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稠油冷采乳化體系研究進展

文檔作者：王弘揚1，蔡湘西2，3 李天樂2，安玉秀2 文檔來源： 1.中國石油勘探開發研究院 2.中國地質大學（北京）工程技術學院 3.中國地質大學（北京）鄭州研究院		更新日期： 2026年05月17日	點擊數：
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上一篇：丁二烯阻聚劑的性能評價

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第 42 卷 第 6 期
2025 年11 月
精 細 石 油 化 工
SPECIALITY PETROCHЕMICALS 57
稠油是重要的非常規石油資源，中國稠油資源
占總石油資源的20% 以上，稠油開采對國家能源發
展具有重要意義［1］。稠油黏度高、密度大、流動性差
等問題，給開采和運輸帶來了很大困難。目前世界
范圍內的稠油開采技術主要為熱采和冷采。
稠油熱采是一個相對高能耗、高碳排放的過程。
為了實現節能減排的目標，大力研發稠油冷采技術是
稠油開采發展的對策之一［2］。在這個背景下，水驅技
術在稠油開采中得到廣泛應用，但是普通稠油水驅油
藏呈現單井產量低、采油速度低、含水高、耗水量高的
特點［3］，導致水驅稠油采收率低，需要提高水驅稠油采
收率。化學驅是稠油冷采中提高采收率最常用的開
發方式［4］。在化學驅過程中伴隨著強烈稠油乳化現象，
大多數稠油以乳狀液的形式采出。
研究表明，稠油乳狀液的形成、穩定和遷移可
以通過兩種機制有效提高石油采收率，包括提高波
及效率以及通過截留和運輸提高驅替效率［ 5］。深度
了解稠油乳化機理，能夠準確地選擇合適的乳化
劑，促進油-水乳液形成，對稠油開采具有重要意義。
1 稠油乳化機理
稠油乳化是提高采收率的關鍵機制之一。多
孔介質結構的復雜和乳液體系的影響，導致稠油冷
采過程中乳化機理還不完全明確［6］。基于現有的研
究，可以將乳化機理分為兩部分：一是通過稠油本
身與水形成的自乳化現象；二是通過添加乳化劑形
成的乳化。
對于稠油自乳化而言，稠油中瀝青質和膠質被
普遍認為是具有表面活性的物質，對稠油自乳化起
到了關鍵性的作用。近年來，大量的研究表明瀝青
質有兩種分子結構：大陸型和群島型。大陸型認為
瀝青質分子是一個以稠合芳香核為中心，周圍為烷
基側鏈的結構；群島型則認為瀝青質分子是由兩個
多個烷基縮合而成的小的芳香核組成的，在這兩種
結構中，碳、氧、硫等雜原子都位于芳香環或者烷基
鏈上［7］。而膠質作為瀝青質的溶劑，也存在碳、氧、
硫等雜原子，比瀝青質具有更少的芳香環和分子
量［8］。瀝青質和膠質表現出較強的極性，當稠油與
地層水接觸，它們就被吸附到油-水界面上，通過極
性分子之間相互作用，在界面上和界面之間進行連
接，形成致密的界面膜，使得稠油產生自乳化形成
乳狀液（圖1）。同時，界面上的瀝青質和膠質可以
通過氫鍵連接稠油中的游離分子，增強了界面膜強
度，形成了實際的空間位阻效應，達到穩定乳狀液
的目的［9］。
asrpehsianltene
π-π interaction
Hydrogen bond
oil
water
oil
water
a b
圖1 稠油的自乳化機理示意
對于添加乳化劑形成的乳化，在稠油中添加乳
化劑能形成穩定的油-水乳液，添加乳化劑主要是降
低油-水界面張力，向油-水體系中添加的乳化劑可
以吸附在油-水界面處，然后開始擴散，將水滴捕獲
在稠油中形成乳液［10］。其原因是乳化劑分子可以
［1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083；
3.中國地質大學（北京）鄭州研究院， 河南 鄭州 451283］
摘要：稠油乳化是有效提高稠油開采效率的核心技術之一。總結了稠油乳化機理，包括自乳化和外加乳化劑乳化，
