李國倉

大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司（黑龍江大慶163710）

■質(zhì)量

發(fā)泡劑體系配方篩選和優(yōu)化研究

李國倉

大慶油田工程建設(shè)有限公司安裝公司（黑龍江大慶163710）

為了優(yōu)化適用于大慶油田應(yīng)用的發(fā)泡劑體系，通過對7種表面活性劑和6種穩(wěn)泡劑的泡沫及界面性能分析，篩選出了FL和HPAM發(fā)泡劑體系，并優(yōu)化出了FL濃度為0.3%、HPAM濃度0.1%的最佳配比。發(fā)泡劑體系可同時滿足起泡體積大于150 mL，泡沫半衰期大于30min，且能形成超低界面張力。該發(fā)泡劑體系配方在油田泡沫復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場試驗，應(yīng)用效果良好。

泡沫界面性能；表面活性劑；穩(wěn)泡劑；發(fā)泡劑體系

大慶油田已進入高含水開發(fā)后期，開展有效的三次采油技術(shù)研究是確保油田穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。聚合物驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)被大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，三元復(fù)合驅(qū)也取得了一定效果。盡管如此，仍有約50%的剩余油留在地下[1-2]。為了挖掘這部分潛力，必須研究比聚合物驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)更好的三次采油方法。泡沫是氣體分散于發(fā)泡劑溶液中所組成的分散體系，是一種黏彈性流體[3]，具有比聚合物更大的滲流阻力，因此泡沫驅(qū)是一種很有潛力的提高采收率技術(shù)。泡沫流體應(yīng)用于三次采油，在國內(nèi)外已有幾十年的歷史，并取得了肯定的效果[4-7]。

發(fā)泡劑的起泡和穩(wěn)泡性能好壞，影響泡沫在地下油藏多孔介質(zhì)中的傳播距離和擴大波及體積的效果。而發(fā)泡劑的界面性能影響驅(qū)油效率，發(fā)泡劑的界面張力越低，其驅(qū)油效率越高。因此，具有較好起泡性能、穩(wěn)泡性能和低界面張力的發(fā)泡劑可以同時起到擴大波及體積和提高驅(qū)油效率作用，可以大幅提高泡沫復(fù)合驅(qū)的最終采收率。

為了優(yōu)化適用于大慶油田應(yīng)用的發(fā)泡劑體系配方，針對發(fā)泡劑配方起泡性及泡沫穩(wěn)定性影響因素復(fù)雜、不能有效降低界面張力等問題，開展了運用質(zhì)量管理方法提高發(fā)泡劑配方的泡沫及界面性能，收到了良好的效果。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

主要試劑：α-烯烴磺酸鈉（AOS），十二烷基硫酸鈉（SDS），脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)，非離子雙子表活劑（FL），烷基磺酸鹽（RDF），十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），烷基甜菜堿（CD），聚合物（HPAM），低分子量醇（FE），羧甲基纖維素（CMC），羥乙基纖維素（HEC），聚乙二醇（PEG），氮氣，原油(大慶脫水原油）。

主要儀器：全自動泡沫掃描儀，界面張力儀TX-500C。

1.2 實驗方法

泡沫起泡性和穩(wěn)泡性測定：泡沫掃描儀采用鼓氣方式產(chǎn)生泡沫，在鼓氣結(jié)束后測量泡沫的最大體積，即泡沫的起泡體積。泡沫體積衰減一半，所用的時間記為泡沫半衰期。泡沫掃描儀自動控制氣體流速、流量及進氣時間，自動監(jiān)測表面活性劑溶液的起泡體積和泡沫半衰期。本實驗在45℃樣品池中注入50mL發(fā)泡劑，預(yù)熱20min后，通入氮氣，氣體流速為30mL/min，進氣時間為5min。測定表面活性劑溶液的起泡體積和泡沫半衰期。

