表面活性剂凭借其具有亲油基和亲水基的特殊结构，能够吸附在油气水三相界面，达到改变润湿和降低界面张力的作用，这一性质被广泛应用在油气田开发的各个领域。本文综述了钻井完井表面活性剂、注水开发表面活性剂以及复配表面活性剂在不同场景下的相关机制及其应用的研究进展、目前存在的问题与发展趋势，并总结表面活性剂相关机制的应用实例，为扩展表面活性剂在未来油田开发领域中的应用提供一定的参考。
关键词 ：
表面活性剂 钻井完井添加剂 表面活性剂驱油 注水开发添加剂 油气井开发
非常规油气田的开发在我国占据重要地位，大多数学者认为，油气田的采收率与二次采油和三次采油所采取的措施相关，因此，对提高采收率的方法研究往往集中在如何提高二次采油和三次采油的最终收率方面。然而，决定最终采收率高低的因素是复杂的，不仅涉及二次采油和三次采油所采取的提高采收率方法，还与油气井固井与完井的质量息息相关。表面活性剂，指的是具有特定亲水和亲油基团，在溶液的表面能定向排列，使得界面张力（IFT）发生改变的一类物质，它作为一类常见的油田化学试剂，在油气田开发、开采等诸多环节具有不可替代的作用。基于表面活性剂同时具有亲水和亲油的性质，其在石油行业衍生出一系列不同种类和功能的化学添加剂，用以解决一系列涉及油水界面和气液表面的问题，涵盖了钻井完井、注水开发、三次采油这三大油气田开发领域中的诸多环节。因此，本文从整个油气田开发的角度，根据表面活性剂在固井完井、注水开发和三次采油三个阶段中解决的实际问题，综述了表面活性剂在油气田开发领域中的应用和机制，并对其目前存在的问题和未来发展的方向做出一定的评价。
1 钻井完井添加剂
由于钻井过程中钻遇地层的复杂性，钻井液不仅要满足压井、清洗井底、传递能量等一系列常规任务，还需要根据不同的实际情况具有不同的特殊性能。因此，为顺利完成钻井工作，钻井液不仅需要有常规的配浆水和配浆土，还需要各种处理剂和添加剂。
1. 1 稳定剂
当钻遇高含盐地层时，钻井液与高矿化度的地层水接触，使得钻井液内部离子平衡遭到破坏，钻井液原有处理剂和添加剂性能受到一定的影响，更严重的情况可能会导致“盐析”现象的产生，造成卡钻等事故。稳定剂的目的是改善钻井液和完井液在地层盐水影响下的稳定性，使得其他处理剂和添加剂能够正常工作。其主要作用机理为：带有等量阴、阳离子电荷的表面活性剂在高盐溶液中会呈现出特殊的“反聚电解质效应”，即盐浓度越高，分子尺寸越大，正负电荷基团间形成的盐键被小分子盐破坏，高分子-溶剂相互作用能力增强，分子链变得较自由，而不容易产生蜷缩聚结。同时师小娟等研究发现，不同浓度的盐离子对于甜菜碱型表面活性剂的吸附具有一定的影响，如图 1 所示。
由图 1 可知：随着溶液中 Ca2+浓度的增大，表面活性剂分子吸附剂角度逐渐增大，固体表面所吸附的分子数量与浓度先增后减，活性剂分子与固体表面的相互作用能也随之呈现先降低后升高的情况。因此，一定的溶液矿化度有益于表面活性剂的吸附作用。葛际江等对十二烷基二甲铵基羟磺基甜菜碱表活剂进行热稳定性研究后发现，其在 110 ℃高温下依旧具有长期的热稳定性，通过色谱分析发现，高温下酰胺基发生水解是其失活的主要原因。
1. 2 防膨剂
当钻遇黏土矿物含量较高的地层时，为防止膨润土遇钻井液中的水而发生膨胀，导致缩径卡钻、井壁坍塌等一系列井下事故的发生，需要在钻井液中加入黏土稳定剂，即防膨剂。防膨剂主要采用阳离子型双子表面活性剂（具有两个对称的亲水基团），包括铵盐类、季铵盐类和吡啶盐型表面活性剂等。其主要作用机制为阳离子表面活性剂通过静电作用吸附在黏土矿物表面，并中和其负电性，从而防止水分子进入黏土矿物层间，减少黏土矿物的膨胀。此外，还可以通过氢键作用与静电力作用吸附微粒、抑制微粒运移以达到防止土体膨胀的作用，通过扫描电镜（SEM）图像能够直观体现这一作用效果，如图2所示。
