比較容易地進入大部分巖心孔隙中驅油［42］。趙雅潔等［43］通過對配制的納米微乳液體系進行zeta 電位和激光粒度分析，發現表面活性劑質量分數為0.05%、0.1%、0.3%的納米微乳液的液滴粒徑均在10 nm 左右，遠小于低滲特低滲等油藏的孔吼半徑，可很好地進入巖石孔隙中驅油。吳宇航等［44］也進行了納米硅型微乳液降壓增注實驗，發現在巖心滲透率為0.279×10-3μm2的巖心中注入5 PV 的納米硅微乳液，比注水降壓44%以上，降壓增注效果較好，而微乳液中加入納米材料后，進入巖心孔隙驅油時會起到納米材料和微乳液的協同作用，提高洗油效率。此外，納米微乳液也通過將油相分散成極小液滴形式增加在油藏中的滲流能力，提高對低滲特低滲油藏的采收率。

2.3 原位乳化微乳液

地面配制微乳液的膠束中已經增溶了一定量的原油，注入油藏后對油相增溶窗口變窄，這會影響微乳液的增溶驅油效果［45］。向油藏中注入表面活性劑強化水發生原位乳化，可提高微乳液的增溶窗口，且表面活性劑強化水的黏度較微乳液的低，因此，在低滲透油藏中的注入性更好。微乳液原位乳化過程如圖1所示。表面活性劑強化水注入油藏時與原油接觸，且在醇、鹽助劑作用下發生原位乳化，對流經區域油膜起到清洗作用，改善油藏潤濕性，降低毛管壓力［46］。黎錫瑜等［47］通過光刻玻璃原位乳化驅實驗發現，原位乳化驅油的注入壓力比直接注入微乳液驅油壓力小很多。李織宏等［48］認為油藏中原位乳化驅油效果主要與表面活性劑濃度、注入速度相關。表面活性劑濃度低時，油藏孔隙內形成的微乳液界面膜不穩定，易發生液滴聚并向乳狀液轉化。注入速度則影響地層中原位乳化的程度，高注入速度會導致地層中原位乳化未發生或乳化不完全即采出，影響驅油效果；低注入速度影響原油的采出速度。

圖1 微乳液原位乳化驅油機理

2.4 微乳液泡沫

雖然微乳液驅油的效果較好，但對高溫、高鹽油藏的適應性較差。泡沫強化采油在非常規油藏中應用展現了非常好的低注入阻力和耐溫、耐鹽特性。泡沫驅強化采油是以同步或交替注入活性水和N2或CO2等在油藏中形成氣泡體系，驅油體系中的氣泡膜上由于吸附了表面活性劑，使氣泡間產生靜電斥力或分子間阻力，防止氣泡聚并和消滅［49］。泡沫在流經孔吼時，在毛管力、氣泡間界面膜阻力、賈敏效應綜合作用下起到調剖作用。微乳液泡沫驅油時結合了微乳液提高洗油效率和泡沫調整吸水剖面的兩種特性，泡沫調整油藏流度，促使微乳液轉向到油藏的更小孔隙中，提高波及體積；而微乳液通過降低流經孔道的含油飽和度，在原油和氣泡間產生隔離作用，防止地層原油與氣泡直接接觸產生消泡作用，促使微乳液和泡沫復合驅油產生了1+1＞2的強化采油效果［50］。

3 微乳液驅油技術現場應用狀況

微乳液驅油技術當前在低滲非常規油藏應用主要是通過降壓增注方式提高低滲油藏注水量，從而提高驅油效果，而應用微乳液驅油提高油藏采收率的礦場應用目前還相對較少，尚處于探索性試驗階段。趙柏楊等［6］通過正交實驗方法優選出IOS（內烯烴磺酸鹽）的微乳液體系在大慶榆樹林低滲油田進行了驅油試驗，發現該微乳液與地層孔吼配伍性較好，微乳液體系與油相能夠形成超低界面張力，達到6×10-6mN/m，對油藏內的殘余油挖潛效果較好。吳天江等［10］以十二烷基苯磺酸鈉、椰油脂肪酸脂聚氧乙烯甜菜堿、正丁醇和NaCl與水復配得到性能優異的中相微乳液，并在長慶油田五里灣區塊的6個井組進行了先導性試驗，注入2個月后，井組中的油井平均日產油由58 t上升至62 t，含水由69%降至65.6%，增油效果明顯。王偉琳等［51］應用陰非離子表面活性劑和陽非離子表面活性劑復合方法配制了原位微乳液表面活性劑體系，并將其應用于冀東油田、勝利油田等低滲透油田注水井降壓增注礦場試驗，試驗結果表明，對冀東油田滲透率為4.5×10-3μm2的特低滲透區塊的4口水井，注入80～100 m3的質量分數為0.5%的原位微乳液表面活性劑體系后，水井的注水壓力下降了8 MPa，井組累積增注3.5×104m3水，同時油井配合注入3000 m3原位乳化劑滲吸吞吐，燜井10～15 d 后開井生產，油井累積增油3000 t 以上，微乳液驅措施有效率達95%以上。勝利油田的牛莊油田、博興油田和勝利油田濱B區塊也分別應用該原位乳化技術進行了水井增注和提高采收率實驗，發現原位微乳液驅油后，水井普遍降壓35%以上，油井累積增油在2500～3450 t 之間，驅油效果明顯。呂文斌等［52］將納米硅和陰離子型表面活性劑NBL-10、非離子型表面活性劑FLS-3 復配的微乳液應用于平均滲透率低于20×10-3μm2油藏的降壓增注試驗，將配方為1.5%陰離子型表面活性劑NBL-10+2.0%非離子型表面活性劑FLS-3+5.0%低碳醇+0.5%納米硅材料+8.5%白油+82.5%水的復配體系注入DS 油藏進行驅油時，可降低油水界面張力至10-3mN/m 數量級，驅替壓力降低了35%以上。

4 結束語

微乳液驅是低滲透油藏等非常規油藏降壓增注提高采收率的一項重要技術，注入油藏中的微乳液與油相接觸會形成超低界面張力，能夠降低驅替毛管數，提高油藏的采收率。在國內外礦場實驗中微乳液驅均取得了良好驅油效果。但微乳液的黏度和密度較低，在油藏中注入驅油時由于缺少有效的流動控制手段，常常沿著高滲儲層突竄，會導致對油藏的宏觀波及系數過低，影響對油藏內小孔隙中油的驅替效率。因此，微乳液驅地下調驅技術的研究，對提高微乳液油藏驅油礦場應用效果具有重要的意義。此外，微乳液雖然能夠與油相間形成超低界面張力，提高毛管數，有力于對油藏內殘余油的挖潛，但微乳液在地層孔隙中滲流時，表面活性劑在地層巖石表面會大量吸附導致其驅油效果下降，且微乳液驅油井采出液乳化也更加嚴重，增加了地面油水分離成本。因此，研制能夠在儲層孔隙中穩定存在且易于在地面破乳分離的對溫壓響應或CO2響應型的微乳液，在油田現場的規?；瘧镁哂兄匾囊饬x。