深井耐高溫泡排劑研制及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

李 農(nóng) 趙立強(qiáng) 繆海燕 謝惠勇 鄒小龍

1．西南石油大學(xué) 2．中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 3．中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院4．中國(guó)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(guān)系，據(jù)此關(guān)系可以研究溫度和壓力對(duì)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(duì)泡沫穩(wěn)定有不利影響［1］。一方面當(dāng)溫度升高時(shí)，氣泡中分子運(yùn)動(dòng)加劇，氣體膨脹趨勢(shì)和液體蒸汽壓增加而使液膜變薄；另一方面當(dāng)溫度升高時(shí)泡排劑表面黏度降低，泡沫穩(wěn)定性下降。

1．2 壓力

Band對(duì)表面活性劑水溶液的研究表明，泡沫排液時(shí)間與壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)泡沫質(zhì)量一定時(shí)，壓力越大，泡沫半徑越小，泡沫表面積越小，泡沫就越穩(wěn)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(yīng)具有較好的起泡、穩(wěn)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(shí)應(yīng)考慮［2－3］：①泡排劑應(yīng)選用極性基較強(qiáng)的電解質(zhì)離子頭基。極性基在電離狀況下不受溶液中其他電解質(zhì)的影響，因而具有更好的抗鹽性能。②根據(jù)各種表面活性劑結(jié)構(gòu)分析，兩性離子表面活性劑具有很好的穩(wěn)泡性能，可以?xún)?yōu)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(guò)氫鍵或分子間力發(fā)生水化，使得一些水分子成為束縛水，可以增加表面膜的強(qiáng)度和表面黏度。④表面活性劑復(fù)配使用。利用表面活性劑協(xié)同效應(yīng)，在最大限度降低表面張力的基礎(chǔ)上，更有效發(fā)揮Marangoni效應(yīng)，增強(qiáng)表面膜的修復(fù)功能。⑤提高表面活性劑的抗鹽耐溫能力。在分子結(jié)構(gòu)中引入非離子聚氧烷基，或在陰離子型分子中引入陽(yáng)離子型親水基，或引入同種或異種的另一個(gè)或多個(gè)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(jù)這些原則，耐溫抗鹽泡排劑分子結(jié)構(gòu)中選擇的陰離子基團(tuán)為磺酸根，碳數(shù)范圍為C12～C14，結(jié)構(gòu)中引入非離子酰胺基團(tuán)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法

泡排劑性能評(píng)價(jià)［4］的主要儀器設(shè)備有：高溫高壓動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)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(jì)、熒光光度計(jì)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等。目前泡排劑性能評(píng)價(jià)主要參照SY／T 6465—2000標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溫度低于120℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具有較好的實(shí)用性，當(dāng)溫度高于120℃時(shí)，就需要建立新的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)全面評(píng)價(jià)泡排劑的性能。

3．1 泡排劑表面張力測(cè)定

表面張力對(duì)泡沫的起泡能力、液膜強(qiáng)度及厚度有很大影響。但泡沫穩(wěn)定性取決于形成泡沫的液膜強(qiáng)度，而不取決于表面活性劑的表面張力。表面張力測(cè)定參照SY／T 6465—2000標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3．2 泡排劑起泡穩(wěn)泡性能評(píng)價(jià)

在高溫條件下，分子鏈可能發(fā)生斷裂而失去泡排效果，因而達(dá)不到預(yù)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(wěn)定能力。起泡穩(wěn)泡性能測(cè)定參照SY／T 6465—2000標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3．3 泡排劑黏度測(cè)定

泡排劑表面黏度越大，泡沫液膜越穩(wěn)定。黏度增大不僅可以增加液膜表面強(qiáng)度，而且液膜之間的液體不易排出。采用烏氏黏度計(jì)測(cè)定泡排劑的黏度。

