適用界面活性剤油田生産において
1. 重油採掘に使用される界面活性剤
重油は粘度が高く流動性が低いため、採掘に多くの困難をもたらします。これらの重油を抽出するためには、高粘度の重油を低粘度の水中油型エマルジョンに変換し、地表に抽出するために、界面活性剤の水溶液を坑底に注入する必要がある場合があります。この重油乳化および粘度低下法で使用される界面活性剤には、アルキルスルホン酸ナトリウム、ポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンポリエンポリアミン、ポリオキシエチレンビニルアルキルアルコールエーテル硫酸ナトリウム塩などがあります。生成された水中油型エマルジョンは、水を分離し、脱水のために脱乳化剤としていくつかの工業用界面活性剤を使用する必要があります。これらの脱乳化剤は、水中油型エマルジョンです。一般的に使用されるのは、カチオン界面活性剤またはナフテン酸、アスファルトン酸、およびそれらの多価金属塩です。
特殊な重質油は従来のポンプ設備では採掘できず、熱回収のために蒸気注入が必要となる。熱回収効果を高めるには、界面活性剤を使用する必要がある。蒸気注入井に発泡剤、すなわち耐高温性発泡剤と非凝縮性ガスを注入することは、一般的に用いられる調整方法の一つである。
一般的に使用される発泡剤は、アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩、石油スルホン酸塩、スルホヒドロカルビル化ポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテル、スルホヒドロカルビル化ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテルなどである。フッ素系界面活性剤は表面活性が高く、酸、アルカリ、酸素、熱、油に対して安定であるため、高温発泡剤として理想的である。分散油が地層の細孔構造を容易に通過できるように、または地層表面の油を容易に押し出すためには、膜拡散剤と呼ばれる界面活性剤を使用する必要がある。一般的に使用されるのは、オキシアルキル化フェノール樹脂ポリマー表面活性剤である。
- ワックス状原油の採掘用界面活性剤
ワックス質の原油の採掘には、頻繁なワックス防止とワックス除去が必要です。界面活性剤はワックス抑制剤およびワックス除去剤として作用します。ワックス防止には、油溶性界面活性剤と水溶性界面活性剤が使用されます。前者は、ワックス結晶表面の特性を変化させることでワックス防止の役割を果たします。一般的に使用される油溶性界面活性剤は、石油スルホン酸塩とアミン界面活性剤です。水溶性界面活性剤は、ワックスが形成された表面（オイルパイプ、サックロッド、機器表面など）の特性を変化させることでワックス防止の役割を果たします。使用可能な界面活性剤には、アルキルスルホン酸ナトリウム、第四級アンモニウム塩、アルカンポリオキシエチレンエーテル、芳香族炭化水素ポリオキシエチレンエーテルおよびそれらのスルホン酸ナトリウム塩などがあります。ワックス除去に使用される界面活性剤も、2つの側面から分類されます。油溶性界面活性剤は油性ワックス除去剤に使用され、水溶性界面活性剤としてはスルホン酸塩型、第四級アンモニウム塩型、ポリエーテル型、Tween型、OP型界面活性剤、硫酸塩系またはスルホアルキル化フラット型およびOP型界面活性剤などが挙げられる。界面活性剤は水性ワックス除去剤に使用されます。近年、国内外のワックス除去剤が有機的に組み合わされ、油性ワックス除去剤と水性ワックス除去剤が有機的に組み合わされてハイブリッドワックス除去剤が製造されています。このワックス除去剤は、油相として芳香族炭化水素と混合芳香族炭化水素を使用し、水相としてワックス除去効果のある乳化剤を使用します。選択された乳化剤が適切な曇点を持つ非イオン界面活性剤である場合、油井のワックス形成部より下の温度がその曇点に達するかそれを超えることができるため、混合ワックス除去剤はワックス形成部に入る前に乳化が破壊され、2つのワックス除去剤が分離され、同時にワックス除去の役割を果たします。
