生化型耐溫耐鹽泡排體系的起泡及穩泡性能評價

劉岳龍，周 艦，袁 胥，白世軒，趙 靜

1.中國石化華北油氣分公司工程技術研究院，鄭州 450006；2.大連知微生物科技有限公司，遼寧大連 116023

隨著氣田進入開采中后期，氣井井底積液情況十分常見。對于一些低壓氣井，本身產量不高，發生積液后產量可能急劇下降，甚至整井直接被淹死，影響氣田的上產與穩產[1]。為此可以采用泡沫排水采氣、柱塞氣舉排水采氣等方法來改善排液效果，泡沫排水法由于投資少、見效快、工藝簡單有效，一直是排水采氣、解決井底積液的有效措施之一[2]。

泡沫排水的起泡排液機理如下：1)首先注入氣井中的泡排劑分散、溶解于井底液體，形成泡排劑溶液；2)井底產生的天然氣通過積液時發生攪動，生成大量的含水泡沫；3)泡沫隨著產出的天然氣氣流從井底向井口運移，此過程中伴隨著泡沫的破裂、再生；4)隨著泡沫到達到地面，泡排工藝攜液的目的達到[3]。影響泡沫排水采氣措施效果的主要因素是泡排劑的起泡和穩泡性能，即在生產工況下(氣井積液中通常含有一定的甲醇和凝析油)，泡排劑是否能夠提供足夠的起泡/穩泡能力和攜液能力[4]。此外，泡排劑溶液具有較低的表面張力，對井底有一定的清洗作用，可以將污垢、顆粒攜帶出井筒。因此，高效泡排劑的使用對于實現穩產、增產，以及延長氣井的自噴期、穩產期均有重要作用[5-6]。

生物表面活性劑是微生物來源的表面活性物質。因其具有環保、高效、穩定的特性，近年來在石油天然氣勘探開發領域愈發受到研究者們的重視[7-9]。生物表面活性劑從結構上可以分為糖脂與脂肽兩大類，結構如圖1所示。在某些特定應用領域，生物表面活性劑具有可與化學合成表面活性劑相媲美的應用性能[10-11]。生物表面活性劑除具有與傳統表面活性劑類似的降低溶液表面張力的能力，還具有獨特的穩定泡沫的作用。糖脂類與脂肽類生物表面活性劑在中性水溶液中帶有一定的負電性，而生產生物表面活性劑的發酵液通常具有一定的黏度，一般來說溶液的電荷和黏度均對提高液膜的穩定性與韌性有利[4]，因此適宜的生物表面活性劑發酵液的存在，對起泡和泡沫的穩定具有強化作用。然而，利用生物表面活性劑及其發酵液作為助泡劑、穩泡劑的類似研究還未見報道。

圖1 糖脂類與脂肽類生物表面活性劑結構示意圖

筆者以公司自有的高效泡排劑OPUS-087為基礎，對比天然氣開發領域常用的泡排劑，進行了單劑優選。并以H2、H3、H19這3種微生物細菌的發酵液為穩泡劑，對生化復合體系的起泡、穩泡能力進行了研究。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

OPUS-087、HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01泡排劑，均為工業級；NaCl、CaCl2、MgCl2等，均為化學純。

QJZY-1型全自動表/界面張力儀，精度0.01 mN/m；密度計，精度0.001 g/cm3；吳茵(Waring)混調器，3～600 r/min；電熱恒溫水浴鍋，工作溫度為室溫～100 ℃，控溫精度±1 ℃；Ross-Miles泡沫儀；SW-CJ-2FD型超凈工作臺；CHA-S型恒溫振蕩器，工作溫度為室溫～60 ℃。

1.2 實驗方法

按照標準SY/T 6465—2000《泡沫排水采氣用泡排劑評價方法》測試泡沫的基礎起泡性能。根據SY/T 5370—1999《表面及界面張力測定法》對泡排劑進行耐溫耐鹽及抗凝析油性能評價。

采用Ross-Miles法[1,10]進行泡排劑性能評價，評價的指標為初始泡沫高度以及300 s時的泡沫高度。泡沫耐溫性能實驗前，將Ross-Miles泡沫儀的玻璃夾層中通入預設溫度的循環水，保溫30 min后進行測試。待測的泡排劑溶液以及實驗中用于盛放溶液的儀器也要在相同溫度的水浴中浸泡保溫30 min，然后進行泡排劑性能評價實驗。

泡沫耐礦化度實驗是將配制泡排劑溶液的溶質，由去離子水替換為總礦化度分別為3.2×104mg/L和7.2×104mg/L的模擬地層水，2種地層水的組成m(CaCl2)∶m(MgCl2)∶m(NaCl)分別為0.65∶0.05∶2.5和2.2∶0.2∶4.8。配制完畢且充分溶解、不含沉淀的模擬地層水靜置24 h后，用0.45 μm孔徑的濾膜過濾，再用于泡排劑的配制。