3．4 泡排劑分子量測(cè)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?zhǔn)欠駭噫湥梢酝ㄟ^(guò)測(cè)定泡排劑的分子量來(lái)反映。測(cè)定表面活性劑的分子量借鑒測(cè)定聚合物分子量的方法，參照標(biāo)準(zhǔn)GB 12005－1—89，通過(guò)溶液流出烏氏黏度計(jì)的時(shí)間來(lái)測(cè)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(shù)測(cè)定

膠束聚集數(shù)是描述表面活性劑膠束結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，其測(cè)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(wú)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(zhǔn)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(jì)的激發(fā)波長(zhǎng)為335nm，在372nm波長(zhǎng)處讀取熒光讀數(shù)I372，根據(jù)公式用作圖法求取為猝滅劑濃度為0時(shí)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(jié)構(gòu)，同時(shí)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(tuán)，通過(guò)這些基本官能團(tuán)推測(cè)泡排劑在170℃老化后與未老化前的結(jié)構(gòu)變化來(lái)研究泡排劑的耐溫性。

3．7 泡排劑高溫高壓動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

在泡排劑常溫常壓動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合SY／T 6465—2000和API標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了高溫高壓泡沫動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)儀，可以最大限度地模擬井底溫度和壓力條件，直觀(guān)地觀(guān)察泡排劑的發(fā)泡、穩(wěn)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(chǔ)。

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)深井高溫有水氣藏的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常規(guī)性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，利用所建立的實(shí)驗(yàn)方法，泡排劑在常溫和170℃老化24h后進(jìn)行了分子量、聚集數(shù)、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(shù)分別為292．861 0和292．979 4。實(shí)驗(yàn)表明，KY－2型泡排劑在老化前后的分子量和聚集數(shù)基本一致，可以確定該泡排劑在老化前后沒(méi)有發(fā)生分子鏈斷裂、纏繞。對(duì)比紅外和核磁譜圖，泡排劑老化前后的譜圖基本一致，證實(shí)分子鏈上的官能團(tuán)數(shù)量、性質(zhì)以及位置沒(méi)有發(fā)生變化，進(jìn)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(wěn)泡和帶水能力，在有水氣藏排水采氣作業(yè)中具有良好的應(yīng)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(píng)價(jià)裝置測(cè)定高溫高壓條件下KY－2泡排劑動(dòng)態(tài)性能，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在進(jìn)口溫度150℃和恒定進(jìn)液速度（80 mL／min），控制進(jìn)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(guò)600mL，說(shuō)明KY－2型泡排劑在高溫高壓下的動(dòng)態(tài)性能較好。

KY－2型泡排劑在四川盆地川東氣田TD021－3井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)水0．06m3，日平均產(chǎn)氣2．047 9×104m3。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間 TD021－3井產(chǎn)氣量累計(jì)增加21．16×104m3，氣井由試驗(yàn)前放空攜液恢復(fù)生產(chǎn)變?yōu)榭孔陨砟芰繋б荷a(chǎn)，試驗(yàn)期間比試驗(yàn)前水產(chǎn)量更趨于穩(wěn)定，能夠連續(xù)將水帶出井筒，有利于氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。

5 結(jié)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(guò)研究，建立了一套耐高溫泡排劑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)深井高溫有水氣藏的實(shí)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(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)結(jié)果表

2）利用建立的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)KY－2型耐高溫泡排劑在常溫和170℃下老化24h后進(jìn)行分子量、聚集數(shù)、核磁光譜、紅外光譜實(shí)驗(yàn)分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(wěn)泡和帶水能力，在有水氣藏排水采氣作業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

［1］趙國(guó)璽．表面活性劑物理化學(xué)［M］．修訂版．北京：北京大學(xué)出版社，1991：419－420．

［2］馬成華．一種高溫泡排劑的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)［J］．精細(xì)石油化工進(jìn)展，2007，8（12）：37－39．

［3］胡世強(qiáng)，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(yè)，2007，27（1）：102－104．

［4］李蓮明，李治平．國(guó)內(nèi)外含水氣井化學(xué)排水新技術(shù)綜述［J］．天然氣技術(shù)，2008，2（3）：37－39．