以揭示其在稠油開采過程中的重要作用。綜述了稠油中天然乳化劑、常規表面活性劑和納米顆粒的研究進展情
況，分析了稠油乳化兩大體系及其各體系面臨的問題。
關鍵詞：稠油 乳狀液 乳化劑 乳化機理
中圖分類號：TE345 文獻標識碼：A DOI：10.20075/j.cnki.issn.1003-9384.2025.06.015
稠油冷采乳化體系研究進展
王弘揚1，蔡湘西2，3*，李天樂2，安玉秀2
收稿日期：2025-05-27；修改稿收到日期：2025-08-27
作者簡介：王弘揚（1988-），工程師，研究方向為復雜多相多組
分油/氣/汽/水/固系統的非穩態熱力學相態、傳熱傳質與物質運移。
E-mail：cupwanghongyang@qq.com
基金項目：稠油開采重點實驗室開放課題（ROPED.CN-2024-JS-
381）；2023年度國家資助博士后研究人員計劃BC（NO.GZ02233113）；
國家自然科學基金（522740）
*通信聯系人，E-mail：1534572275@qq.com
精 細 石 油 58 化 工 2025年11月
在油-水界面處緊密排列，從而形成致密的吸附界面
膜（圖2），油-水界面張力可以在短時間內迅速降低
到超低水平，有效地促進了稠油在水中的快速分
散［11］。同時，乳化劑形成致密的吸附膜可以顯著提
高界面膜強度，形成均勻的乳液粒徑，抑制乳液液
滴的絮凝和聚結，從而提高乳液的穩定性。
oil
water
oil
water
a 乳化劑 b
圖2 添加乳化劑的乳化機理示意
2 稠油乳化劑的種類及特點
乳化劑在稠油乳化領域應用十分廣泛，乳化劑
種類復雜，因此分類方式多種多樣，而在提高稠油
采收率中可以將乳化劑分為三類：稠油中天然乳化
劑、常規表面活性劑和納米顆粒［12］。
2. 1 稠油中天然乳化劑
雖然儲層中的稠油可以通過壓力和地層水在
適當的條件下形成乳狀液，但其實稠油中的一些成
分可以作為天然乳化劑參與乳化過程，它們對乳液
的形成和穩定起著關鍵作用［13］。
瀝青質和膠質是稠油中天然兩親性組分。瀝青
質具有很強的界面活性，只需少量瀝青質就可以形成
油-水界面膜［14］。瀝青質分子相互結合形成穩定分子
交聯結構，通過氫鍵黏附在油-水界面上，具有較強的
吸附性可以與其他活性成分建立交聯網絡，從而形成
穩定的界面膜促進油水乳化。與瀝青質相比，膠質具
有更高擴散效率和界面吸附速度，大大降低了界面張
力，有助于形成和穩定油水乳液［15］。盡管膠質可以獨
立地充當有效的乳化劑，但最穩定的乳液通常出現在
瀝青質和膠質同時存在時［16］，并且膠質可以顯著提高
瀝青質的穩定性能。膠質的快速吸附為后來瀝青質
的緩慢界面吸附奠定了基礎［17］。
2. 2 常規表面活性劑
親水親油平衡值簡稱HLB 值，通常認為HLB 值在
3~8 之間的乳化劑為親油表面活性劑，能夠與稠油形
成油包水乳液，而HLB 值在9~40 之間的乳化劑為親
水表面活性劑，能夠與稠油形成水包油乳液。
2. 2. 1 親水表面活性劑
在稠油應用領域，親水表面活性劑按親水基團
將其分為陰離子型和非離子型［18］。陰離子型表面
活性劑能有效增強乳狀液的穩定性和耐鹽性，同時
對油滴的界面張力和 Zeta 電位都有降低［19］；非離子
表面活性劑由于其顯著耐鹽性和良好生物相容性，
一般與其他表面活性劑復配進行使用以發揮協同
效應，對稠油的降黏效果優于單一表面活性劑，且
能夠提高了乳液的耐溫和耐鹽性能［20］。表1 列出了
常見的幾種親水表面活性劑。
表1 常見的親水表面活性劑
陰離子型表面活性劑
SDS
AOS
石油磺酸鈉
SDBS
HLB值
40.0
15.0~
20.0
40.0
10.6
非離子型表面活性劑
OP-10
AEO
Tween20
Tween80
油酸鈉
HLB值
13.5
12.0~
14.0
16.7
15.0
18.0
陰離子型在分子的親水基團上帶負電荷，可能
