用于提高原油采收率的中相微乳液的研制与性能评价：剩余油动用机制

《Chemical Engineering Science》：Development and performance evaluation of a middle-phase microemulsion for enhanced oil recovery: mechanisms of remaining oil mobilization

　　

摘要

为解决长庆油田高含水阶段剩余油分布分散且复杂的问题，本研究系统研究了中相微乳液驱油体系的配方、性能评价及微观驱油机理。通过分子配方设计，将商用十六烷基苯磺酸盐（HAS）与 Triton X-100 复配作为复合主表面活性剂。成功建立了适用于高温（90 °C）和高盐度（50 g/L）储层条件的中相微乳液体系。性能评价结果表明，该体系实现了 8.2 × 10^-3 mN/m 的超低界面张力。在统一的微乳液注入量为 0.5 孔隙体积 (PV) 时，微流控可视化实验使微观剩余油采收率提高了 27.1%，而砂面孔岩驱替测试获得了 30.5% 的提升；这一微小差距源于模型尺度差异和孔隙结构非均质性。该体系还表现出优异的抗吸附能力和长期稳定性。微观可视化实验进一步揭示了微乳液的协同机理，包括超低界面张力剥离、润湿性改变以及乳化携带。该机理有效动用了以膜状和团块状等形式存在的剩余油。本研究为提高高含水油田的采收率提供了可靠的理论依据和技术路径。

引言

作为全球能源结构的基石，油气资源的稳定供应对于国家战略安全和经济发展至关重要。随着中国大部分主要油田相继进入以高含水和高采收率为特征的“双高”开发阶段，维持稳产和提高采收率（EOR）面临着前所未有的严峻挑战（Song 等，2025 年，Wang 和 Yao，2021 年）。经过长期水驱开发后，地下油藏中原油的存在状态发生了根本性转变。原本连续分布的油被破碎和驱替，形成了大量的破碎状剩余油。这种剩余油以膜状、团块状和孤岛状等形式存在于微观孔隙的角落中（Wang 等，2020 年，Zhao 等，2022 年）。这类剩余油隐蔽性强且附着力大，其动用和迁移需要克服巨大的毛细管压力。常规水驱的活塞式驱替驱动已无法有效剥离和动用其，导致无效水循环问题突出，大量剩余油可见但无法开采（Gong 等，2024 年，He 等，2024 年）。虽然聚合物驱可以提高宏观波及效率，但其洗油能力有限。另一方面，常规表面活性剂驱受到高温、高盐度和岩石吸附等恶劣储层条件的限制，导致难以维持界面活性，驱替效率令人满意（Pal 等，2018 年，Wei 等，2020 年）。因此，开发能够有效地动用“双高”阶段角落剩余油的下一代 EOR 技术，已成为油田开发的核心和紧迫挑战（Hassan 等。2023 年）。

在此背景下，作为一种新型高效的化学 EOR 方法，微乳液驱技术凭借其独特的性质显示出巨大的应用潜力（She 等，2022 年）。微乳液是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂自发形成的热力学稳定、各向同性的纳米分散体系（Zhu 等，2022 年，Qin 等，2020 年）。与常规驱油体系相比，其核心优势有三点：首先，它具有卓越的洗油能力。微乳液可以实现超低界面张力（低至 10^-3 mN/m 或更低）。这种强大的界面扰动能力足以克服束缚剩余油的毛细管力，有效地从岩石表面剥离油膜，并动用孔隙内的孤立油滴（Wu 等，2024 年，Li 等，2025 年）。其次，它具有高效的增溶 - 运移机制（Li 等，2024 年）。微乳液可以同时增溶油相和水相，如同纳米级的微观油卡车。当它们在多孔介质中迁移时，可以溶解、收集并运输分散的破碎剩余油，使其重新聚集并流向生产井（Leng 等，2024 年）。第三，它提供了可调节的流度控制能力。通过调整配方，可以创建具有特定粘度的微乳液体系，这不仅能够抑制窜流并提高宏观波及效率，还能确保体系在储层内的长期稳定性和运输效率（Pal 等，2023 年，Ahmadi 等，2022 年）。

在各种类型的微乳液中，中相微乳液（Winsor III 型）由于其独特的双连续结构而备受关注（Hu 等，2024 年，Lü 等，2025 年）。在这种结构中，油相和水相同时形成连续的三维网络，中相微乳液与上下过剩相之间的界面张力同时达到超低值。这赋予了它优异的洗油效率和波及效率，使其被认为是实现三次采油突破的理想介质（Tang 等，2025 年，Moghadam 等，2024 年）。然而，将中相微乳液成功应用于以低渗、高温和高盐度为特征的长庆等典型油藏，仍面临三大关键挑战：（1）复杂的配方设计：需要筛选耐温耐盐的表面活性剂，并优化其与助表面活性剂、油相和水相的比例，以在目标储层条件下形成稳定的中相微乳液（Santos 等，2023 年，Zhang 等，2024 年）。（2）作用机理不明：微乳液在微观尺度上如何启动、剥离和运输不同形式的剩余油的动态过程仍需系统揭示（Zhang 等，2023 年）。（3）缺乏系统的性能评价体系：针对低渗储层特性的标准化产品规格和测试方法不足，阻碍了该技术的标准化和规模化应用（Yin 和 Fang. 2017 年）。