將油田現場取得的凝析油樣品按一定比例加入配制好的待測泡排劑溶液中，將混合后的溶液在待測溫度下水浴30 min后，進行發泡能力和泡沫穩定性測試。

為研究生物表面活性劑及其發酵液對于泡排劑OPUS-087的起泡、穩泡性能的促進作用，選取自主篩選、保存、用于油田提高采收率研究、可高效代謝產生物表面活性劑的功能微生物H2、H3、H19及其發酵液為主要研究對象。H2、H3、H19菌株分別屬枯草芽孢桿菌、銅綠假單胞菌和解淀粉芽孢桿菌，其代謝產生的生物表面活性劑分別為糖脂類和脂肽類生物表面活性劑。將3種生物表面活性劑發酵液按相應比例，分別與OPUS-087溶液混合制備生化型泡排劑，比較初始泡沫高度和300 s時的泡沫高度，進行起泡和穩泡性能的評價。

2 結果與討論

2.1 泡排劑的主要物性參數

對OPUS-087和HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01等天然氣開發過程中常用的泡排劑進行了溶液黏度和溶液表面張力等參數的測試，泡排劑的質量分數均為0.3%，使用清水配液，結果如表1所示。各類泡排劑單劑的水溶液黏度均在1.3 mPa·s左右；OPUS-087溶液的表面張力最低，表面活性高于其他泡排劑。OPUS-087具有作為高效泡排劑應用的潛力。

表1 泡排劑基礎性能測定結果

2.2 泡排劑的耐溫性能

在90 ℃下用清水將OPUS-087等泡排劑分別配制成不同質量分數的溶液，測試其耐溫性能，結果如圖2所示。測試的幾種泡排劑在90 ℃下的泡沫高度相差較大。總的來看，起泡能力由高到低為：OPUS-087>HBGC-1>UT-12≈ZBD-01>UT-11C。OPUS-087泡排劑具有相對優良的耐溫性能。當溶液中OPUS-087的質量分數達到0.30%以后，濃度繼續升高，其起泡性能變化不大，說明其適宜的用量為0.30%。相對其他幾種泡排劑，OPUS-087的最適濃度更低(其他泡排劑的質量分數高于0.30%時，繼續提高濃度，起泡性能還有一定的提高)，因此OPUS-087的使用效率更高，有利于降低成本。

圖2 90 ℃下不同濃度泡排劑在300 s時的泡沫高度

2.3 泡排劑的耐鹽性能

在90 ℃下用礦化度分別為3.2×104mg/L和7.2×104mg/L的模擬地層水配制泡排劑溶液，進一步測試各泡排劑的耐鹽性能，結果見圖3。5種泡排劑在300 s時的泡沫高度均處于70～80 mm這一區間。但也可以看到，5種泡排劑即使起泡性能差異減小，在高溫高礦化度下，起泡性能和泡沫穩定性最佳的依舊是泡排劑OPUS-087。從泡排劑的耐溫、耐鹽性能來看，OPUS-087略優于HBGC-1、UT-11C、UT-12和ZBD-01。

圖3 不同礦化度溶液中泡排劑在300 s時的泡沫高度

2.4 泡排劑的抗凝析油性能

在天然氣的開發過程中，隨著天然氣的開采，除地層水以外，部分氣井同時會產生一定量的凝析油。這類碳氫化合物本身具有一定的“消泡”作用，會給泡排劑的起泡、穩泡帶來不利的影響。因此對于不同凝析油加量條件下各泡排劑的起泡性進行了測試，實驗溫度為90 ℃，模擬地層水的礦化度為7.2×104mg/L，結果見圖4。總的來說，當體系中凝析油的含量逐漸升高時，各泡排劑的起泡性能均下降。凝析油的質量分數不大于20%時，起泡性能緩慢下降；當凝析油的質量分數由20%增至30%時，起泡性能急劇下降。由此可見，這5種泡排劑適用于凝析油的質量分數不大于20%時的氣井起泡排液作業。

圖4 泡排劑的抗凝析油性能

對比各種泡排劑單劑的抗凝析油性能可見，OPUS-087依舊是起泡效果最佳的泡排劑，當凝析油的質量分數不大于20%時，泡沫高度可以維持在60 mm以上，高于其他4種泡排劑的起泡效果；同時，當凝析油的質量分數達到30%時，其起泡性的降幅最小。

2.5 生物表面活性劑穩泡體系性能

實驗研究了H2、H3和H19這3種產生物表面活性劑的微生物細菌發酵液的加量對于OPUS-087泡排劑泡沫高度的影響。將H2、H3和H19發酵液稀釋至相同OD值，以此稀釋液為工作液，分別向0.3%的OPUS-087溶液中添加不同質量分數的發酵液工作液，測定300 s時的泡沫高度，結果如圖5所示。