含有羧酸鹽、磺酸鹽、硫酸鹽和磷酸鹽基團。陰離
子型因有良好膠束化性能，最易與稠油發生乳化和
更好地控制流度，來實現提高采收率［21］。Liu 等［22］通
過長砂填充管驅實驗研究了陰離子型乳化劑SDS 提
高重油采收率的效果。發現SDS 溶液能夠降低稠油
的界面張力，使其產生有效的乳化，并且可以較水
驅提高稠油采收率8. 71%。
而非離子型不帶電荷，僅具有親脂性部分和親
水性部分，同樣在提高采收率和乳化效果中得到了
廣泛的應用。戴名揚等［23］使用非離子型乳化劑OP-
12 對稠油進行乳化降黏，降低開采與運輸成本，研
究表明不同質量分數的OP-12 能夠與稠油形成的乳
狀液，并且乳狀液的降黏率達55% 以上。
2. 2. 2 親油表面活性劑
常用的親油表面活性劑為失水山梨醇脂肪酸
酯類、聚甘油脂肪酸酯類、聚醚脂肪酸酯類和二價
脂肪酸鹽以及含硅類硅油包水乳化劑［24］，表2 列出
了常見的幾種親油表面活性劑。運用最廣泛的是
Span 和Tween 類乳化劑。在油水體系中使用HLB 值
較低的Span 與HLB 值較低的Tween 有助于W/O 乳狀
液的形成［25］。曹廣勝等［26］通過使用Span 類乳化劑
對稠油進行乳化，形成油包水乳液，發現Span 類的
親油端碳碳單鏈長度越長，乳狀液黏度越大。這是
因為乳化劑分子通過其競爭性吸附存在于油包水
液滴界面處，形成致密的界面膜，提高乳狀液穩定
性，并且它的存在有利于乳狀液形成更小的液滴，
增加其黏度［27］。
表2 常見的親油表面活性劑
親油表面活性劑
失水山梨醇單油酸酯
（Span80）
乙二醇單硬脂酸酯
（EGMS）
油醇聚氧乙烯醚（OV）
單硬脂酸甘油酯（GM）
HLB值
4.3
4.7
5.0
5.5
應用特點
親油表面活性劑在稠油穩定油
包水乳液體系中起著至關重要
的作用，作為水相和油相的橋
梁，降低油相的極性，提高體系
穩定性［28］。
第 42 卷 第 6 期 王弘揚，等. 稠油冷采乳化體系研究進展 59
2. 3 納米顆粒
納米顆粒可以提高乳狀液的穩定性，降低油水
界面張力，改變巖石潤濕性，增強乳化作用。在提
高采收率的技術中，最常見納米顆粒包括SiO2、
Al2O3、TiO2、ZrO2、Fe3O4和 ZnO［29］。納米顆粒主要是通
過與乳液液滴表面的乳化劑分子相互協調作用，來
實現影響乳化效率［30］。許多研究表明，納米顆粒和
表面活性劑的協同作用比單獨的表面活性劑提供
更有益的效果。Paryoto 等［31］使用乳化劑與Fe3O4 納
米顆粒進行巖心驅油，顯示乳化劑-Fe3O4納米比單獨
的乳化劑更能提高采收率，乳化劑-Fe3O4納米總的石
油回收率可達76. 50%。Ahmad 等［32］發現了納米
SiO2 和Al2O3 與乳化劑結合對水油乳液有協同效應，
產生穩定作用來增強乳液穩定性。其作用機理主
要歸結于納米顆粒的加入降低了油水界面張力，
油、水和納米顆粒會在油水之間形成一個具有層狀
結構的界面膜，使得油水之間的極性差異大大減
小，并且納米顆粒其具有的剛性作用可以增強界面
膜的強度，從而實現穩定乳液［33］。
3 稠油乳化體系的種類及特點
稠油乳化體系主要分為兩種［34］：一種是油包水
（W/O）乳化體系，其可以起到調剖控流效用，有效封
堵非均質地層中的高滲透層，調節分流量，促使低
滲管產出油量增大，提高采收率［35］；另一種是水包
油（O/W）乳化體系，這種乳狀液不易吸附在巖石上，
能夠減少巖層表面對稠油的磨阻損耗，有效提高流
動性［ 36］。兩種體系各自擁有獨特的物理化學特性，
對稠油的開采效率有著重要影響。
3. 1 油包水（W/O）乳化體系
在稠油開采過程中，油包水乳化體系可以提高驅
替體系的黏度，通過高黏流體驅替低黏流體來提高驅
油效率。國內對于油包水乳化體系的研究始于2011
年，在吉7 井區的開發過程中發現油藏具有乳化驅替
特征，產出液中有明顯油包水乳狀液，并且開采效果
