泡排劑耐鹽抗油性能的優(yōu)化

馬智國，鄒巧育，胡 敏，林海萍

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710302；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

天然氣井在開采過程中由于邊水、底水的推進作業(yè)措施等會造成井筒內(nèi)不斷積水，從而使產(chǎn)氣量不斷下降，甚至壓死氣井[1]。為了提高氣田的采收率，人們采用了多種方法來消除井底積液，包括泡沫排水采氣、井下節(jié)流排水采氣、優(yōu)選管柱排水采氣、柱塞氣舉排水采氣和增壓抽吸排水采氣等。其中泡沫排水采氣技術(shù)由于具有諸多優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外采氣工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)是將一定量的泡排劑注入氣井中，井底積液與泡排劑接觸后，借助天然氣流的攪動，生成大量低密度含水泡沫，隨氣流從井底被攜帶到地面，從而達到排水、穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和延長氣井自噴期的目的[2～3]。泡沫排水采氣的關(guān)鍵在于泡排劑的性能，即在一定的地層水礦化度、甲醇、凝析油含量及地層溫度下，要求泡排劑有盡可能好的起泡能力、適中的泡沫穩(wěn)定性和較大的攜液量。

1 實驗部分

1.1 主要藥品與實驗方法

泡排劑YUZ，實驗室自制；甜菜堿A、甜菜堿B、甜菜堿C、甜菜堿D，均為工業(yè)級，由上海諾頌實業(yè)有限公司提供；FC（全氟烷基甜菜堿）、氧化胺，工業(yè)級，武漢海德化工發(fā)展有限公司化學(xué)試劑廠；凝析油，長慶油田分公司采氣二廠現(xiàn)場樣品；氯化鈉、無水氯化鈣，分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；OlympusBH-2 光學(xué)顯微鏡，日本Olympus 公司；ESB-V 電子表面平衡張力儀，KYOWA SCITIFIC CO. LTD；羅氏-邁爾斯（Ross-Miles）泡排儀，實驗室自制。

1.2 評價方法

實驗按照標準SY/T6465-2000《泡沫排水采氣用起泡劑評價方法》和GB/T7462-1994《發(fā)泡力的測定》對泡排劑的起泡能力和攜液能力進行評價。參照標準SY/T5370-1999《表面及界面張力測定方法》對泡排劑的表面張力進行測定。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配添加劑的篩選

通過考察泡排劑YUZ 與單一表面活性劑的配比為9：1 時在含10 %凝析油自來水中的泡沫高度及攜液量，采用直觀分析法初步篩選出與YUZ 復(fù)配最優(yōu)的表面活性劑，實驗結(jié)果（見表1）。實驗泡排劑溶液濃度為0.5 %，溫度為30 ℃。

由表1 可知，泡排劑YUZ 與FC 的復(fù)配無論是泡沫高度，還是攜液量都優(yōu)于其他配方。而且與單劑YUZ相比，復(fù)配后穩(wěn)泡效果和攜液量都有很大提高。因此，確定泡排劑YUZ 和FC 進行復(fù)配。

表1 不同配方在含10 %凝析油的自來水中的起泡高度及攜液量

2.2 FC 添加劑量的確定

為了進一步確定泡排劑YUZ 與FC 的最佳配比，在含30 %凝析油的自來水中，對其進行了一系列配比梯度實驗。實驗結(jié)果（見表2）。實驗泡排劑溶液濃度為0.5 %，實驗溫度30 ℃。

表2 在含30 %凝析油的自來水中初選配方的不同配比的泡沫高度及攜液量

由表2 可知，隨著YUZ 在二者配比中量的增大，起泡高度及攜液量呈先增后減的趨勢，穩(wěn)泡能力稍有下降。當配比為18:1 時，穩(wěn)泡能力相對于配比為9:1時，稍有降低，但是泡沫高度和攜液量都優(yōu)于其他配比，因此由表2 確定泡排劑代號為YUZ-1，其最佳配比為YUZ：FC=18：1。

2.3 泡排劑YUZ-1的各項性能評價

2.3.1 泡沫微觀結(jié)構(gòu) 用礦化度為5×104mg/L 的配液用水分別配制質(zhì)量分數(shù)為0.5 %的YUZ 和YUZ-1 泡排劑溶液，在8 000 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌3 min，然后用電子顯微鏡放大100 倍觀察泡沫微觀結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果（見圖1，圖2）。

由圖1 和圖2 可以看出，泡排劑YUZ-1 相對于泡排劑YUZ，產(chǎn)生的泡沫分布比較均勻，多呈現(xiàn)為規(guī)則的六邊形，液膜有一定的厚度和韌性，Plateau 邊界排液速度比較慢，因而YUZ-1 形成的泡沫比YUZ 形成的泡沫穩(wěn)定[4]。

圖1 YUZ 的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 YUZ-1 的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 YUZ 的表面張力測試曲線

圖4 YUZ-1 的表面張力測試曲線

2.3.2 表面張力測定 由圖3 可知，當泡排劑YUZ 溶液濃度小于0.2 %時，表面張力隨著泡排劑溶液濃度的增加而降低，當濃度達到0.2 %時，表面張力降到最低32.2 mN/m，當濃度超過0.2 %時，表面張力基本保持不變。由圖4 可知，當泡排劑YUZ-1 溶液濃度小于0.12 %時，表面張力隨著泡排劑溶液濃度的增加而降低，當濃度達到0.12%時，表面張力降到最低21.7 mN/m，當泡排劑溶液濃度超過0.12 %時，表面張力基本保持不變。這說明泡排劑YUZ-1 在濃度大于0.12 %時，可有效降低地層水的表面張力，使水在天然氣流的攪動下容易分散、發(fā)泡，大液滴變成細小的液珠，生成大量低密度水泡沫，進而有利于氣水流態(tài)由舉升效果差的氣泡流或段塞流向易舉升的霧狀流或段塞流轉(zhuǎn)變，減少氣液的滑脫損失[5]。而泡排劑YUZ 要達到相同的效果其濃度要大于0.2 %。

