用于提高石油采收率的表面活性剂：过去十年的进展与创新

《Energy & Fuels》：Surfactants for Enhanced Oil Recovery: Progress and Innovations over the Past Decade

　　

基于表面活性剂的策略已成为提高石油采收率（EOR）的关键方法，特别是在成熟油藏中，传统生产方式留下了大量未采出的石油。本综述对2014年至2026年8月1日期间报告的进展进行了全面且批判性的评估，重点关注在油藏相关条件下控制石油运移、界面控制和乳状液行为的物理化学机制。一项结构化的文献检索从Scopus和Web of Science数据库中检索到613条记录，经过数据库合并和去重后得到493条唯一记录；经过主题筛选，选择了64项研究进行详细讨论。通过有针对性的手动检索和引文追踪确定的补充来源也被纳入综述。该分析表明，最近的进展不仅由界面张力（IFT）降低和润湿性改变驱动，还由对多孔介质中吸附、传输现象和流体行为的改进控制所驱动。除了传统的表面活性剂体系，本综述强调了混合和先进配方日益增长的作用，包括聚合物-表面活性剂体系、纳米粒子辅助方法、生物基表面活性剂和微乳液驱动过程，这些已扩大了EOR在苛刻条件（如高盐度和高温）下的适用性。特别强调了配方设计与油藏特征之间的相互作用，表明性能受到流体-岩石相互作用、保留现象和系统稳定性的强烈控制。除了整合近期进展，本工作还批判性地讨论了持续存在的局限性，包括表面活性剂损失、化学不稳定性、经济限制以及与将实验室结果放大到现场应用相关的挑战。该分析进一步强调了预测建模、配方优化和可持续性驱动策略在指导未来发展方面日益增长的重要性。总体而言，当前文献表明，基于表面活性剂的EOR的进展将依赖于能够应对真实油藏环境复杂性的定制配方、混合系统和机理理解的整合。

**论文解读：用于提高石油采收率的表面活性剂：过去十年的进展与创新**

**1. 研究背景与问题**

全球范围内，数以万计的油田在常规一次和二次采油方法不再经济可行后被废弃，这些油藏的平均采收率仅为30%–35%，意味着大量原始石油地质储量（OOIP）未被采出。在此背景下，提高石油采收率（EOR）技术，特别是基于表面活性剂的体系，通过改善流体驱替效率和多孔介质内的流动行为，成为激活此类油田并提高烃类采收率的关键。表面活性剂能作用于油-水、油-气、水-气及固-液等不相溶相之间的界面，降低界面张力（IFT）并改变表面相互作用，从而促使润湿性改变、微乳液形成和毛管数增加，这些都是残余油运移的关键机制。此外，表面活性剂可与聚合物和纳米粒子结合，产生协同效应，提升在高温、高盐度等苛刻油藏条件下的性能。然而，尽管研究日益增多，表面活性剂在岩石表面上的吸附、环境问题以及对油藏条件下界面机制理解的局限性，仍阻碍其更广泛的现场应用。同时，为应对这些挑战，研究趋势正转向开发更稳健、可持续的解决方案，包括生物表面活性剂、混合配方和纳米粒子辅助体系。因此，有必要对2014年至2026年间该领域的最新进展进行全面、更新的分析，以巩固现有成果并识别尚存的差距。该论文发表在《Energy 》。

**2. 主要技术方法**

研究人员采用了一种结构化的文献综述方法，遵循综述文章构建的一般原则。主要技术方法包括：首先，从Scopus和Web of Science数据库中检索与“表面活性剂驱/注入”和“乳状液驱/注入”及“提高石油采收率/EOR”相关的文献，共获得613条记录；其次，使用RStudio和Bibliometrix包进行数据库合并与去重，得到493条唯一记录；然后，根据标题、摘要和关键词进行主题筛选，最终选出64篇研究进行详细叙述性讨论，并通过手动检索和引文追踪补充了28篇相关出版物；最后，利用Biblioshiny工具进行文献计量学分析，以识别出版趋势、主题演变、国际合作模式和关键词频率。

