深井耐高溫泡排劑研制及實驗評價方法

李 農 趙立強 繆海燕 謝惠勇 鄒小龍

1．西南石油大學 2．中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 3．中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院4．中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

1 影響泡排劑性能的主要因素

研究表明，溫度和壓力是影響泡排劑性能的主要因素，氣泡排液半衰期t1／2與氣泡直徑d有如下關系，據此關系可以研究溫度和壓力對泡排劑性能的影響。

式中t1／2為半衰期；d為泡沫直徑；μL為液相黏度；h為泡沫柱最初高度；ρ為液相密度；VLf為泡沫的液體分率；g為重力加速度。

1．1 溫度

溫度升高對泡沫穩定有不利影響［1］。一方面當溫度升高時，氣泡中分子運動加劇，氣體膨脹趨勢和液體蒸汽壓增加而使液膜變薄；另一方面當溫度升高時泡排劑表面黏度降低，泡沫穩定性下降。

1．2 壓力

Band對表面活性劑水溶液的研究表明，泡沫排液時間與壓力呈線性關系。當泡沫質量一定時，壓力越大，泡沫半徑越小，泡沫表面積越小，泡沫就越穩定。

2 深井耐高溫泡排劑的研制原則

深井高溫泡沫排水采氣要求所用泡排劑在90～170℃范圍應具有較好的起泡、穩泡、攜液能力，與地層水配伍性良好且有一定的抗鹽能力。故研制時應考慮［2－3］：①泡排劑應選用極性基較強的電解質離子頭基。極性基在電離狀況下不受溶液中其他電解質的影響，因而具有更好的抗鹽性能。②根據各種表面活性劑結構分析，兩性離子表面活性劑具有很好的穩泡性能，可以優先考慮。③選擇極性基較多的表面活性劑。極性基可以伸入水相，通過氫鍵或分子間力發生水化，使得一些水分子成為束縛水，可以增加表面膜的強度和表面黏度。④表面活性劑復配使用。利用表面活性劑協同效應，在最大限度降低表面張力的基礎上，更有效發揮Marangoni效應，增強表面膜的修復功能。⑤提高表面活性劑的抗鹽耐溫能力。在分子結構中引入非離子聚氧烷基，或在陰離子型分子中引入陽離子型親水基，或引入同種或異種的另一個或多個的陰離子親水基，輔以其他合適的助劑，以提高泡排劑的抗鹽耐溫性能。根據這些原則，耐溫抗鹽泡排劑分子結構中選擇的陰離子基團為磺酸根，碳數范圍為C12～C14，結構中引入非離子酰胺基團和聚氧乙烯鏈的兩性離子表面活性劑。

3 耐高溫高壓泡排劑性能評價實驗方法

泡排劑性能評價［4］的主要儀器設備有：高溫高壓動態性能評價儀、羅氏泡沫儀、核磁共振、紅外光譜儀、滾子爐、高溫表面張力儀、常溫表面張力儀、烏氏黏度計、熒光光度計、旋轉黏度計等。目前泡排劑性能評價主要參照SY／T 6465—2000標準。當溫度低于120℃時，標準具有較好的實用性，當溫度高于120℃時，就需要建立新的實驗方法來全面評價泡排劑的性能。

3．1 泡排劑表面張力測定

表面張力對泡沫的起泡能力、液膜強度及厚度有很大影響。但泡沫穩定性取決于形成泡沫的液膜強度，而不取決于表面活性劑的表面張力。表面張力測定參照SY／T 6465—2000標準執行。

3．2 泡排劑起泡穩泡性能評價

在高溫條件下，分子鏈可能發生斷裂而失去泡排效果，因而達不到預期的起泡能力和攜水能力，因此，必須考慮泡排劑的耐高溫和穩定能力。起泡穩泡性能測定參照SY／T 6465—2000標準執行。

3．3 泡排劑黏度測定

泡排劑表面黏度越大，泡沫液膜越穩定。黏度增大不僅可以增加液膜表面強度，而且液膜之間的液體不易排出。采用烏氏黏度計測定泡排劑的黏度。

3．4 泡排劑分子量測定

在高溫條件下的泡排劑分子鏈可能斷裂，從而影響泡排劑的性能。在高溫條件下分子鏈是否斷鏈，可以通過測定泡排劑的分子量來反映。測定表面活性劑的分子量借鑒測定聚合物分子量的方法，參照標準GB 12005－1—89，通過溶液流出烏氏黏度計的時間來測定表面活性劑老化前后分子量變化情況。