界面張力測定：選用TX-500C界面張力儀進行測量，樣品均由污水配制，實驗溫度45℃，轉(zhuǎn)速為5 000r/min，平衡2 h讀取界面張力值。

2 結(jié)果與討論

2.1不同種類表面活性劑的泡沫性能分析

針對表面活性劑的泡沫及界面性能差，調(diào)研國內(nèi)外文獻及相關(guān)報道，選擇了國內(nèi)外常用且泡沫性能好的不同種類、不同分子結(jié)構(gòu)的7種表面活性劑，評價其起泡性能、穩(wěn)泡性及界面張力。不同類型表面活性劑的起泡性如圖1所示。

圖1 不同表面活性劑的起泡性

由圖1可知，表面活性劑濃度超過一定值后，起泡體積趨于平穩(wěn)。不同表面活性劑的起泡體積有一定差別，SDBS和RDF起泡性能較差，其余5種表面活性劑起泡體積均接近160mL。

不同類型表面活性劑的泡沫穩(wěn)定性如圖2所示。由圖2可知，隨著表面活性劑濃度的增加，泡沫的穩(wěn)定性增加，但是當(dāng)濃度達到一定值時，泡沫的半衰期開始隨著表面活性劑濃度的增加而減小。其中CD的泡沫穩(wěn)定性最好，RDF泡沫穩(wěn)定性次之，SDBS的泡沫穩(wěn)定性較差。不同類型表面活性劑的親水基團的結(jié)構(gòu)、大小和電性存在較大差異，導(dǎo)致表面活性劑分子在氣液界面上排列方式及緊密程度不同，因此不同表面活性劑的起泡體積和泡沫半衰期差別較大。通過不同表面活性劑的起泡性和穩(wěn)泡性綜合分析可知，SDS、AES、FL和CD具有較好的泡沫性能。

2.2不同種類表面活性劑的界面性能分析

不同表面活性劑的界面張力如表1所示。表面活性劑濃度為0.1%，F(xiàn)L與大慶原油可以形成超低界面張力，RDF與大慶原油的界面張力低于1mN/m，而其余5種不同表面活性劑與原油的界面張力較高。結(jié)合不同表面活性劑泡沫性能，確定FL為發(fā)泡劑體系配方中的最佳表面活性劑。

圖2 不同表面活性劑的泡沫穩(wěn)定性

表1 不同發(fā)泡劑的界面張力

每個FL分子中有兩個烷基親油基團，一個非離子親水基團，F(xiàn)L分子的油溶性好于其余6種表面活性劑，F(xiàn)L分子更趨向于在原油界面緊密排列，使油水界面張力達到超低。其余6種表面活性劑均為離子型表面活性劑，每個表面活性劑分子只有一個烷基親油基團，導(dǎo)致其降低界面張力效果較FL差。

2.3穩(wěn)泡劑種類優(yōu)化

針對穩(wěn)泡劑對表面活性劑泡沫性能及界面性能的影響，通過調(diào)研文獻及相關(guān)報道，選用6種常用的穩(wěn)泡劑，不同穩(wěn)泡劑對FL的起泡體積和泡沫穩(wěn)定性影響如表2所示。FL濃度為0.3%，穩(wěn)泡劑濃度為0.1%。

由表2可知，穩(wěn)泡劑對FL起泡體積影響較小，其中CMC和HPAM使FL的起泡體積略有降低，其余4種穩(wěn)泡劑使FL的起泡體積增大。FL溶液中加入不同穩(wěn)泡劑后，泡沫穩(wěn)定性差異較大，其中FE、HEC、PEG6使FL的泡沫穩(wěn)定性減弱，而CMC、PEG2、HPAM使FL的泡沫穩(wěn)定性出現(xiàn)不同程度增強，其中HPAM效果最好，泡沫半衰期增加超過一倍。因此，發(fā)泡劑體系配方選用HPAM作為穩(wěn)泡劑。