**3. 研究结果**

* **文献计量概述：** 基于493条去重后数据库记录的分析显示，2014至2026年间，关于表面活性剂和乳状液EOR的科研产出整体呈增长趋势，尤其在2018年后增长显著，并在2022年达到峰值。主题演变从早期（2014-2017）的石油油藏工程、运移、流动和润湿性改变，转向中期（2018-2020）与多孔介质、乳化和界面张力更直接相关的主题，再到近期（2021-2026）对吸附、采收率、润湿性改变、增溶和强化采收等机理和应用研究的侧重。国际合作方面，中国和美国等国家参与度较高。关键词分析表明，润湿性改变、界面张力、吸附和提高石油采收率等术语占主导地位，同时多孔介质、乳化、原油、盐度、非离子表面活性剂和相行为等术语的出现表明研究已逐步纳入油藏复杂性和配方特定效应。

* **表面活性剂概述及其在EOR中的应用：** 表面活性剂是两亲分子，分为阴离子型、非离子型、阳离子型和两性型。它们在EOR中的作用包括降低IFT、稳定乳状液和改变岩石润湿性。研究比较了各类表面活性剂的优缺点：阴离子型IFT降低能力强、成本低，但在高盐度和含二价离子条件下易沉淀；非离子型耐盐性强，但受浊点限制；阳离子型能有效改变润湿性，但吸附损失和毒性较高；两性型耐盐性好，但成本高。生物表面活性剂和环境友好，但放大生产困难。Gemini表面活性剂因其极低的临界胶束浓度（CMC）和强界面活性成为有前景的下一代平台，但尚需更多现场验证。混合表面活性剂体系潜力巨大，但配方复杂。

* **降低IFT的研究：** IFT降低是EOR的核心机制，通过增加毛管数（Nc）来促进残余油运移。研究通过Winsor相行为模型（I、II、III、IV型）来解释表面活性剂-油-水体系。Winsor III型（中相微乳液）与超低IFT和最优增溶相关，对EOR尤为重要。Nadir等人（2022）的研究表明，阴离子表面活性剂S6（sodium hydroxypropyl decylglucoside phosphate）在低浓度（0.1 wt%）下能将IFT降至超低值（8 × 10^-3 mN/m），并形成Winsor III型体系。Khayati等人（2020）发现皂苷（saponin）在100 g/L NaCl存在下能将IFT降低77.31%，并有效改变润湿性。Saifullin等人（2022）证明，基于壬基酚聚氧乙烯醚（NPEO）的改性阴-非离子表面活性剂在碳酸盐岩油藏中能将IFT降低多达10倍。Shakeel等人（2022）表明，在低盐度表面活性剂驱中引入负盐度梯度，可将采收率提高多达16%。

* **表面活性剂在油藏岩石上的吸附：** 表面活性剂吸附是导致其损失、增加成本的关键因素。吸附机理包括静电相互作用、范德华力、疏水相互作用等。研究通过吸附等温线进行量化，分为单体吸附、表面聚集体形成、电荷中和及CMC以上四个区域。Abbas等人（2020）的研究表明，阴离子表面活性剂Aerosol-OT在砂岩矿物上的吸附顺序为：高岭石 > 伊利石 > 蒙脱石 > 石英砂，且吸附量随盐度增加而增加，随温度升高而降低。缓解吸附的策略包括优化盐度和pH值、使用碱性添加剂、预冲洗以及开发纳米粒子辅助配方。

* **建模与计算模拟技术：** 建模和模拟已成为理解EOR过程的重要工具，主要包括：油藏尺度模拟（用于预测多相流、IFT降低和吸附）、计算流体动力学（CFD，用于孔隙尺度相互作用）、乳状液建模（模拟视粘度、运移和液滴行为）以及孔隙尺度/相场模型（模拟液滴动力学和聚结）。此外，数据驱动的方法（如机器学习）作为新兴工具，有望降低计算成本并提高预测性能。

