王維恒， 陸俊華， 韓 倩

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術研究院，江蘇 南京 210004）

隨著頁巖氣藏的深度開發(fā)，絕大部分氣井由于地層能量衰減無法實現(xiàn)自噴，地層產(chǎn)出水無法攜帶至地面，井底積液過多，造成油壓和產(chǎn)氣量降低，需要采取多種措施排出井底積液，提高頁巖氣井的采收率。泡沫排水工藝具有施工方便、成本低、設備簡單和不影響氣井正常生產(chǎn)等優(yōu)點，被頁巖氣井廣泛采用[1-5]。泡排劑種類繁多，機理復雜[6-10]，國內(nèi)外研究人員對泡排劑機理及種類進行了大量研究，取得了較好成果。但是，受限于不同區(qū)塊的具體工況、地層溫度、壓力和返排水水質(zhì)等不同，每種泡排劑都存在一定的局限性[11-16]。

平橋南區(qū)塊地層溫度最高達100 ℃、礦化度最高達 8.0×104mg/L、地層產(chǎn)水量不穩(wěn)定（產(chǎn)水量 1～40 m3/d不等），許多頁巖氣井泡沫排水效果不佳。此前，該區(qū)塊先后試驗了多種泡排劑，加量從0.10%逐漸提高至3.00%，井底積液仍不能完全排出，產(chǎn)氣量下降嚴重，泡排效果不佳。為了保障平穩(wěn)生產(chǎn)，提高排采效率，筆者以椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）、十二烷基二甲基氧化銨（OB）和羥丙基胍膠（Guar）為原材料，復配了二元復合型泡排劑COG。室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗表明，該泡排劑具有良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡及抗溫抗鹽性能，適用于平橋南區(qū)塊泡沫排采工藝，為平橋南區(qū)塊高效開發(fā)提供了技術支持。

1 泡排劑研制思路

泡排劑主要成分為表面活性劑，不同類型表面活性劑的性能各不相同，陰離子表面活性劑具有較好的起泡性和穩(wěn)泡性，但其陽離子表面活性劑不配伍，且受鈣鎂離子影響較大；陽離子表面活性劑具有優(yōu)異的起泡、穩(wěn)泡、攜液、抗鹽及抗高溫的特性，但價格較高，很難規(guī)模使用；非離子表面活性劑具有較好的起泡能力和抗鹽能力，但在高溫下會出現(xiàn)濁點，需要和其他活性劑配合使用；兩性離子表面活性劑相容性較好，且具有優(yōu)異的抗鹽、抗高溫和穩(wěn)泡等特性[17-21]。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用效果表明，多種表面活性劑復配使用的效果明顯優(yōu)于單一表面活性劑，因此采用物理復配的方法，利用協(xié)同效應提高表面活性劑的綜合性能。

平橋南區(qū)塊地層溫度70～100 ℃，地層返排水礦化度（1～8）×104mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為300～1 100 mg/L，屬于氯化鈣水型。根據(jù)平橋南區(qū)塊的地層特征和返排水水質(zhì)情況，結(jié)合不同類型表面活性劑的特性，首先選擇合適的兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑作為泡排劑主劑，保證其發(fā)泡性能和抗溫抗鹽性能；再優(yōu)選出合適的泡排劑助劑，提高其穩(wěn)泡性能和抗溫性能。

2 二元復合型泡排劑 COG 的研制

室內(nèi)選擇多種表面活性劑和穩(wěn)泡劑，先通過單劑性能評價篩選出泡排劑主劑和泡排劑助劑，再通過正交試驗確定泡排劑的最佳配比，形成二元復合型泡排劑配方。

2.1 泡排劑主劑優(yōu)選

相同種類表面活性劑整體效果相似，又要考慮產(chǎn)品成本，故在室內(nèi)選擇性價比較高的5種表面活性劑。其中，兩性離子表面活性劑包括十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）、椰油酰胺基丙基甜菜堿（CAB）和芥酸酰胺丙基羥基磺基甜菜堿（EHSB），非離子表面活性劑包括十二烷基二甲基氧化銨（OB-2）和月桂酰胺丙基二甲基叔胺（PKO），以上材料均為工業(yè)級。