3．5 泡排劑聚集數測定

膠束聚集數是描述表面活性劑膠束結構的特征參數，其測定方法為：①將表面活性劑溶液以芘（P）的飽和水溶液為溶劑配制，猝滅劑（Q）二苯甲酮用無水甲醇配制成一定濃度溶液備用。②在潔凈干燥的100 mL具塞三角瓶中準確移取一定量的二苯甲酮的甲醇溶液，用純N2吹趕甲醇至干燥。用移液管精確移入配制好的表面活性劑溶液，在超聲波浴槽中分散5 min后，置于恒溫水浴中恒溫24h。熒光光度計的激發波長為335nm，在372nm波長處讀取熒光讀數I372，根據公式用作圖法求取為猝滅劑濃度為0時的I372。

3．6 泡排劑核磁共振及紅外光譜分析

核磁共振和紅外光譜能很好地反映出泡排劑的分子結構，同時還可以由核磁譜圖和紅外譜圖分析出泡排劑所含的基本官能團，通過這些基本官能團推測泡排劑在170℃老化后與未老化前的結構變化來研究泡排劑的耐溫性。

3．7 泡排劑高溫高壓動態評價

在泡排劑常溫常壓動態評價裝置的基礎上，結合SY／T 6465—2000和API標準，設計了高溫高壓泡沫動態性能評價儀，可以最大限度地模擬井底溫度和壓力條件，直觀地觀察泡排劑的發泡、穩泡和攜水情況，并為深化研究泡沫的密度、水膜厚度等工作打下基礎。

4 應用實例

根據深井高溫有水氣藏的實際情況和泡排劑的研制原則，研制了KY－2型耐高溫泡排劑，在按照SY／T 6465—2000標準進行常規性能評價的基礎上，利用所建立的實驗方法，泡排劑在常溫和170℃老化24h后進行了分子量、聚集數、紅外和核磁圖譜分析（圖1、2）。泡排劑在常溫和170℃下的分子量分別為5 621和5 614，聚集數分別為292．861 0和292．979 4。實驗表明，KY－2型泡排劑在老化前后的分子量和聚集數基本一致，可以確定該泡排劑在老化前后沒有發生分子鏈斷裂、纏繞。對比紅外和核磁譜圖，泡排劑老化前后的譜圖基本一致，證實分子鏈上的官能團數量、性質以及位置沒有發生變化，進一步證明了該泡排劑的性能在老化前后基本保持一致。綜合研究表明，KY－2型泡排劑具有良好的耐溫性能，在深井高溫條件下具有良好的起泡、穩泡和帶水能力，在有水氣藏排水采氣作業中具有良好的應用前景。

圖1 KY－2型泡排劑的紅外光譜圖

圖2 KY－2型泡排劑的核磁譜圖

使用PP－1型高溫高壓泡沫評價裝置測定高溫高壓條件下KY－2泡排劑動態性能，其測試結果見表1。實驗數據表明在進口溫度150℃和恒定進液速度（80 mL／min），控制進氣速度（5．22～5．48m3／h）的條件下，KY－2型泡排劑的攜液量仍然超過600mL，說明KY－2型泡排劑在高溫高壓下的動態性能較好。

KY－2型泡排劑在四川盆地川東氣田TD021－3井進行了現場應用試驗，試驗前后生產數據如下：日平均套壓為5．02MPa，日平均油壓為4．51MPa，日平均油套壓差為0．51MPa，日平均產水0．06m3，日平均產氣2．047 9×104m3。現場試驗期間 TD021－3井產氣量累計增加21．16×104m3，氣井由試驗前放空攜液恢復生產變為靠自身能量帶液生產，試驗期間比試驗前水產量更趨于穩定，能夠連續將水帶出井筒，有利于氣井的穩定生產。

5 結論

1）在高溫高壓條件下，溫度是影響泡排劑性能的主要因素。通過研究，建立了一套耐高溫泡排劑性能評價實驗方法。根據深井高溫有水氣藏的實際情況和泡排劑的研制原則，研制了KY－2型耐高溫泡排劑。

表1 KY－2型泡排劑高溫高壓條件下動態性能評價結果表

2）利用建立的實驗方法，對KY－2型耐高溫泡排劑在常溫和170℃下老化24h后進行分子量、聚集數、核磁光譜、紅外光譜實驗分析。在此基礎上進行現場實驗并獲得較好的效果。研究表明，KY－2型泡排劑在深井高溫條件下具有良好的起泡、穩泡和帶水能力，在有水氣藏排水采氣作業中具有良好的應用前景。

［1］趙國璽．表面活性劑物理化學［M］．修訂版．北京：北京大學出版社，1991：419－420．

［2］馬成華．一種高溫泡排劑的實驗室評價［J］．精細石油化工進展，2007，8（12）：37－39．

［3］胡世強，劉建儀，李艷，等．一種新型高效泡排劑LH的泡沫性能研究［J］．天然氣工業，2007，27（1）：102－104．

［4］李蓮明，李治平．國內外含水氣井化學排水新技術綜述［J］．天然氣技術，2008，2（3）：37－39．