界面扩张黏弹性是油水界面膜的重要动态性质，其微观基础是发生在界面及其附近的微观弛豫过程。本文系统梳理了界面扩张弹性在化学驱油中的作用机理，分析了聚合物溶液、表面活性剂体系及复合驱体系的界面扩张流变特性，阐述了界面扩张模量、弹性模量与黏性模量对残余油启动、乳化稳定性及驱油效率的影响机制，并对未来研究方向进行了展望。

1 引言

随着常规油气资源的日益枯竭，提高原油采收率（Enhanced Oil Recovery, EOR）技术的研究愈发重要。化学驱作为主要的提高采收率方法之一，包括聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱及多元复合驱等。传统研究主要关注驱油体系的界面张力、黏度等宏观性质，而近年来，界面扩张黏弹性（Interfacial Dilational Viscoelasticity）在驱油过程中的作用逐渐受到重视。

界面扩张黏弹性反映了界面膜在受到周期性面积扰动时抵抗变形的能力，包括弹性模量（εd）和黏性模量（ηd）。这一性质与界面膜的微观结构、分子排列及弛豫过程密切相关，直接影响乳状液稳定性、残余油启动及驱替效率。研究表明，界面扩张弹性在化学驱油机理中扮演着不可忽视的角色。

2 界面扩张黏弹性的基本概念与测试方法

2.1 界面扩张模量的定义

界面扩张模量（ε）定义为界面张力变化量与相对面积变化量之比：

ε = dγ / d(lnA)

其中，γ为界面张力，A为界面面积。扩张模量可分解为弹性模量（εd）和黏性模量（ωηd），分别反映界面膜的弹性恢复能力和能量耗散特性。

2.2 测试方法

目前常用的测试方法包括：

小幅周期振荡法：通过周期性改变界面积，测量界面张力的响应，计算扩张模量和相角。

界面张力弛豫法：通过阶跃式改变界面积，记录界面张力的弛豫过程，分析微观弛豫机制。

滴外形分析法：利用悬滴或躺滴的形状变化，结合图像分析计算界面流变参数。

研究表明，不同方法各有优势：小幅周期振荡法适用于低频范围，而弛豫法可直接获得微观弛豫过程的特征参数，通过Fourier变换可得到频率谱。

3 聚合物溶液的界面扩张黏弹性与驱油机理

3.1 聚合物溶液的黏弹性特征

聚合物溶液是一种典型的黏弹性流体，其流变性质可用第一法向应力差（N1）表征。研究表明，聚合物溶液的黏弹性不仅体现在体相流变性质上，还显著影响油水界面的扩张流变行为。

刘洋等采用上随体Maxwell本构方程，对粘弹性聚合物溶液在波纹管模型中的流动及其驱替残余油膜的机理进行了分析。结果表明，粘弹性聚合物溶液产生的第一法向应力和剪切应力对油膜的携带作用大于相同粘度的牛顿流体，从而可携带部分残余油膜流动。聚合物溶液的粘弹性越强，作用于残余油膜的第一法向应力越大，对残余油膜的携带力越强，驱油效率越高。

3.2 聚合物溶液对不同类型残余油的作用机理

夏惠芬等系统研究了粘弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的机理，发现：

孔喉处残余油：当考虑黏弹性时，孔喉处可动油的临界半径大于仅考虑黏性时的临界半径，这使得一部分原来不流动的孔喉残余油滴开始流动，提高了残余油动用程度。

突扩孔隙空间残余油：单依靠聚合物溶液的黏性几乎不可能把突扩孔隙中的残余油驱替出来，但当考虑黏弹性的挤出胀大效应时，可进一步将此类残余油驱替出来。

盲端残余油：粘弹性聚合物溶液可将盲端中的残余油拉成"油丝"，形成新的油流通道——"油丝"通道。研究结果表明，残余油是被聚合物溶液"拉"出来的，而不是"推"出来的。