3. 界面活性剤粘土の安定化に用いられる
粘土の安定化は、粘土鉱物の膨張防止と粘土鉱物粒子の移動防止という2つの側面から捉えることができる。粘土の膨潤防止には、アミン塩型、第四級アンモニウム塩型、ピリジニウム塩型、イミダゾリン塩型などのカチオン系界面活性剤が用いられる。粘土鉱物粒子の移動防止には、フッ素含有非イオン性カチオン系界面活性剤が利用できる。
4. 界面活性剤酸性化対策に用いられる
酸性化効果を高めるために、一般的に酸溶液に様々な添加剤が加えられます。酸溶液と適合し、容易に吸着される界面活性剤であれば、酸性化抑制剤として使用できます。例えば、カチオン界面活性剤では脂肪族アミン塩酸塩、第四級アンモニウム塩、ピリジン塩、両性界面活性剤ではスルホン化、カルボキシメチル化、リン酸エステル化、硫酸エステル化ポリオキシエチレンアルカンなどが挙げられます。ドデシルスルホン酸とそのアルキルアミン塩などの界面活性剤は、酸性液体を油中に乳化させて油中酸エマルジョンを生成できます。このエマルジョンは酸性化工業用液体として使用できるだけでなく、酸性化抑制剤としても機能します。
一部の界面活性剤は、液体を酸性化するための乳化防止剤として使用できます。ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンプロピレングリコールエーテルやポリオキシエチレンポリオキシプロピレンペンタエチレンヘキサアミンなどの分岐構造を持つ界面活性剤は、酸性化乳化防止剤として使用できます。
界面活性剤の中には、酸性度が低い排水促進剤として使用できるものがあります。排水促進剤として使用できる界面活性剤には、アミン塩型、第四級アンモニウム塩型、ピリジニウム塩型、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤、フッ素含有界面活性剤などがあります。
アルキルフェノール、脂肪酸、アルキルベンゼンスルホン酸、第四級アンモニウム塩などの油溶性界面活性剤など、一部の界面活性剤は酸性化スラッジ防止剤として使用できます。これらの界面活性剤は酸への溶解性が低いため、非イオン性界面活性剤を用いて酸性溶液中に分散させることができます。
酸性化効果を向上させるためには、酸性溶液に濡れ性反転剤を添加して、坑井近傍領域の濡れ性を親油性から親水性に反転させる必要がある。ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルアルコールエーテルとリン酸塩化ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルアルコールエーテルの混合物は、地層に吸着されて第3の吸着層を形成し、これが濡れ性と反転に寄与する。
さらに、脂肪族アミン塩酸塩、第四級アンモニウム塩、非イオン性・陰イオン性界面活性剤などの界面活性剤が発泡剤として使用され、発泡酸性作動流体を製造して腐食を遅らせ、深層酸性化を実現する。あるいは、これらの界面活性剤から泡を作り、酸性化の前処理液として使用する。泡を地層に注入した後、酸溶液を注入する。泡中の気泡によって生じるジャミン効果により、酸性液の流れが分散され、酸性液が主に低浸透性層を溶解するように強制されるため、酸性化効果が向上する。
5. 破砕対策に使用される界面活性剤
フラクチャリングは、浸透率の低い油田でよく用いられる手法です。圧力を利用して地層を開放し、亀裂を形成し、プロパントを用いて亀裂を支えることで流体抵抗を低減し、生産量と油井の集中度を高めることを目的としています。フラクチャリング液の中には、界面活性剤を成分の一つとして配合しているものもあります。
水中油型破砕液は、水、油、および乳化剤から構成されます。使用される乳化剤は、イオン性、非イオン性、および両性界面活性剤です。増粘水を外相として、油を内相として用いると、増粘水中油型破砕液（ポリマーエマルジョン）を調製できます。この破砕液は160℃以下の温度で使用でき、エマルジョンを自動的に破壊して流体を排出することができます。