2.3.3 耐鹽性能 實驗室以CaCl2和NaCl 的質(zhì)量比為1:4 配制了不同礦化度的配液用水進行實驗，實驗結(jié)果（見表3），泡排劑溶液濃度為0.5 %，實驗溫度30 ℃。

由表3 可知，隨著礦化度的增大，泡沫高度和攜液量都呈下降趨勢，在礦化度為25×104mg/L 時，泡沫起泡高度還可以達到80 mm，5 min 后為35 mm，攜液量仍可達到166 mL。其攜液能力大于80 %，其中攜液能力=（泡沫攜帶出的液體體積/總泡排劑溶液的體積）×100 %。由表3 可以看出，泡排劑YUZ-1 無論是泡沫高度還是攜液量，明顯優(yōu)于泡排劑YUZ，說明泡排劑YUZ 的耐鹽能力得到了改善。

表3 不同礦化度中樣品的起泡能力實驗結(jié)果對比

2.3.4 耐油性能 凝析油具有較強的消泡作用，易使泡沫性能變差，而在天然氣井的開采過程中，井底積液常含有一定量的凝析油。因此，要求泡排劑具有一定的抗凝析油能力[6]。實驗考察了YUZ-1 在不同凝析油含量的礦化度為5×104mg/L 的配液用水中的起泡能力和攜液能力（見表4）。泡排劑溶液濃度為0.5 %，實驗溫度30 ℃。

表4 不同凝析油含量下樣品的起泡能力實驗結(jié)果對比

由表4 可知，在30 ℃時，泡排劑YUZ-1 在不含凝析油的配液用水中的泡沫高度及攜液量最好。隨著凝析油含量的增加，泡沫高度逐漸降低，當凝析油含量達20 %時，起泡高度仍然可以達到85 mm，5 min 后還剩下40 mm，攜液量也隨凝析油含量的增加而減少，當凝析油含量為20%時，攜液量仍能達到102 mL。由表4 可知，泡排劑YUZ-1 無論是泡沫高度還是攜液量均優(yōu)于泡排劑YUZ，說明泡排劑YUZ 的抗油性能得到了優(yōu)化。

2.3.5 耐溫性能 溫度較高時易使泡沫的穩(wěn)定性變差，由于當溫度升高時，氣泡中分子運動加劇，氣體膨脹、液體蒸汽壓增加，從而導(dǎo)致液膜變薄；而且隨著溫度的升高，泡排劑表面黏度降低，使得泡沫易破裂。因此一般情況下隨著溫度的升高泡沫穩(wěn)定性下降[7～8]。為了評價泡排劑的耐溫能力，用含油量為10 %、礦化度為5×104mg/L 的配液用水配制0.5 %的泡排劑溶液，測定了該泡排劑在不同溫度下的泡沫高度和攜液量，實驗結(jié)果（見圖5）。

圖5 YUZ-1 在不同溫度下的起泡能力和攜液量

由圖5 可知，隨著溫度的升高，起泡高度呈現(xiàn)上升趨勢，5 min 時的泡高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，攜液量一直在降低。70 ℃時，5 min 時的泡高達到最高，為135 mm。當溫度升到90 ℃時，起始泡高達到最大，為180 mm，這是由于隨著溫度的上升，泡沫膨脹使體積變大，因而起始泡高呈現(xiàn)上升趨勢；但是5 min 時的泡高僅達到100 mm，這是因為隨著時間的延長，液膜水分被蒸發(fā)、液膜變薄變脆，最終破裂，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性下降；但是其攜液量仍能達到148 mL。

2.3.6 緩蝕能力 氣井的油管與地層水接觸后會使井底油管等金屬材料產(chǎn)生腐蝕。因此需要測定該泡排劑的緩蝕能力[9]。在50 ℃下，用N80 鋼片，采用1#井現(xiàn)場水樣配制0.5 %泡排劑溶液，采用掛片失重方法，考察泡排劑溶液的腐蝕性，實驗結(jié)果（見表5）。

試驗中，試驗掛片均較為光亮，無明顯的腐蝕斑點或者是腐蝕溝痕，由表5 可知，兩種泡排劑的腐蝕速率均小于空白時的腐蝕速率，而且泡排劑YUZ-1 的腐蝕速率小于泡排劑YUZ 的腐蝕速率，說明泡排劑的加入不會加重或者加速管材的腐蝕，而且對井底油管具有一定的保護作用[10]。

3 結(jié)論

（1）通過考察泡排劑YUZ 與單一表面活性劑的配比為9：1 時的泡沫高度及攜液量，確定泡排劑YUZ 與FC 的復(fù)配最優(yōu)；再對其做一系列配比梯度，最終確定泡排劑YUZ-1 的最佳配比為YUZ：FC=18：1。

表5 泡排劑YB 的腐蝕性及其對比試驗

（2）通過對兩種泡排劑的耐鹽抗油能力的研究與分析，充分說明泡排劑YUZ 的耐鹽抗油能力得到了優(yōu)化。

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