3.3 黏弹性驱油的力学机理

从力学角度分析，粘弹性聚合物溶液驱油效率的提高主要归因于：

第一法向应力差：在流动方向产生法向应力，对流动通道盲端中的残余油产生"拉拽"作用。

剪切应力：平行于界面的拖动力，以及拖动油滴旋转产生的离心力，有助于剥离孔壁上的油膜。

挤出胀大效应：粘弹性流体在通过狭窄孔喉后发生的膨胀行为，可扰动并驱替突扩区域的残余油。

研究表明，多孔介质越不规则，产生的第一法向应力越大，越有利于聚合物发挥粘弹性效应。

4 表面活性剂体系的界面扩张黏弹性

4.1 表面活性剂对界面扩张性质的影响

表面活性剂在油水界面的吸附显著改变界面膜的扩张流变性质。研究表明：

加入表面活性剂后，界面膜的弹性模量和扩张模量迅速降低，而黏性模量先增大后减小。

扩张模量、弹性模量和黏性模量均随振荡频率的增大而增大。

界面上发生的主要弛豫过程为扩散弛豫，但高浓度时分子间相互作用（如空间位阻）的影响更为显著。

4.2 碱驱体系的界面扩张流变与采收率关系

Wang等研究了庄西原油/NaOH溶液界面的扩张流变性质，发现：

能够提高采收率的碱体系主要取决于其界面扩张流变性质，而非界面张力。

界面扩张弹性越大，采收率越高；界面扩张黏性越大，采收率越低。

这一结论与宏观驱替实验中驱替压力的变化及微观驱替实验中波及效率的变化一致。

这一发现挑战了传统观点，即超低界面张力是化学驱成功的关键。实际上，界面膜的弹性性质对残余油的启动和运移具有决定性作用。

4.3 原油活性组分的界面扩张流变

原油中的活性组分（如胶质、沥青质、酸性组分等）对界面扩张流变有显著影响。研究表明：

各类活性组分都具有界面活性，饱和分在高浓度时因酯类水解而具有较强的降低界面张力能力。

扩张弹性随质量分数增大通过一个极大值，高低顺序为：饱和分 > 芳香分 ≈ 沥青质 > 胶质 ≈ 酸性组分。

饱和分中蜡组分在高浓度时以蜡晶形式析出，大大增强界面膜强度，造成较高的弹性。

5 复合驱体系的界面扩张黏弹性

5.1 聚合物/表面活性剂二元体系

聚表二元体系结合了聚合物的黏弹性和表面活性剂的界面活性。研究发现：

聚表二元体系和表面活性剂体系的降低油/水界面张力能力更强，界面膜扩张模量较低，较聚合物体系更容易形成乳化液。

界面扩张模量越大，乳化所需的外力越大，一旦形成稳定的乳状液后界面膜的强度也越大，破乳所需的外界力量也越大。

驱油效率受乳化性质、降低界面张力能力等多因素影响。

5.2 三元复合驱体系

三元复合驱（碱/表面活性剂/聚合物）体系中，各化学剂对界面扩张性质的影响复杂：

加入聚合物或碱后，含原油活性组分的界面膜扩张性质发生明显变化，相角在某些情况下为负值。

负相角的出现与界面膜内部的慢弛豫过程有关，可能涉及界面分子的重排、构象变化等。

复合驱体系通过协同作用，既降低界面张力，又调控界面膜的黏弹性，从而提高驱油效率。

5.3 低界面张力黏弹流体

近年来，低界面张力黏弹性表面活性剂（VES）体系受到关注。该体系具有类似表面活性剂/聚合物二元复合驱的功能，但分子量小，可满足低/特低渗储层的注入性需求。

研究表明，低界面张力黏弹流体驱替剩余油时：

黏弹流体与油的剪切应力大于水与油的剪切应力，可以启动或剥离水驱后剩余油。

体系表面能降低导致残余油内聚力下降，油滴更容易发生变形。

黏弹流体通过多孔介质渗流的剪切作用，使剩余油前缘发生拉伸变形，逐渐变长变细，直至断脱成小油滴被夹带渗流。

6 界面扩张黏弹性影响驱油效率的微观机理

6.1 残余油启动机理

界面扩张弹性影响残余油启动的主要机制包括：

降低启动阻力：高弹性模量的界面膜能够抵抗变形，使油滴在受力时保持完整，不易破碎；而适当的弹性则有助于油滴在剪切力作用下发生可控变形，从而通过狭窄孔喉。

促进油丝形成：粘弹性聚合物溶液可将残余油拉伸成油丝，形成连续的油流通道。油丝的稳定性与界面膜的弹性密切相关，弹性过高或过低都不利于稳定油丝的形成。

改变润湿性：表面活性剂体系通过改变岩石表面润湿性（从油湿转为水湿），降低原油的粘附功，使残余油更容易被剥离。界面扩张流变性质与润湿性改变密切相关。

6.2 乳状液稳定性与运移

化学驱过程中常伴随乳状液的形成，乳状液的稳定性直接影响驱油效率：

界面扩张弹性越大，乳状液液滴抵抗聚并的能力越强，但过高的稳定性可能导致乳状液难以破乳，影响后续处理。

