【应用】关于提升原油采收率的表面活性剂研究

当前世界能源需求不断增长，成熟油田原油产量不断下降，需要在石油生产技术上取得革命性突破。常规采油(一次采油和二次采油)后，由于毛管力大、储层非均质性高，导致原油产量低，大约70%的原始油藏(OOIP)仍留在储层中。因此，需要开发更多的方法来提高采收率(EOR)从而满足当前的需求。通过化学方法提高采收率作为一种常见的选择，在大多数成熟油田中都备受关注。但同时化学方法也带来了许多弊端，例如昂贵的表面活性剂在油藏中以吸附和保留的形式损失，工程成本高，油价下降，都会影响工艺效率，给其应用带来了问题。因此，开发具有成本效益的EOR技术是实现可持续采收率的必要条件。

在早期的研究中已经报道了乳液作为提高采收率剂的应用。液滴聚结导致乳状液稳定性差，导致采收率低，限制了其使用。因此，纳米技术在乳状液中的应用可能是提高采收率的一个突破。纳米乳液是由适量的表面活性剂配制而成的，微乳液已经在许多领域得到了应用，例如:制药、化妆品、石油和油漆工业。与油田化学品混合后，纳米乳液还可用于井筒清洁、阻垢、压裂、保流测试等。

Kumar等人制备和表征油/水纳米乳，用于提高采收率。采用轻质矿物油、表面活性剂Tween 40和去离子水制备纳米乳液。从液滴粒径分布、表面电荷、IFT测量等方面对纳米乳进行了表征，以检验纳米乳在提高采收率方面的效率。

表1. 表面活性剂浓度对纳米乳性能的影响

图1. 表面活性剂浓度对25℃下zeta电位(mv)的影响

为了确定表面活性剂浓度对纳米乳的影响，对超声波法制备的样品进行了4种不同表面活性剂浓度(0.5、1.0、1.5和2.0 wt. %)的实验。当表面活性剂浓度从0.5 wt. %增加到1.0 wt. %、1.5 wt. %和2.0 wt. %时，液滴尺寸从31.83 nm减小到20.19 nm、19.32 nm和18.02 nm。随着表面活性剂浓度的进一步增加，液滴尺寸逐渐减小。当表面活性剂浓度从0.5 wt. %增加到2.0 wt. %时，Zeta电位值从-30.14 mv降低到-39.818 mv(表1)。Zeta电位值越高，纳米乳的分散性和稳定性越好。

图2. 不同温度(30、50、70)和不同表面活性剂浓度(0.5、1.0、1.5、2.0)下纳米乳液界面张力的变化

采用悬滴法，在30℃下获得了50.31 mN/m的IFT值。纳米乳液和庚烷体系在添加2 wt%表面活性剂的情况下，IFT从30°C时的50.31 mN/m降低到30°C、50°C和70°C时的1.5、1.1和0.6 mN/m。从图9可以看出，IFT值随着表面活性剂浓度的增加而降低。图9 (a)，在30℃时，表面活性剂浓度从0.5 wt. %增加到2.0 wt. %， IFT值从2.97 mN/m下降到2.4 mN/m。从图9可以看出，添加0.5 wt. %表面活性剂的纳米乳的界面张力从30°C时的3.0 mN/m下降到50°C时的2.1 mN/m和70°C时的1.8 mN/m。同样，对于表面活性剂浓度为1.0 wt. %、1.5 wt. %和2.0 wt. %的其他3个样品，当温度从30ºC升高到70ºC时，IFT分别从2.9 mN/m降至1.6 mN/m、2.8 mN/m降至1.4 mN/m和2.7 mN/m降至1.3 mN/m。因此，温度在纳米乳液的IFT降低中起着重要作用，有助于提高石油采收率。

图3. 添加0.5 wt. %的Tween 40表面活性剂，在30°C下，在0秒、120秒和240秒时纳米乳的垂滴图像

当表面活性剂浓度为0.5 wt. %，温度为30℃时，在0秒、120秒和240秒时，用悬滴法测量纳米乳与庚烷之间的动态IFT值的实时图像如图10所示。从图10中可以看出，在120秒内IFT值会有明显的下降，但在此之后IFT值的下降就微乎其微了。在240秒的时间内，IFT从2.97 mN/m下降到2.05 mN/m。可以观察到，随着表面活性剂浓度的增加和温度的升高，不同时间间隔的IFT值受到极大的影响。

参考文献：

[1] Kumar, N., Mandal, A,. Surfactant Stabilized Oil-in-Water Nanoemulsion: Stability, Interfacial Tension, and Rheology Study for Enhanced Oil Recovery Application[J]. Energy & Fuels, 2018, 32(6), 6452–6466.