明顯優于其他稠油水驅油藏［37］。之后研究表明稠油
中的有機酸、膠質、瀝青質以及油中所含微細固體顆
粒等都是天然的乳化劑，在驅替過程中能引起乳化作
用［38］。此外還有不少學者運用表面活性劑與稠油形
成油包水乳化體系，使得開采過程中不能形成油包水
乳狀液的油藏也能通過這種方式來提高采收率。研
究主要是通過乳化和增黏能力來篩選表面活性劑，在
維持超低油-水界面張力的同時，與稠油形成油包水乳
液，達到在水驅之后進一步提高稠油采收率的效果［39］。
這種驅油體系的驅油能力與自身的自乳化性能呈正
相關性，即自身自乳化效果越好，體系所表現出來的
驅油性能越好［40］。
3. 2 水包油（O/W）乳化體系
水包油乳化體系可以通過降低稠油表觀黏度
和改善管道潤濕性，顯著提升開采效率［41］。形成水
包稠油乳化體系通常都會加入少量的化學試劑，大
多數研究認為加入化學試劑后，降低油-水界面張
力，有助于增強稠油的可流動性，并且能夠改變管
道內壁的潤濕性，減少稠油與管壁的摩擦，進一步
提高稠油開采和運輸效率［42］。單一化學試劑的雖
然擁有不錯的降黏性能，但穩定性稍差，因此不少
研究利用表面活性劑之間的協調作用，使用陰-非離
子復配體系，與稠油得到的乳狀液不僅在降黏效果
上得到提升并且使得其穩定性增強［43］。還有學者
提出新型驅油體系，通過聚合物與表面活性劑進行
復配，同樣能夠使得水包稠油乳狀液在黏度降低的
同時提高其穩定性［44］。
4 稠油乳化體系的存在問題
4. 1 油包水（W/O）乳化體系
油包水乳狀液可通過封堵高滲通道改善驅替
效果，但仍存在以下問題：
1）油包水乳狀液流動性差。由于其較高的黏
度，導致該乳狀液在多孔介質中難以流動。稠油與
水在地層中受到多孔介質的剪切作用、重力作用、
毛管力作用、壓力作用等，產生乳狀液，但是乳化的
油在向前推移的過程中會重新黏附回油層表面，可
增加了孔隙表面的親油性帶來的阻力，使得稠油不
易采出。
2）油包水乳狀液破乳困難。在稠油的開采過
程中，對油包水乳狀液進行破乳是一個重要的步
驟，其分離效率直接影響到原油的回收率和開發效
率。無法自然破乳，分離油相和水相就需要添加大
量的化學試劑作為破乳劑，這不僅提高了開采成本
還使得工藝更加復雜。因此，如何有效地破乳，提
高油包水乳狀液的分離效率，是稠油開發中需要解
決的。
3）油包水乳化體系的推廣應用也面臨挑戰。
不因局限于室內實驗，在室內研究的基礎上還應進
行成果轉化，更好地投入實踐應用中。
綜上所述，油包水乳化體系的研究雖然取得了
進展，但仍面臨諸多挑戰。未來的研究需要在這三
個主要方面取得突破，使得稠油乳化技術得到了進
一步發展和應用。
4. 2 水包油（O/W）乳化體系
水包油乳化體系通過乳化降黏提高稠油采收
率，在開采中得到廣泛應用，但仍存在以下問題需
要解決：
1）乳化劑對地層的適應性差。在水包油乳化
精 細 石 油 60 化 工 2025年11月
體系中使用的乳化劑絕大多數屬于水溶性表面活
性劑，這些乳化劑會因為鹽敏效應和鹽析作用在高
礦化度地層中與高價陽離子發生沉淀，并且在高溫
條件下，部分乳化劑氫鍵作用會被削弱或者破壞，
導致其溶解性變差，導致其性能降低。
2）水包油乳狀液穩定性不足。在常規實驗室
靜態實驗條件下形成的穩定乳狀液，會因油-水界
面膜強度不足，導致在儲層開采中易受到地層剪切
和溫度的影響而發生破乳。
3）乳化劑成本較高。稠油乳化通常需要乳化
劑濃度大于1%，并且需復配聚合物來復配使用，其
次為了提高油-水乳液的穩定性會添加納米顆粒等
材料，穩定性得到提高就會導致破乳能耗增加，因
此乳化和破乳的矛盾存在使得水包油乳化開采成
本高。
綜上所述，水包油乳化體系目前研究的重點應
該是提高乳化劑的熱穩定性和耐鹽性，并且在保證
其性能的前提下減少開采成本。
5 結束語
a. 目前為止，乳化機理可以分為通過稠油本身
瀝青質與膠質形成的自乳化，和通過乳化劑等外部
條件形成的乳化。自乳化主要依賴于稠油中的天