近年来，各种基于表面活性剂的 EOR 技术已被研究用于高含水油藏。阴离子 - 阳离子体系通过静电吸引降低界面张力（Hou 和 Sheng，2021 年，?rd?g 等，2027 年），但传统配方在高盐度下存在沉淀和色谱分离问题。然而，据报道，适当配制的具有最佳摩尔比的阴离子 - 阳离子表面活性剂混合物能够克服沉淀并实现超低界面张力（Li 等，2016 年）。非离子 - 阴离子体系提供更好的耐盐性，但热稳定性较弱。聚合物 - 表面活性剂组合提高了波及效率，但面临注入性差和热降解问题。

中相微乳液因超低界面张力（IFT）而成为热点。如表 1 所示，典型的近期系统在 ≤ 85 °C 和 ≤ 90 g/L 条件下实现了 10^-3 mN/m 的界面张力和 21.3%–25.1% 的采收率提升（Zhang 等，2025 年，Lü 等，2025 年，Tang 等，2025 年，Wang 等，2025 年，Wu 等，2024 年）。然而，这些系统通常共有温度/盐度窗口窄、抗吸附弱和微观机理未验证等缺点。例如，阴离子磺酸盐体系在盐度高于 70 g/L 时发生相分离；非离子体系显示出严重的吸附损失；两性离子 - 阴离子体系在盐度高于 90 g/L 时失去乳化效率；烷基苯磺酸盐体系在循环吸附后表现出界面张力衰减；商业体系在高盐度下滴液不稳定且机理未量化。

因此，迫切需要开发具有耐热、耐盐、低吸附和长期稳定性相结合的新型微乳液，并建立微观驱油的多种尺度评价方法，为恶劣储层的化学驱提供理论支持。

本研究开发了一种具有热力学稳定的双连续结构的 Winsor III 中相微乳液体系，产生超低油水界面张力，通过增强洗油性能以及对岩石吸附和地层盐度的稳健耐受性，克服了常规表面活性剂驱的缺点。通过系统优化配方并揭示其孔隙尺度驱替机理，本研究为高温、高盐油藏提供了一种可行的化学驱候选方案，并为稳定长庆油田及类似成熟油田高含水区块的原油产量和提高采收率建立了坚实的理论基础和技术参考。

部分摘要

材料与仪器

十六烷基苯磺酸钠 (HAS)、Triton X-100、正戊醇、正庚ane（分析纯，陕西迪度医药化工有限公司，中国）。模拟地层水成分（盐度 50 g/L）为：NaCl 42.5 g/L，CaCl₂ 3.8 g/L，MgCl₂·6H₂O 2.0 g/L，KCl 1.2 g/L，Na₂SO₄ 0.5 g/L。GDJS-100 恒温烘箱（上海苏鹰试验仪器有限公司，中国），微流控实验系统（北京亚动微电子有限公司，中国），HAQT-70/180-IV 自动岩心

主表面活性剂的筛选与优化

在本研究中，选择了阴离子表面活性剂十六烷基苯磺酸钠 (HAS) 和非离子表面活性剂 Triton X-100。在两种表面活性剂的总浓度固定为 0.5 wt% 的情况下，研究了溶解度、溶液外观、界面张力和稳定性的变化，以评估混合比例对表面活性剂性能的影响。所有界面张力测量均进行了五个平行重复实验以确保数据可重复性，并采用单因素

结论

通过系统的构建和全面的评价，本研究成功开发了一种适用于高温和高盐储层条件的中相微乳液驱油体系，并深入揭示了其在微观尺度上动用剩余油的机理。主要结论如下：

• (1)
  以 HAS 和 Triton X-100（质量比 1:2）的混合物作为主表面活性剂，以正戊醇作为助表面活性剂，在 50 g/L 的模拟盐水条件下

CRediT 作者贡献声明

王艳: 写作 – 审查与编辑，方法论，形式分析，概念化。张腾换: 方法论，数据整理，概念化。吴天江: 验证，形式分析，数据整理。刘宝车: 验证，调查，形式分析，数据整理。李建善: 监督，方法论，数据整理，概念化。柯从宇: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，资源，方法论，调查，数据整理。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究得到了 陕西省重点研发计划（编号 2026CY-YBXM-762）和 陕西省自然科学基金基础研究计划（编号 2025JC-YBMS-170）的支持。

王艳 | 张腾换 | 吴天江 | 刘宝车 | 李建善 | 柯从宇

中国石油长庆油田有限责任公司油气技术研究院，中国西安 710018