発泡破砕液は、分散媒として水、分散相としてガスを用いる破砕液です。主な成分は水、ガス、発泡剤です。発泡剤としては、アルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキル硫酸エステル塩、第四級アンモニウム塩、OP系界面活性剤などが使用できます。水中の発泡剤濃度は一般的に0.5～2%で、ガス相体積と発泡体体積の比は0.5～0.9の範囲です。
油性破砕液とは、油を溶媒または分散媒として配合した破砕液のことです。現場で最も一般的に使用される油は、原油またはその重質留分です。粘度と温度特性を改善するために、油溶性石油スルホン酸塩（分子量300～750）を添加する必要があります。油性破砕液には、水中油型破砕液と油泡型破砕液も含まれます。前者に使用される乳化剤は、油溶性アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、および非イオン界面活性剤であり、後者に使用される泡安定剤は、フッ素含有ポリマー界面活性剤です。
水に敏感な地層を破砕するための流体は、分散媒としてアルコール（エチレングリコールなど）と油（灯油など）の混合物、分散相として液体二酸化炭素、乳化剤として硫酸塩ポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテルを使用する。あるいは、発泡剤を用いて水に敏感な地層を破砕するための乳化液または泡状物質を用いる。
破砕と酸性化に用いられる破砕液は、破砕液と酸性化液の両方の機能を兼ね備えています。炭酸塩岩層で使用され、破砕と酸性化は同時に行われます。界面活性剤に関連するものとして、酸性フォームと酸性エマルジョンがあります。前者は発泡剤としてアルキルスルホン酸塩またはアルキルベンゼンスルホン酸塩を使用し、後者は乳化剤としてスルホン酸塩界面活性剤を使用します。酸性化液と同様に、破砕液も界面活性剤を抗乳化剤、排水促進剤、および湿潤反転剤として使用しますが、ここではそれらについては触れません。
6. 表面形状制御および防水対策として界面活性剤を使用する
水圧入開発効果を向上させ、原油の含水率の上昇率を抑制するためには、水圧入井における吸水プロファイルを調整し、生産井における吸水遮断によって生産量を増加させる必要がある。プロファイル制御や吸水遮断の方法の中には、界面活性剤を用いるものもある。
HPC/SDSゲルプロファイル制御剤は、ヒドロキシプロピルセルロース（HPC）とドデシル硫酸ナトリウム（SDS）を淡水に溶解させたものである。
アルキルスルホン酸ナトリウムとアルキルトリメチルアンモニウムクロリドをそれぞれ水に溶解して2種類の作動液を調製し、これらを順次地層に注入する。地層内で2種類の作動液が反応してアルキルトリメチルアミンを生成する。生成された亜硫酸塩が沈殿し、高浸透性層を閉塞する。
ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、アルキルアリールスルホン酸塩などは発泡剤として使用でき、水に溶解して作動流体を調製し、液体二酸化炭素作動流体と交互に地層に注入すると、地層（主に高浸透層）内で泡が形成され、閉塞が生じ、プロファイル制御の役割を果たす。
硫酸アンモニウムと水ガラスからなるケイ酸ゾルに第四級アンモニウム界面活性剤を発泡剤として溶解させ、これを地層に注入した後、非凝縮性ガス（天然ガスまたは塩素）を注入することで、まず地層内に液状形態を生成できる。分散層内の泡は、続いてケイ酸ゾルのゲル化によって固体を分散媒体とする泡となり、高浸透層を塞ぎ、プロファイルを制御する役割を果たす。
スルホン酸系界面活性剤を発泡剤として、ポリマー化合物を増粘安定剤として用い、ガスまたはガス発生物質を注入することで、地上または地層内に水性フォームを生成する。このフォームは油層内で界面活性を示す。薬剤の大部分が油水界面に移動し、フォームを破壊するため、油層を遮断しない。選択的な油井水遮断剤である。