由图2可知：防膨剂作用前，含有膨润土的孔喉在水驱过后产生的微小颗粒运移使得孔喉结构被破坏，渗透率降低；而防膨剂处理后的孔喉经过水驱后依旧具有清晰的孔喉结构，说明防膨剂确实对膨润土具有良好的抑制作用。另一方面，阴离子表面活性剂同样具有吸附作用，但由于其电性与黏土矿物相同，存在静电斥力，因此防膨效果不如阳离子表面活性剂，但其能使黏土酸化，从而起到将絮凝的黏土矿物分散与提高渗透率的作用。
1. 3 润滑剂
在钻进过程中，钻柱与钻头常常浸泡在钻井液中，两者存在固液界面，因此在钻进过程中钻柱与钻井液、钻头与钻井液之间会产生一定的摩擦阻力。当钻井液黏度或密度增大时，界面膜的强度进一步增加，摩擦阻力也将随之增加。过大的摩擦阻力一方面对钻头钻进的能量产生消耗，另一方面也会影响钻头和钻柱金属表面的光滑度，导致钻头和钻柱的腐蚀加快。在钻井液中加入表面活性剂，能够有效缓解这种腐蚀，这是因为表面活性剂通过吸附作用在二者之间形成一层薄膜，通过降低接触面的 IFT 来减少钻柱和钻头以及钻井液间的摩擦并缓解由摩擦带来的机械损耗。然而，单一体系和减阻机制对降低摩擦阻力的效果是有限的，通过对体系的复配、多种减阻机制的互相配合来达到更好的减阻效果，其主要结构如图3所示。
该复配体系的主要作用机制分为两部分，一方面，胶团在表面活性剂的作用下平行吸附于摩擦面且易于剪切，实现优异的减摩效果；另一方面，梭形薄片状的 CaCO3微纳米粒子可以抑制表面微凸体之间的直接接触，减少黏着磨损与磨粒磨损，从而发挥极压作用并显著改善表面质量。
该复配体系的主要作用机制分为两部分，一方面，胶团在表面活性剂的作用下平行吸附于摩擦面且易于剪切，实现优异的减摩效果；另一方面，梭形薄片状的 CaCO3微纳米粒子可以抑制表面微凸体之间的直接接触，减少黏着磨损与磨粒磨损，从而发挥极压作用并显著改善表面质量。
1. 4 分散剂
分散剂主要应用在油井水泥方面，油井水泥属于加塑性流体，具有黏度大、流动性差的特点，所以油井水泥浆往往存在注入困难的问题。一般来说，在水泥浆中加入分散剂可改善水泥浆的注入性能。分散剂的作用机制包括两方面，一方面，通过分散、湿润、润滑引气等作用使水泥颗粒在不同程度上进行分散，降低水泥浆的黏度并提高其流动性，便于水泥浆的紊流注入；另一方面，改变水泥孔隙的微观结构，减少大孔隙的同时生成大量微孔，进而减少水泥浆中的气体含量，使得水泥结构更为密实，提高固井质量。分散剂多用阴离子表面活性剂，如木质素类分散剂，其基本结构为苯丙烷构成的网状天然高分子，广泛存在于自然界中，但天然木质素在水中的溶解度有限，需要经过一定的改性后才能作为分散剂使用。Hopa等通过磺基丁基化和磺甲基化反应生成电荷密度相似但烷基链长度不同的一系列磺基烷基化木质素衍生物，结合室内评价实验发现了两种木质素衍生物在中性 pH 条件下均能很有效地分散高岭土颗粒，但在碱性条件下其性能将受到限制。
1. 5 增黏剂
为保证钻井液满足流变性与黏度要求，有效清洗并携带井底碎屑，并在一定程度上降低钻井液的滤失量，需要在其中添加增黏剂来提升黏度。增黏剂，也叫稠化剂，通常增黏剂为高分子聚合物，如天然植物高分子胍胶、生物高分子黄原胶以及人工合成高分子水解聚丙烯酰胺（HPAM）等已经在油田上广泛应用，但天然高分子材料耐温较差，人工合成高分子又面临降解困难，存在环境污染的问题。因此，张琰通过在溶液中添加大量表面活性剂，达到临界胶束浓度（CMC）后，表面活性剂将以“蠕虫”状胶束存于溶液中，能够有效增加溶液的黏度，Gao 等进一步在溶液中加入一定量的纳米颗粒，即可得到具有较高黏度的类交联胶束体系，如图4所示。
胶束自身由大量表面活性剂的疏水基团聚合而成，且具有一定的分子量，在纳米颗粒的类交联作用下，能够形成一定的空间网络结构，从而有效提高溶液黏度。此外，由表面活性剂胶束构成的高分子比聚合物更加容易降解，只需增加溶液中溶剂的用量，破坏 CMC 平衡，构成胶束的表面活性剂分子就会重新溶解到溶液中，“蠕虫”状胶束结构随之被破坏。通过对CMC平衡的不断改变，能够有效控制体系的黏度，使得该体系具有可重复利用、绿色环保的优势。吴珂等在体系中加入有机酸对表面活性剂进行改性后发现，有机酸不仅能够降低 CMC 和 IFT，还能起到改善“蠕虫状”胶束性态的作用，从而进一步增大胶束的分子量，增加溶液的黏度。