圖5 生物表面活性劑發酵液加量對OPUS-087起泡性能的影響

H2和H3發酵液的加量為0.03%時，起泡性能有一定的下降，說明H2或H3發酵液對于OPUS-087的發泡有一定的抑制作用(起泡高度由初始的77.5 mm分別降至72.5 mm和60 mm)，但當H2和H3發酵液的加量增至0.06%以后，二者的作用即轉為了促進OPUS-087發泡；而對于H19發酵液來說，在其加量從0.03%增至0.12%的全過程中，OPUS-087的起泡性都有所增強。因此H2、H3發酵液與OPUS-087泡排劑的配伍性比H19發酵液差，H2、H3發酵液在低加量下對OPUS-087的發泡有一定的抑制作用。

從圖5還能看出3種發酵液的加量對OPUS-087起泡能力的影響。起泡能力基本不再隨著發酵液加量的增大而提高時，H2發酵液的加量為0.06%，泡沫高度90 mm；H3發酵液的加量為0.09%，泡沫高度115 mm；H19發酵液的加量為0.03%，泡沫高度100 mm。即H19發酵液促進起泡的效用可以在更低的加量下體現出來。當0.03%的H19發酵液加入0.30%的OPUS-087溶液中時，雖然混合液的起泡高度略低于加入0.09%H3發酵液時的起泡高度，但H19發酵液以0.03%的加量即可使OPUS-087的起泡性能提高約20%，證明H19發酵液具有優秀的起泡促進作用。

通過光學顯微鏡對0.03%的OPUS-087溶液起泡后泡沫的微觀狀態進行了觀察，結果見圖6。OPUS-087泡沫的大小有一定的差別，但體積較小的泡沫穿插在大體積泡沫周圍，形成了比較好的“堆積作用”，一定程度上加強了泡沫整體的穩定性。對比0 s與300 s時泡沫的狀態，發現泡沫基本沒有發生明顯的變化，從微觀尺度上證明了OPUS-087泡排劑產生的泡沫具有較好的穩定性。

圖6 泡沫微觀照片(放大倍數400倍)

3 結論

1)對OPUS-087與HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01這4種常用泡沫排水劑的起泡性、耐溫耐鹽性及抗凝析油性能進行了測試和對比，證明OPUS-087泡排劑具有較好的起泡性和泡沫穩定性，可以滿足礦化度小于7.2×104mg/L、溫度低于90 ℃、天然氣凝析油的質量分數小于20%的含水氣井泡沫排水工藝的應用需要。此條件下，0.30%的OPUS-087泡排劑300 s時的起泡高度為77.5 mm。

2)研究了H2、H3和H19發酵液在不同加量下對于0.30%的OPUS-087泡排劑起泡高度的影響，結果表明H19發酵液對于OPUS-087泡排劑起泡有促進使用，其加量為0.03%時即可使OPUS-087泡排劑溶液的起泡高度由77.5 mm提高到100 mm，是非常高效的起泡促進劑和泡沫穩定劑。

3)通過400倍顯微鏡對OPUS-087泡排劑溶液產生的泡沫進行了微觀形態研究，發現微觀狀態下的泡沫具有較好的互相支撐效果，泡沫產生300 s后狀態基本不變，具有較好的穩定性。

4)微生物發酵液與OPUS-087泡排劑的復配增強了主體泡排劑的起泡性能，同時有明顯的穩泡特性，其機理有待于進一步研究。

[1] 金忠臣, 楊川東, 張守良. 采氣工程[M]. 北京：石油工業出版社,2004(1/2/3),126-133.

[2] 鄧強, 白云, 董珂,等. 表面活性劑泡沫消除動力學研究[J]. 精細石油化工進展, 2017,18 (5): 15-17.

[3] 鄢友軍, 李農. 新型抗高溫高礦化度的泡沫排水劑[J]. 天然氣勘探與開發, 2003, 26(4):26-31.

[4] 李謙定, 盧永斌, 李善建,等. 新型高效泡排劑LYB-1的研制及其性能評價[J]. 天然氣工業, 2011,31(6):49-52.

[5] 唐金星, 海玉芝, 盛海燕,等. 耐溫抗鹽交聯聚合物體系成膠性能評價[J]. 石油與天然氣化工, 2013,42(4):392-397.

[6] 熊穎, 賈靜, 劉爽,等. 抗高溫泡沫排水用起泡劑的研究與性能評價[J]. 石油與天然氣化工, 2012,41(3): 308-310.

[7] 康凱璇, 蘭秀茹, 付娜, 等. 生物技術在石油污染修復領域的最新進展[J]. 石油化工安全環保技術,2015(5):71-75.

[8] 孟祥娟, 陳德飛, 曹獻平,等. 生物技術在老化油處理中的研究與應用進展[J]. 化工進展, 2016, 35(8): 2406-2411.

[9] 白劍, 石明杰, 付娜,等. 鉆井泥漿生物無害化處理技術的應用效果及發展趨勢[J].石油化工應用,2017,36(2):4-8.

[10] 張金秋. 糖脂類生物表面活性劑及其在稠油降粘中的應用研究 [D]. 山東青島：中國海洋大學 2012.

[11] 王娟娟, 張宇, 付娜, 等. 超低滲油藏微生物吞吐技術的礦場試驗[J]. 微生物學通報, 2016, 43(2):241-253.