將單劑按0.10%加量配制成水溶液，采用攪拌法測量泡沫初始體積和5 min后的泡沫體積，再計算出泡沫衰減率（公式見式（1）），用來評價單劑的穩(wěn)泡性能（試驗結(jié)果見表1）。

表1 泡排劑主劑憂選試驗結(jié)果Table 1 Experimental results of main agent selection for foaming agent

式中：ω為泡沫衰減率；V0為泡沫初始體積，mL；V5為穩(wěn)泡 5 min后的泡沫體積，mL。

從表1可以看出，5種表面活性劑的發(fā)泡性能從高到低依次為EHSB＞CAB＞PKO＞BS-12＞OB，穩(wěn)泡性能從高到低依次為OB＞CAB＞PKO＞BS-12＞EHSB。EHSB的發(fā)泡性能最佳，但泡沫衰減率達42.23%，穩(wěn)泡性能較差，故優(yōu)選發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都較好的CAB和穩(wěn)泡性能最佳的OB作為泡排劑主劑，并進一步考察其與助劑的配伍性和協(xié)同性。

2.2 泡排劑助劑優(yōu)選

為了進一步增強泡排劑的綜合性能，需要添加少量助劑，用于控制泡沫大小和液膜厚度，使之能形成均勻、細膩、穩(wěn)定的泡沫，同時提高泡排劑的抗溫性能。室內(nèi)選擇三乙醇胺（TEOA）、羥丙基胍膠（Guar）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）等3種助劑，與所選主劑進行配伍性試驗。將2種主劑按1∶1質(zhì)量比混合制成泡排劑主劑，主劑和助劑再按1.00∶0.05的質(zhì)量比混合，置于恒溫箱中在100 ℃條件下老化24 h 后，按照 0.20% 加量加入礦化度為 2×104mg/L的模擬地層水中，測試其發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能，結(jié)果如圖1所示。

圖1 泡排劑加入不同助劑后的發(fā)泡及穩(wěn)泡性能Fig.1 Foaming properties and foaming stability of foaming agent after adding different auxiliary agents

從圖1可以看出，經(jīng)過100 ℃溫度老化后，不同助劑對主劑發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能的影響程度從高到低依次為Guar＞CMC-Na＞TEOA。其中，主劑與助劑Guar復配后的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都明顯優(yōu)于與另外2種助劑復配，且綜合性能優(yōu)于單一的主劑，表明Guar能起到較好的抗溫、穩(wěn)泡效果，故選擇Guar作為泡排劑助劑。

2.3 泡排劑配方研究

將優(yōu)選的主劑和助劑進行正交試驗，從而得到泡排劑體系的最佳配比。以主劑CAB、OB和助劑Guar為考察因素（因素水平見表2），按照L16（43）進行正交試驗，測試不同因素、不同水平的初始泡沫體積和5 min后的泡沫體積。復配后泡排劑加量0.10%，試驗溫度 95 ℃，礦化度 2×104mg/L，試驗結(jié)果見表3。

表2 因素水平表Table 2 Factor level

從表3可以看出，對體系綜合性能的影響程度從高到低的因素依次為CAB＞OB＞Guar，且最優(yōu)組合為A3B1C1。分析極差R可知，CAB，OB和Guar最佳質(zhì)量配比為3∶1∶0.05，故以此作為泡排劑的最佳組成質(zhì)量配比，命名為COG。

表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

3 COG 最佳加量及性能評價

3.1 COG最佳加量確定

為了優(yōu)化泡排制度，需要通過試驗確定泡排劑最佳加量。按照上述配比制備泡排劑COG，以不同加量加入清水中，在25 ℃溫度下測定不同加量下的泡沫體積，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，COG加量小于0.20%時，隨著泡排劑加量增大，V0和V5逐漸增大；加量大于0.20%后，V0和V5幾乎不變，說明泡排劑已達飽和。分析認為，加量為0.20%時，泡排劑達到臨界膠束濃度，發(fā)泡性能最佳，故推薦COG加量為0.20%，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。