然乳化劑（如瀝青質和膠質），促進乳狀液的形成和
穩定。而通過外部乳化劑的作用，乳化劑分子吸附
在油水界面，降低界面張力，形成穩定的乳液體系。
b. 乳化劑是促進乳化過程并穩定乳狀液的關
鍵物質，其種類復雜多樣，性質也各不相同，乳化劑
的選擇對稠油乳化的效果至關重要。常見的乳化
劑包括天然乳化劑、常規表面活性劑以及納米顆
粒。針對不同稠油油藏的特性，選擇合適的乳化劑
可以顯著提高稠油采收率。
c. 乳化體系主要分為油包水體系和水包油體
系，目前油包水和水包油體系都存在不少問題有待
解決，但是相較之下水包油體系在稠油開采過程中
的應用更為廣泛，尤其是在化學驅中，能夠顯著降
低稠油黏度并提高乳狀液的穩定性。
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RESEARCH PROGRESS OF EMULSIFICATION SYSTEM FOR
HEAVY OIL COLD RECOVERY
Wang Hongyang1， Cai Xiangxi2，3， Li Tianle2， An Yuxiu2
（1. Research Institute of Petroleum Exploration &amp;amp; Development， PetroChina， Beijing 100083， China；
2. School of Engineering and Technology， Chian University of Geosciences（ Beijing）， Beijing 100083， China
3. Zhengzhou Research Institute of China University of Geosciences（ Beijing）， Zhengzhou 451283，
He’nan， China）
Abstract： Heavy oil emulsification is one of the core technologies that effectively improves the efficiency of heavy oil
recovery. This paper summarizes the emulsification mechanisms of heavy oil， including self-emulsification and
emulsifier-assisted emulsification， to reveal its important role in the processes of heavy oil recovery. It also reviews
the research progress of natural emulsifiers， conventional surfactants and nanoparticles in heavy oil. Finally， the two
major heavy oil emulsification systems and the challenges faced by each system are analyzed. Understanding heavy
oil emulsification can further develop heavy oil resources， which is of great significance for ensuring energy supply
and promoting economic development.
Key words： heavy oil； emulsion； emulsifiers； emulsification mechanism

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