油性セメント系止水剤は、セメントを油に懸濁させたものである。セメントの表面は親水性である。セメントが産水層に浸透すると、セメント表面で油井とセメント間の相互作用が水によって阻害され、セメントが固化して産水層を遮断する。この止水剤の流動性を向上させるため、通常はカルボン酸塩やスルホン酸塩などの界面活性剤が添加される。
水系ミセル液状水溶性止水剤は、石油アンモニウムスルホン酸塩、炭化水素、アルコールを主成分とするミセル溶液である。形成中に高濃度の塩水を含み、粘性を高めることで止水効果を発揮する。
水性または油性のカチオン界面活性剤溶液の止水剤は、アルキルカルボン酸塩およびアルキルアンモニウムクロリド塩の活性剤に基づいており、砂岩層にのみ適しています。
活性重油水遮断剤は、重油に油中水型乳化剤を溶解させたものです。地層から脱水処理を行った後、高粘度の油中水型エマルジョンを生成し、水遮断の目的を達成します。
水中油型止水剤は、カチオン系界面活性剤を水中油型乳化剤として用いて、重油を水中で乳化することによって調製される。
7. 界面活性剤を用いて砂の拡散を抑制する
砂制御作業を行う前に、界面活性剤を用いて調製した一定量の活性水を前処理液として注入し、地層を前洗浄することで砂制御効果を高める必要がある。現在、最も一般的に使用されている界面活性剤は陰イオン界面活性剤である。
8．原油脱水用界面活性剤
原油の一次および二次回収段階では、抽出された原油に対して水中油型脱乳化剤がよく使用されます。これまでに3世代の製品が開発されています。第1世代はカルボン酸塩、硫酸塩、スルホン酸塩です。第2世代はOP、Pingpingjia、スルホン化ヒマシ油などの低分子非イオン界面活性剤です。第3世代はポリマー非イオン界面活性剤です。
二次石油回収および三次石油回収の後期段階では、生産される原油は主に水中油型エマルジョンの形で存在します。使用される脱乳化剤には、テトラデシルトリメチルオキシアンモニウムクロリドやジデシルジメチルアンモニウムクロリドなど、4種類があります。これらは、陰イオン性乳化剤と反応して親水性油バランス値を変化させたり、親水性粘土粒子の表面に吸着して濡れ性を変化させ、水中油型エマルジョンを破壊したりします。さらに、水中油型乳化剤として使用できる一部の陰イオン性界面活性剤や油溶性非イオン性界面活性剤も、水中油型エマルジョンの脱乳化剤として使用できます。
- 水処理用界面活性剤
油井生産流体を原油から分離した後、生産水は再注入要件を満たすように処理する必要があります。水処理には、腐食抑制、スケール防止、殺菌、酸素除去、油分除去、固形懸濁物質除去の6つの目的があります。そのため、腐食抑制剤、スケール防止剤、殺菌剤、酸素除去剤、脱脂剤、凝集剤などを使用する必要があります。以下は、工業用界面活性剤に関する側面です。
腐食抑制剤として使用される工業用界面活性剤には、アルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、直鎖アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩、アルキルピリジン塩、イミダゾリンおよびその誘導体の塩、ポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテル、ポリオキシエチレンジアルキルプロパルギルアルコール、ポリオキシエチレンロジンアミン、ポリオキシエチレンステアリルアミンおよびポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテルアルキルスルホン酸塩、各種第四級アンモニウム内部塩、ジ（ポリオキシエチレン）アルキル内部塩およびその誘導体が含まれます。
防汚剤として使用される界面活性剤には、リン酸エステル塩、硫酸エステル塩、酢酸塩、カルボン酸塩、およびそれらのポリオキシエチレン化合物が含まれる。スルホン酸エステル塩およびカルボン酸塩の熱安定性は、リン酸エステル塩および硫酸エステル塩の熱安定性よりも著しく優れている。
