孫同成

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

在天然氣井開采過程中，邊水、底水的推進會導(dǎo)致井筒內(nèi)不斷積水，進而造成油氣井的井底出現(xiàn)嚴重積液的現(xiàn)象[1]。

目前雅克拉采氣廠90%以上的氣井均出現(xiàn)井底積液現(xiàn)象，嚴重影響了油氣田的開發(fā)和生產(chǎn)。排水采氣的工藝方法有優(yōu)選管柱排水采氣、泡沫排水采氣、氣舉排水采氣等，在眾多的排水采氣工藝方法中，最常用的處理方法是向氣井中添加泡排劑進行泡沫排水采氣[2]。泡沫排水采氣是針對產(chǎn)水氣田開發(fā)而研究的一項助采工藝技術(shù)，具有成本低、操作方便、適用井身范圍大、不影響氣井正常生產(chǎn)、廉價高效等優(yōu)點[3-4]。制備一種在高溫、高礦化度的苛刻工況條件下仍具有良好泡沫性能的泡排劑尤為重要。

本文研究了雅克拉采氣廠的現(xiàn)場水質(zhì)，并對氣藏情況進行深入的了解，通過室內(nèi)實驗研制出了一種抗高礦化度且具有較好的耐溫性能的高效氣井泡排劑11-TUBSNa，并考察了不同條件下泡沫的穩(wěn)定性，深入研究了泡沫排水采氣機理。

1 實驗部分

1.1 評價方法

實驗按照標(biāo)準 SY/T 6465—2000 《泡沫排水采氣用泡排劑評價方法》和 GB/T 7462—1994 《發(fā)泡力的測定》對泡排劑的性能進行評價。ROSS-Miles法(所用儀器稱為羅氏-邁爾斯泡沫儀)在1941年發(fā)明后，被長期作為評價泡排劑發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性的標(biāo)準。試驗時，使200mL試液從高900 mm、內(nèi)徑2.9 mm的毛細管中自由流下，沖擊盛放在刻度管中的同種試液后產(chǎn)生泡沫，在刻度管內(nèi)發(fā)生泡沫活動，以200 mL試液流經(jīng) 0 min和5 min時的泡沫柱高度分別代表泡排劑的發(fā)泡能力和泡沫的穩(wěn)定性。

1.2 雅克拉采氣廠現(xiàn)場水樣分析

現(xiàn)場水樣中Ca2+、Na+含量較高，總礦化度為17.4萬左右。如表1所示，由于地層水的礦化度大小對泡沫性能影響很大，針對雅克拉采氣廠地層水樣礦化度高的特點，要求所制備的泡排劑必須有特別好的抗鹽性能，才能夠很好地抑制Ca2+、Mg2+等對起泡高度和穩(wěn)泡能力的影響。

表1 現(xiàn)場水樣礦化度

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 泡排劑的優(yōu)選

為研究表面活性劑之間的復(fù)配效果，將合成的三種甜菜堿類表面活性劑進行復(fù)配，通過反復(fù)實驗，評價復(fù)配體系的泡沫性能，最后獲得6種配方(表2)。其中1、2、3 號是單一的表面活性劑，而 4、5、6 號樣品是以三種表面活性劑作為主劑，以SDBS作為助劑，按照1.0∶1.2的比例進行復(fù)配得到的樣品。

表2 泡排劑主劑、助劑及復(fù)配比

對不同配方的泡排劑進行優(yōu)選，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，三種復(fù)配后的泡排劑相較于成分單一的泡排劑，起泡能力和穩(wěn)泡能力都具有顯著的提高。一方面是因為甜菜堿與陰離子表面活性劑復(fù)配后通常能夠起到協(xié)同效應(yīng)，使體系泡沫穩(wěn)定性提高。另一方面是由于SDBS含有磺酸基，具有更好的耐溫抗鹽效果。以上實驗結(jié)果證明三種復(fù)配后的泡排劑耐鹽性均顯著提升，其中樣品4的性能最為優(yōu)異，故后續(xù)泡沫性能評價實驗均用樣品4進行。

圖1 六種樣品在現(xiàn)場水樣中的衰變曲線

2.2 抗鹽性能評價

研究Ca2+、Mg2+對復(fù)配體系泡沫性能的影響結(jié)果如圖2所示，其中圖1(a)為不同濃度鹽溶液中泡沫的衰變曲線，圖1(b)為不同鹽溶液濃度下對應(yīng)的起泡高度和泡沫半衰期。從圖1(a)中可以看出，隨著無機鹽濃度升高，泡沫的衰變曲線逐漸變緩，即對應(yīng)著圖b中泡沫的半衰期時間逐漸延長。當(dāng)鹽濃度為3.2 mol/L時，泡沫的衰變曲線出現(xiàn)了平臺區(qū)，泡沫半衰期達到最大值，繼續(xù)增大鹽濃度，泡沫穩(wěn)定性降低。這是由于甜菜堿和季銨表面活性劑形成復(fù)配體系的協(xié)同作用，甜菜堿表面活性劑分子中的磺酸根親水頭基能與Ca2+、Mg2+形成配合物，在氣液界面形成吸附層導(dǎo)致相互作用加強，分子之間的電性排斥力減弱，使吸附在氣液界面的分子數(shù)量增多，泡沫液膜變的更厚，泡沫更穩(wěn)定。進一步提高鹽濃度，這種作用會被破壞，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性下降。