1. 6 存在问题与发展趋势
选用添加剂时应当考虑不同添加剂间的合理复配，如使用增黏剂增加钻井液黏度的同时也会一定程度上增加钻具与钻井液间的摩擦阻力，此时可考虑加入一定量的润滑剂来平衡黏度增加带来的弊端。同时应当注意添加剂与钻井液体系及地层流体的配伍性，如当采用防膨剂时，需要考虑原有钻井液体系与地层水中的离子组成，防止由于高络合离子作用的存在导致防膨剂无法与黏土矿物结合而失效。
为避免上述钻井液设计过程中存在的盲目性，智能钻井技术逐渐受到越来越多的学者关注，也是未来钻井液发展的重要方向之一。该技术可自行对井下温度、压力及磁场等物理参数进行识别，并能够对钻井液体系内部的矿化度、pH以及密度、黏度等物化性质进行判断，同时借助大量临井钻井及生产数据，对储层及地质构造进行全面分析，再将上述全部信息由中央处理器进行处理，结合 5G、大数据、人工智能等前沿技术，对钻井液体系进行全方位、多层次的筛选与评价，最终得到具有最佳效能的钻井液体系。
2 注水开发添加剂
我国油田大多属于地层能量较匮乏、无法自喷采油的情况，注水开发在我国油田提高采收率方面有着重要作用。我国油田 25%~40% 的原油在注水开发过程中被采出，同时，注水开发也面临着一系列问题，最主要的是如何扩大注水波及体积和提高洗油效率，前者通过调剖堵水的工艺实现，而后者需要通过注入表面活性剂对界面张力和润湿性进行改善。同时，在地面工程中，随着注水开发的进行，采出油的含水率逐渐增高，油水混合物经过管线与喷嘴的高速剪切以及前期注入表面活性剂等化学药剂的作用而生成乳状液，如何实现对乳状液的高效破乳是表面活性剂需要面对的另一个难题。
2. 1 发泡剂
由于地层的非均质性，注水开发往往面对注水“指进”的问题，由于贾敏效应及重力分异作用，泡沫能对上层高渗层产生良好的封堵和控制流度效果，提高注水波及体积。泡沫属于热力学不稳定的体系，通过表面活性剂可以维持泡沫的稳定性，其机制为借助表面活性剂降低IFT的作用，降低泡沫中气液两相间的表面张力，从而使得泡沫能够克服收缩的表面力而稳定存在。此外，为进一步提高泡沫的稳定性，李晓枫等提出一种微泡沫体系，其直径为 10~100 μm，结构如图 5所示。
通过气核与中间层间的表面活性剂降低IFT，维持气泡的稳定；通过添加增黏剂使中间层具有较大的黏度，减少内部气核存在的气体逸散；利用最外层的双电层电荷防止泡沫因聚并而增大比表面能导致体系不稳定。该体系通过多种机制的合理运用，显著增加泡沫的强度，并在有效控制流度的基础上，使得体系相较于常规泡沫体系具有良好的流动性，减小了泡沫的注入难度，同时还能借助泡沫的贾敏效应对大孔道进行一定程度上的封堵。该体系综合了泡沫驱和泡沫防窜的一系列优点，因此微泡沫是一种具有良好发展前景的新型泡沫。
针对泡沫封堵孔喉时在储层中可能的运移情况，有学者提出两种不同的假想。一种情况是，当泡沫运移至较小的孔喉时，随着贾敏效应使得气液 IFT 不断增大，增大到一定程度将会导致气泡“断裂”，并在孔喉前后分裂为两个气泡，如图6所示。
这是因为气泡在小孔喉中运移时，由于受到压力和毛细管力的综合作用，大的连续气泡在经过孔喉时受到类似“剪切”的力，将分散为小的不连续的气泡，这一现象可解释部分孔喉中气驱的段塞流可能逐渐演变为泡沫流的原因。
另一种情况是，当泡沫运移到具有分支的孔喉时，若两个分支的孔径及渗透率相近，则气泡将会分别向两个较小分支运移，此时气泡受到类似“劈裂”的力，如图7所示。此时，由于孔喉半径足够小，压力和毛细管力作为运移的主要动力和阻力，而重力分异在该情形下几乎不起作用，因此泡沫驱在小孔喉中同样可以避免重力分异的作用，对位于下方的孔喉进行有效封堵。
原标题：表面活性剂在油气田开发中的作用机制与应用
原作者：尉振业 杨昌华 成鹏飞
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