界面扩张黏弹性与液膜厚度存在数值关系，高黏弹性有助于维持液膜稳定，防止液膜破裂。

根据Gibbs准则，当扩张模量大于界面张力的一半时，泡沫/乳状液的粗化将被有效抑制。

6.3 波及效率与洗油效率

界面扩张黏弹性通过以下途径影响波及效率和洗油效率：

宏观波及效率：聚合物溶液的黏弹性改善流度比，提高注入液的波及体积。

微观洗油效率：界面扩张弹性影响残余油与岩石表面的分离、油滴的变形与运移，以及乳状液的形成与稳定。

协同效应：界面活性与乳化性能存在协同效应，界面张力并非越低越好，应根据油藏条件及驱替过程中的体系性能变化规律设计驱油配方。

7 研究展望

尽管界面扩张黏弹性在驱油机理研究方面取得了重要进展，但仍存在以下挑战与方向：

多尺度耦合机制：界面扩张黏弹性的分子机制与多孔介质中的宏观驱油效率之间的跨尺度关联尚需深入研究。

复杂油藏条件：高温、高盐、低渗等复杂油藏条件下，界面扩张流变性质的测量与评价方法需要进一步发展。

实时监测技术：开发能够在油藏条件下实时监测界面扩张流变性质的原位测试技术。

智能驱油体系设计：基于界面扩张流变性质的调控，设计具有自适应性的智能驱油体系，实现界面张力与黏弹性的协同优化。

数值模拟融合：将界面扩张流变参数纳入油藏数值模拟，建立能够描述黏弹性驱油机理的数学模型。

8 结论

界面扩张黏弹性是化学驱油体系中不可忽视的关键性质。研究表明：

聚合物溶液的黏弹性通过第一法向应力差和剪切应力对残余油产生"拉拽"和"携带"作用，显著提高微观驱油效率。

界面扩张弹性越大，采收率越高；界面扩张黏性越大，采收率越低。这一规律在碱驱体系中得到验证。

复合驱体系通过协同调控界面张力与扩张黏弹性，可实现乳化、润湿反转与油丝形成的协同增效。

界面扩张黏弹性的研究为深入理解化学驱微观机理、优化驱油体系配方提供了新的视角和理论依据。

未来研究应进一步关注界面扩张流变性质与多孔介质渗流、残余油启动、乳状液稳定性之间的定量关系，推动化学驱技术向精细化、智能化方向发展。

参考文献

[1] 夏惠芬, 王德民, 侯吉瑞, 等. 粘弹性聚合物溶液提高微观驱油效率的机理研究[J]. 石油学报, 2001, 22(4): 60-65.

[2] 刘洋, 刘春泽. 粘弹性聚合物溶液提高驱油效率机理研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2007, 31(2): 91-95.

[3] Wang Y, Ge J, Zheng Y, et al. A Study of Relationship Between Oil-Water Interfacial Dilational Rheology and Oil Recovery of Alkaline Flooding[J]. Tenside Surfactants Detergents, 2015, 52(4): 299-306.

[4] 罗澜, 张路, 方洪波, 等. 复合驱体系化学剂对原油活性组分界面扩张性质的影响[J]. 石油勘探与开发, 2004, 31(7): 79-82.

[5] 王宇慧. 东辛原油组分-地层水界面扩张流变研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2013, 26(2): 34-39.

[6] 陈龙龙. 致密砂岩油藏CO2-粘弹性流体协同驱油机理研究[D]. 中国石油大学(北京), 2022.

[7] 孙焕泉, 张雷, 吕振奎. 界面扩张流变学与提高采收率[J]. Soft Matter, 2011, 7: 7601-7611.

[8] 唐黎, 罗澜, 方洪波, 等. 弛豫法研究预交联颗粒凝胶的界面扩张流变性质[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(6): 1434-1440.

[9] 夏惠芬, 王德民, 王刚, 等. 聚合物溶液在驱油过程中对盲端类残余油的弹性作用[J]. 石油学报, 2006, 27(2): 72-76.

[10] 张立娟, 岳湘安, 任国友. 粘弹性流体驱替孔喉残余油的机理分析[J]. 油田化学, 2004, 21(3): 274-279.