圖2 Mg2+、Ca2+鹽對泡排劑樣品4泡沫性能的影響研究

Na+、K+對復(fù)配體系泡沫性能的影響如圖3所示，圖3(a)為不同濃度鹽溶液中泡沫的衰變曲線，圖3(b)為不同濃度下對應(yīng)的起泡高度和泡沫半衰期。從圖中可以看出，相比于 Ca2+、Mg2+鹽對體系的影響，Na+、K+對泡沫穩(wěn)定性的影響更大。主要表現(xiàn)為，泡沫的衰變曲線隨著鹽濃度的增大斜率逐漸變大。在稍低濃度鹽溶液時，曲線的變化程度較緩，而當(dāng)鹽濃度大于1.6 mol/L時，曲線斜率變化程度較大，相應(yīng)起泡的高度以及泡沫半衰期持續(xù)下降。這主要是因為相較于Ca2+、Mg2+，Na+、K+更傾向于在液相中，當(dāng)表面活性分子形成雙電層結(jié)構(gòu)時，Na+、K+干擾了雙電層之間的靜電斥力，使液膜的排水速度加快，降低了泡沫的穩(wěn)定性。

圖3 Na+、K+鹽對泡排劑樣品4泡沫性能的影響研究

圖4為樣品4在不同鹽溶液中表面張力的柱狀圖。對于表面活性劑來說，降低表面張力能力越強，表面活性劑在氣液界面的分布就越穩(wěn)定和密集，產(chǎn)生的泡沫也就越穩(wěn)定。從圖4中可以看出，在Na+、K+鹽中，隨著鹽濃度的升高，表面張力值持續(xù)上升，說明Na+、K+對于表面活性劑降低表面張力的能力影響較大。造成這種現(xiàn)象的原因是Na+、K+干擾了表面活性劑分子在氣液界面的分布。而對于Ca2+、Mg2+鹽而言，在鹽濃度小于3.2 mol/L時，表面張力值變化不大，說明體系具有較好的耐Ca2+、Mg2+鹽的作用。另外體系中分子所含有的親水頭基能與Ca2+、Mg2+形成配合物，使吸附在氣液界面的分子數(shù)量增大，有利于降低表面張力值，使泡沫更穩(wěn)定。結(jié)合實驗結(jié)果，泡排劑樣品4的抗礦化度最高可達2.1×105mg/L。

圖4 泡排劑在不同鹽溶液中的表面張力

2.3 耐溫性能評價

研究溫度對泡沫性能的影響，攜液率是重要的參數(shù)。圖5為樣品4的攜液率曲線，σ/σ0表示的是瞬時電導(dǎo)率與停止通氣時電導(dǎo)率的比值，σ/σ0的比值越高，證明此時攜液量越大。當(dāng)σ/σ0的下降速度越快，表明析液速率越快，泡沫的攜液能力越差，泡沫穩(wěn)定性也相對較差。從圖中可以看出，在溫度低于70 ℃時，析液速率下降較慢，泡沫的穩(wěn)定性較好。當(dāng)溫度超過90 ℃時，電導(dǎo)率下降到0只需要1 500 s，說明高溫對于體系的析液速率影響較大，但相比于單一的表面活性劑SDBS仍然有較好的攜液能力。這是因為復(fù)配起泡劑的協(xié)同作用，使表面活性劑分子在液膜的排列更緊密，使液膜厚度更大，可以儲存更多的水分子，降低液膜析液速率，同時甜菜堿中的親水頭基間靜電斥力較弱，能使更多的水分子分布在頭基附近，使泡沫的攜液能力更強。實驗證明泡排劑最多能抗溫至120 ℃。

圖5 泡排劑樣品4的高溫攜液曲線

3 結(jié)語

(1)經(jīng)過對起泡劑以及助劑的初選，得到 6 種配方。從耐溫抗鹽性能方面對這6種樣品進行評價，甜菜堿類表面活性劑11-TUBSNa和SDBS按照1.0∶1.2復(fù)配得到的泡排劑樣品4效果最好。

(2)通過性能評價實驗得到所研究的甜菜堿型泡排劑熱穩(wěn)定性好，耐溫最高可達120 ℃，抗礦化度可達2.1×105mg/L，具有較好的耐溫抗鹽能力，起泡性能、穩(wěn)泡性能均較好。