胃癌是一種發(fā)病率和病死率均較高的惡性腫瘤，患者在確診時大多已屬晚期，錯過了手術的根治機會，病癥表現(xiàn)為腹水、消化道出血及胃穿孔等，為避免癌癥擴散轉(zhuǎn)移，應給予對癥治療，為控制癌變在腹腔內(nèi)轉(zhuǎn)移，提高臨床療效，現(xiàn)給予患者腹腔熱灌注化療［1‐3］。腹腔熱灌注化療（hyperthermic intraperitoneal chemotherapy，HIPC）是臨床應用較為廣泛的針對腹腔惡性腫瘤的輔助方法，在直腸癌和卵巢癌上均具有良好的治療效果［4‐6］，本研究擬通過采用多西他賽聯(lián)合順鉑、氟尿嘧啶腹腔灌注治療胃癌晚期患者的臨床效果。

表4 不同COG加量下的發(fā)泡性能Table 4 Foaming properties under different dosage of COG

3.2 抗溫性能

溫度對泡沫性能影響非常大。一般來說，溫度升高，溶液黏度和泡沫表面黏度降低，導致泡沫液膜厚度減小，使得泡沫破裂。將制備的泡排劑COG和現(xiàn)場常用的2種泡排劑（KD01、XH02）進行室內(nèi)性能試驗。KD01和XH02均是以甜菜堿類表面活性劑為主要原材料的泡排劑，與COG屬于同一類別泡排劑。3種泡排劑均以0.20%的加量配成溶液，分別在不同溫度下老化24 h后，冷卻至常溫測定其發(fā)泡性能。試驗溫度分別為30，50，70，90和100 ℃，礦化度為 2×104mg/L，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度下的初始泡沫體積Fig.2 Initial foam volume at different temperatures

由圖2和圖3可知，隨著溫度上升，3種泡排劑的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都有所下降。其中，KD01和XH02在90 ℃以下時性能良好，但在100 ℃下其發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能顯著下降，表明這2種泡排劑在100 ℃下近乎失效；而COG在100 ℃下的V0和V5與30 ℃下的相比下降幅度均較小，表明COG的抗溫性能較好，能在100 ℃以下地層中使用。

圖3 不同溫度下穩(wěn)定5 min后的泡沫體積Fig.3 Foam volume after stabilization for 5 min at different temperatures

3.3 抗鹽性能

溶液中的電解質(zhì)能減弱液膜表面的雙電層效應，使泡沫穩(wěn)定性變差，攜液能力減弱。研究表明，泡沫穩(wěn)定性隨著無機鹽質(zhì)量分數(shù)增大呈先上升后下降的趨勢，當溶液中無機鹽的質(zhì)量分數(shù)為0.025%（礦化度為250 mg/L）時，泡沫半衰期最大，泡沫攜液能力最大，此時泡沫綜合性能最佳；但當無機鹽質(zhì)量分數(shù)達到 0.10%（礦化度為 1 000 mg/L）后，無機鹽會破壞泡沫穩(wěn)定性，使泡沫攜液能力減弱。平橋南區(qū)塊頁巖氣井產(chǎn)出水的無機鹽質(zhì)量分數(shù)遠大于0.10%，對泡沫性能起抑制作用，因此抗鹽性能也是泡排劑在實際應用中非常重要的指標。在室內(nèi)對制備的泡排劑COG和現(xiàn)場所用的2種泡排劑（KD01、XH02）進行性能對比，均以0.20%的加量配成溶液，分別在100 ℃下老化24 h后，測定其在礦化度為（2～10）×104mg/L 的模擬地層水中 5 min 后的發(fā)泡性能，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同礦化度下穩(wěn)定5 min后的泡沫體積Fig.4 Foam volume after stabilization for 5 min at different salinity

從圖4可以看出，礦化度對泡排劑泡沫體積影響較大，3種泡排劑的泡沫體積均隨礦化度升高而減小，在相同礦化度下COG的泡沫體積均明顯高于其他2種泡排劑，且COG的泡沫體積下降較為平緩，表明COG具有良好的抗鹽性能，適用于產(chǎn)出水礦化度 10×104mg/L 以下的頁巖氣井。