表2 不同穩(wěn)泡劑對FL泡沫性能的影響

2.4發(fā)泡劑體系性能優(yōu)化

為優(yōu)選出適合大慶油田的發(fā)泡劑體系，對FL和HPAM發(fā)泡劑體系配方進行泡沫及界面性能優(yōu)化，不同濃度FL和HPAM發(fā)泡劑體系的泡沫性能如圖3所示。FL和HPAM發(fā)泡劑體系中，F(xiàn)L濃度大于0.3%，起泡體積趨于穩(wěn)定，體系中HPAM濃度增加，起泡體積減小。FL和HPAM發(fā)泡劑體系泡沫半衰期隨無堿發(fā)泡劑和聚合物濃度增加而增加，不同濃度發(fā)泡劑體系配方的泡沫半衰期均明顯大于30 min。由于體系中HPAM分子增多，F(xiàn)L分子與HPAM、HPAM與HPAM分子間作用力及纏繞作用增強[9-10]，這些作用導(dǎo)致泡沫液膜更加穩(wěn)定，因此泡沫穩(wěn)定性增強。但當(dāng)HPAM質(zhì)量濃度大時，F(xiàn)L和 HPAM體系黏度高，起泡性降低。

圖3 FL和HPAM發(fā)泡劑體系的泡沫性能

由表3可知，不同濃度發(fā)泡劑體系配方的界面張力均可達到超低。FL和HPAM發(fā)泡劑體系配方中FL濃度低于0.3%時，界面張力變化趨于平穩(wěn)，而FL濃度大于0.3%時，界面張力明顯增大。這是由于FL在油和水兩相的分配系數(shù)等于1時，界面張力最小[11]。FL濃度較高時，在膠束中增溶或油相的分布破壞了這種分配系數(shù)等于1的平衡，使FL和HPAM發(fā)泡劑體系界面張力反而增大。

FL和HPAM發(fā)泡劑體系配方中HPAM濃度為0.15%時，界面張力明顯增大，在HPAM濃度較低時界面張力變化不是很明顯。由于HPAM濃度增加，體系黏度逐漸增加，F(xiàn)L分子在高黏度體系中的運動非常困難，使油水界面分布的FL分子排列改變，導(dǎo)致FL和HPAM發(fā)泡劑體系的界面張力增大[12]。

表3 FL和HPAM發(fā)泡劑體系的界面張力

2.5應(yīng)用情況分析

通過篩選和優(yōu)化得到了適合大慶油田泡沫復(fù)合驅(qū)礦場試驗所需的發(fā)泡劑體系配方。目前該發(fā)泡劑體系配方已經(jīng)在大慶油田泡沫復(fù)合驅(qū)試驗得到應(yīng)用，試驗區(qū)共有注入井6口，共需注入表面活性劑2 300t，每噸發(fā)泡劑體系配方的成本比三元發(fā)泡劑體系配方節(jié)約1.06萬元。

3 結(jié)論

1）通過對不同表面活性劑起泡性和穩(wěn)泡性的綜合分析，SDS、AES、FL和CD具有較好的泡沫性能，F(xiàn)L與大慶原油可以形成超低界面張力，HPAM穩(wěn)泡效果最好。

2）FL濃度為0.3%，HPAM濃度為0.1%，二元發(fā)泡劑體系的泡沫及界面性能最優(yōu)，其起泡體積大于160mL，泡沫半衰期接近60min，同時界面張力可以達到超低水平。

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In order tooptimize the foaming agentsystem applied to Daqing Oilfield,7 kinds of surfactantand 6 kinds of foam stabilizer were provioled.Based on the foaming properties and interfacial propertiesof the systems composed of the surfactants and the foam stabi?lizers,the foamingagentsystem consisting of surfactantFL and foam stabilizer HPAM wasscreened out,and an optimal formulation com?posed of 0.3%surfactant FL and 0.1%foam stabilizer HPAM was obtained.The optimal formulation system canmeet the foaming vol?ume ofmore than 150mL,the foam half-life ofmore than 30m in,and can form a super low interfacial tension.Ithasa good field app li?cation effect in DaqingOilfield.

interface performanceof foam;surfactant;foam stabilizer;foamingagentsystem

左學(xué)敏

2015-12-16

國家科技重大專項(編號：2011ZX05010-005)。

李國倉（1982-），男，工程師，現(xiàn)主要從事科研設(shè)計工作。