* **新兴趋势、先进体系与挑战：**
* **生物表面活性剂与天然替代品：** 如surfactin、Vitagnus提取物、Ziziphus spina-christi提取物等，显示出降低IFT和改变润湿性的能力，但放大生产和经济可行性仍是挑战。
* **混合体系与先进配方：** 表面活性剂与纳米粒子、甘油或其它表面活性剂组合，能同时实现IFT降低、润湿性改变和流度控制，表现出协同效应。例如，rhamnolipid + CTAB + 甘油的生物合成配方能将IFT降至0.005 mN/m。
* **孔隙尺度洞察与显微断层扫描：** 微CT成像显示，乳状液液滴能改变流动路径，进入低渗透区域，从而驱替残余油。
* **现场应用案例：** 论文总结了三个2025-2026年的表面活性剂EOR现场试验。印度Mehsana油田的SP驱先导试验使直接受益生产井的含水率从80%降至60%，产油量从3 m³/d增至20 m³/d。北极地区高盐度碳酸盐岩油藏的SP驱试验使驱替效率提高多达17%。美国俄克拉荷马州Third Healdton Sand Unit的全油田微乳液注入项目增产约110,000桶，相当于OOIP的约2%，成本约为每桶增产油4美元。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，尽管取得了显著进展，但表面活性剂在矿物表面的吸附、先进配方的成本、环境问题以及实验室结果向现场应用转化仍是主要的挑战。未来研究方向应聚焦于：(i) 设计高性能、环境兼容且吸附损失低的表面活性剂体系；(ii) 整合纳米技术和混合化学配方以增强界面控制和系统稳定性；(iii) 推进包括数据驱动和机器学习方法在内的预测工具，以更好地应对系统复杂性并优化EOR策略。

**结论与未来展望**
本综述巩固了表面活性剂在EOR中应用的最新进展，强调了其在控制界面现象和改善复杂油藏条件下石油运移方面的核心作用。在2014-2026年期间，通过开发能够在高盐度、高温下运行的定制表面活性剂体系，在降低界面张力、改变润湿性和稳定乳状液方面取得了显著进展。同时，将表面活性剂与聚合物、纳米粒子和混合注入策略相结合的协同方法，扩展了EOR配方的功能范围，实现了对流体行为和驱替效率的更好控制。尽管取得了这些进展，但关键限制依然存在。表面活性剂在矿物表面的吸附是一个主要障碍，直接影响化学效率和经济效益。此外，先进配方的成本高和环境问题继续限制其大规模实施。这些挑战推动了对更可持续、更具成本效益的替代方案的研究，包括生物表面活性剂、杂化分子和可再生基配方。在此背景下，双子表面活性剂代表了一个有前景但仍在发展中的平台，因为它们具有增强的界面活性、结构可调性以及在苛刻油藏条件下的潜在性能，尽管其吸附行为、成本、环境安全性和现场验证仍是重要挑战。从机理角度看，本综述强调，EOR性能不能归因于孤立的参数，而是源于表面活性剂化学、油藏矿物学、流体性质和乳状液动力学之间复杂的相互作用。这种多维耦合在真实油藏条件下仍未被充分理解，这是一个关键的知识差距。此外，将实验室规模的发现转化为现场应用仍然是一个主要瓶颈，通常受限于简化的实验条件和缺乏预测框架。该领域的未来发展预计将集中于三个主要方向：(i) 设计高性能、环境兼容且吸附损失低的表面活性剂体系；(ii) 整合纳米技术和混合化学配方以增强界面控制和系统稳定性；(iii) 推进包括数据驱动和机器学习方法在内的预测工具，以更好地捕捉系统复杂性并优化EOR策略。最终，基于表面活性剂的EOR的未来在于弥合基础界面科学与可扩展且经济可行的现场应用之间的差距。实现这一目标需要采用多学科方法，整合配方设计、机理理解和油藏特定考量。通过协调这些方面，基于表面活性剂和乳状液的体系预计将保持在EOR技术的前沿，为在日益具有挑战性的油藏环境中提高石油采收率提供一条稳健的途径。