3.4 泡排劑綜合性能對比

為貼合現(xiàn)場實際情況，將加量為0.30%（現(xiàn)場推薦使用量）的3種泡排劑溶液加入等量頁巖氣井產(chǎn)出水中，分別測試其100 ℃下老化24 h前后的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能，結(jié)果見表5。

表5 3種泡排劑在頁巖氣井產(chǎn)出水中的發(fā)泡穩(wěn)泡性能Table 5 Foaming stability performance of three forming agents in produced-water of shale gas wells

從表5可以看出：COG在100 ℃下老化前后，V0和V5的降幅不大，泡沫衰減率基本不變，表明COG具有良好的抗溫性能；在相同條件下，COG的V0、V5和泡沫降低率均優(yōu)于其他2種泡排劑，表明COG綜合性能良好，適用于平橋南區(qū)塊泡沫排采工藝。

3.5 發(fā)泡穩(wěn)泡機理初探

4 現(xiàn)場試驗

平橋南區(qū)塊3口井進行了泡排劑COG現(xiàn)場試驗，3口井地層平均溫度為95 ℃，礦化度約為6.0×104mg/L，之前均試驗了泡排劑 XH02和KD01，隨著泡排劑加量由0.10%逐步增大至3.00%，產(chǎn)氣量和產(chǎn)液量變化均不大，單井平均日產(chǎn)氣量21 000 m3，日產(chǎn)液量7.0 m3，泡排效果不明顯。試驗采用控制變量法，即排采工藝參數(shù)均不變的前提下，只將原有泡排劑替換成COG，試驗周期25 d，然后替換為原有泡排劑。3口井在整個試驗過程中生產(chǎn)情況類似，平均單井日增氣2 000 m3。下面以JY03井為例分析其試驗效果。

JY03井之前使用泡排劑XH02，生產(chǎn)期間注入泡排劑COG 25 d，試驗結(jié)束后換回原來的泡排劑XH02，試驗前后的生產(chǎn)曲線如圖5所示。

圖5 JY03井生產(chǎn)曲線Fig.5 Production curves of Well JY03

從圖5可以看出，JY03井試驗期間日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在 30 000～31 000 m3，平均日增氣 2 500 m3；日產(chǎn)液量先從 10.8 m3升至 12.7 m3，隨后逐漸降至5.5 m3；油套壓差降低 0.05 MPa，井底積液逐漸排空，產(chǎn)氣量上升；替換為原來的泡排劑后，產(chǎn)氣量逐漸降低，產(chǎn)液量逐漸升高，表明泡排劑XH02攜液能力不足，井底積液逐漸形成，產(chǎn)氣量降低。3口頁巖氣井的泡排試驗結(jié)果表明，泡排劑COG綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)場所使用的泡排劑，具有較好的排水增產(chǎn)效果，在平橋南區(qū)塊具有一定的推廣應用潛力。

5 結(jié)論與建議

1）以兩性離子表面活性劑CAB、非離子表面活性劑OB和羥丙基胍膠Guar為主要原料，通過正交試驗優(yōu)化配比，復配出二元復合型泡排劑COG。

2）COG 在 100 ℃ 和礦化度 10×104mg/L 條件下仍然具有良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡性能，表明COG具有較好的抗溫抗鹽性能，適用于平橋南區(qū)塊頁巖氣井泡沫排水采氣。

3）平橋南區(qū)塊3口井的試驗結(jié)果表明，泡排劑COG使用期間單井日產(chǎn)氣量增加10%，具有較好的排水增產(chǎn)效果，建議今后加強現(xiàn)場配套工藝技術研究，為其大規(guī)模推廣應用提供技術保障。

4）建議針對不同地層特點和產(chǎn)出水水質(zhì)，繼續(xù)進行室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，研發(fā)適應不同地層和水質(zhì)條件的泡排劑，擴大泡沫排水采氣技術的應用范圍。