殺菌剤に使用される工業用界面活性剤には、直鎖アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、イミダゾリンおよびその誘導体の塩、各種第四級アンモニウム塩、ジ（ポリオキシ）ビニルアルキルおよびその誘導体の内部塩などがある。
脱脂剤に使用される工業用界面活性剤は、主に分岐構造とジチオカルボン酸ナトリウム基を有する界面活性剤である。
10. 化学油圧入用界面活性剤
一次および二次原油回収では、地下原油の25～50%を回収できますが、地下には回収できない原油がまだ大量に残っています。三次原油回収を行うことで、原油回収率を向上させることができます。三次原油回収では、主に化学フラッディング法が用いられます。これは、注入水に化学薬品を添加して、水圧入効率を高める方法です。使用される化学薬品の中には、工業用界面活性剤などがあります。以下に、それらの簡単な紹介をします。
界面活性剤を主成分とする化学油圧入法は、界面活性剤圧入法と呼ばれます。界面活性剤は、主に油水界面張力を低下させ、毛細管の数を増やすことで、原油回収率を向上させる役割を果たします。砂岩層の表面は負に帯電しているため、使用される界面活性剤は主に陰イオン界面活性剤であり、そのほとんどはスルホン酸系界面活性剤です。スルホン酸系界面活性剤は、スルホン化剤（三酸化硫黄など）を用いて芳香族炭化水素含有量の高い石油留分をスルホン化し、その後アルカリで中和することによって製造されます。その仕様は、有効成分50～80%、鉱油5～30%、水2～20%、硫酸ナトリウム1～6%です。石油スルホン酸塩は、温度、塩分、高価な金属イオンに対して耐性がありません。合成スルホン酸塩は、対応する炭化水素から対応する合成方法を用いて製造されます。中でも、α-オレフィンスルホン酸塩は、塩分や高価金属イオンに対して特に耐性があります。油置換には、他の陰イオン性・非イオン性界面活性剤やカルボン酸系界面活性剤も使用できます。界面活性剤による油置換には、2種類の添加剤が必要です。1つはイソブタノール、ジエチレングリコールブチルエーテル、尿素、スルホラン、アルケニレンベンゼンスルホン酸塩などの共界面活性剤で、もう1つは酸塩やアルカリ塩などの誘電体で、主に塩類です。これらは界面活性剤の親水性を低下させ、親油性を相対的に高め、活性剤の親水性・親油性バランス値を変化させます。界面活性剤の損失を減らし、経済効果を高めるために、界面活性剤フラッディングでは犠牲剤と呼ばれる化学物質も使用します。犠牲剤として使用できる物質には、アルカリ性物質、ポリカルボン酸とその塩類などがあります。オリゴマーやポリマーも犠牲剤として使用できます。リグノスルホン酸塩とその変性物も犠牲剤です。
2種類以上の化学油置換主剤を使用する油置換法は、複合フラッディングと呼ばれます。界面活性剤に関連するこの油置換法には、界面活性剤とポリマー増粘界面活性剤フラッディング、アルカリ＋界面活性剤または界面活性剤強化アルカリフラッディングによるアルカリ強化界面活性剤フラッディング、アルカリ＋界面活性剤＋ポリマーによる元素ベースの複合フラッディングなどがあります。複合フラッディングは一般的に、単一駆動よりも高い回収率を有します。国内外の現在の開発動向の分析によると、三成分複合フラッディングは二成分複合フラッディングよりも高い利点があります。三成分複合フラッディングで使用される界面活性剤は主に石油スルホン酸塩であり、耐塩性を向上させるために、通常は硫酸、リン酸、ポリオキシエチレンアルキルアルコールエーテルのカルボン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルアルコールアルキルスルホン酸ナトリウム塩などと組み合わせて使用されます。近年、国内外でラムノリピド、ソホロリピド発酵液などのバイオ界面活性剤、天然混合カルボン酸塩、製紙副産物アルカリリグニンなどの研究と利用が非常に重視されており、現場および室内試験で優れた油置換効果を発揮するなど、大きな成果を上げています。
投稿日時：2023年12月26日