一種超低表面張力高性能起泡劑的制備方法與性能測試

李奎,余何,湯永昌

(九江藍卓新材料科技有限公司,江西 九江 332099)

在油田開發作業中,需要加入起泡劑,從而改善或恢復油井生產,但現有發泡劑普遍存在的起泡量低、泡沫穩定性差、高溫條件不能達到理想效果的三大問題,我們提供了一種超低表面張力高性能起泡劑及制備方法,旨在解決以上三大問題。

1 技術與研發背景

在油田開發中,泡沫體系可以用于油田調剖、驅油、鉆井、排水采氣、壓裂、酸化、水泥固井和沖砂洗井等多個技術工藝環節中,發泡劑在油田開發中有著極為廣泛的應用。泡沫是在發泡劑作用下氣體在液相中形成的一種分散體系,泡沫具有一定的排水采氣能力,因而泡沫具有提高油氣井采收率的作用。泡沫也廣泛用于鉆井及排水采氣中,大部分油氣田開采到中后期,地層壓力下降,采用泡沫鉆井是最好的選擇,可以提高鉆井速度、降低儲層傷害。在油井酸化作業中,需要在洗井液里面加入一定濃度的起泡劑,有利于工作液的表界面張力,增加酸化作業波及的范圍,降低泵壓,同時產生的泡沫還會把井筒內的不溶性污垢和小顆粒攜帶出來,從而改善和恢復油井的生產。綜上可見,起泡劑在油氣田開發和油氣井增產措施中具有極為重要的作用,目前油田開發中使用的起泡劑大多是應用領域較窄的產品,如在高溫條件下大多起泡量低,穩泡效果差不能達到理想使用效果,正是出于此背景,所以我們著手研發了這一款發泡和穩泡性能俱佳,并且具有良好的抗溫性,可以運用于油田開發作業多個領域的高性能起泡劑產品。

2 室內評價

2.1 超低表面張力高性能起泡劑的制備工藝

一種超低表面張力高性能起泡劑,其特征在于包括如下重量百分比的組分:烷基糖苷20%～30%,椰子油脂肪酸丙氨酸鈉3%～10%,月桂酰胺丙基氧化胺5%～10%,椰油酰胺丙基氧化胺1.0%～1.5%,十二烷基二甲基氧化胺5%～15%,硅樹脂聚醚乳液0.5%～2%和去離子水35%～60%,以上組分總和為100%。

一種高性能起泡劑的制備方法,包括如下步驟:

步驟一:按照配比稱取原料,將一部分去離子水與椰子油脂肪酸丙氨酸鈉按比例 混合均勻后添加到反應釜中,并將反應釜升溫至50 ℃保持;

步驟二:在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷、月桂酰胺丙基氧化胺、椰油 酰胺丙基氧化胺、十二烷基二甲基氧化胺、硅樹脂聚醚乳液和剩余的去離子水,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液;

步驟三:根據溶液酸堿度,加入pH值調節劑,靜置冷卻后,即為所述高性能起泡劑。

在本實施方式中,所述椰子油脂肪酸丙氨酸鈉是一種離子型氨基酸表面活性劑;所述烷基糖苷是用葡萄糖和脂肪醇合成的、復雜糖苷化合物中糖單元大于等于2的烷基多糖苷;所述椰油酰胺丙基氧化胺是一種兩性表面活性劑,與陰離子、陽離子、兩性離子和非離子表面活性劑相溶性好;所述十二烷基二甲基氧化胺是一種特殊的兩性表面活性劑;所述步驟三中pH值調節劑為5%乙酸溶液,調節范圍為6.0～8.0;所述硅樹脂聚醚乳液,表面能小,在一定含量內穩泡效果好。

2.2 高性能起泡劑樣品制備實例

為了使高性能起泡劑制備技術方案及優點更加清楚明白,以下我們從本起泡劑研發過程的實驗中選取六組不同的起泡劑樣品制備實例來對本起泡劑制備進行進一步說明。其中1#、2#、3#起泡劑樣品原料相同而配比不同,而4#、5#、6#為1#樣品的緊密對照組,4#樣品比起1#樣品少添加了硅樹脂聚醚乳液這項具有穩泡作用的原料,而5#樣品則超量添加了硅樹脂聚醚乳液這項原料,而6#樣品把1#樣品中的發泡劑主要原料從烷基糖替換成了脂肪醇聚氧乙烯醚葡萄糖苷,

1#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水3.3 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉1.0 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷2.5 kg、月桂酰胺丙基氧化胺1.0 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.1 kg、十二烷基二甲基氧化胺1.0 kg、硅樹脂聚醚乳液0.1 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

2#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水3.75 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉0.8 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷2.5 kg、月桂酰胺丙基氧化胺0.8 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.12 kg、十二烷基二甲基氧化胺0.9 kg、硅樹脂聚醚乳液0.13 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

3#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水4.4 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉0.5 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷2.4 kg、月桂酰胺丙基氧化胺0.6 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.15 kg、十二烷基二甲基氧化胺0.8 kg、硅樹脂聚醚乳液0.15 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

4#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水3.4 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉1.0 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷2.5 kg、月桂酰胺丙基氧化胺1.0 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.1 kg、十二烷基二甲基氧化胺1.0 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

5#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水3.3 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉0.9 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入烷基糖苷2.4 kg、月桂酰胺丙基氧化胺1.0 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.1 kg、十二烷基二甲基氧化胺0.8 kg、硅樹脂聚醚乳液0.5 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

6#起泡劑樣品制備實例:將按質量百分比稱取好的去離子水3.3 kg和椰子油脂肪酸丙氨酸鈉1.0 kg去加入反應釜中升溫到50 ℃,在反應釜升溫至50 ℃時,開始加入脂肪醇聚氧乙烯醚葡萄糖苷2.5 kg、月桂酰胺丙基氧化胺1.0 kg、椰油酰胺丙基氧化胺0.1 kg、十二烷基二甲基氧化胺1.0 kg、硅樹脂聚醚乳液0.1 kg和剩余的去離子水1.0 kg,控制攪拌速度,持續低速攪拌,攪拌1～2 h,得到混合溶液。然后根據溶液酸堿度加入篇pH值調節劑溶液,降至室溫可以得到起泡劑。

2.3 起泡劑樣品性能測試

2.3.1 表面張力測試

測試儀器:BYZ-2表面張力儀。

測試方法步驟:

1)取發泡劑用25 ℃的蒸餾水配制成質量濃度為0.5%的發泡劑溶液;

2)之后取少量配制好的發泡劑溶液用表面張力儀測量其表面張力值。通過以上方法分別測試出1#、2#、3#、4#、5#、6#起泡劑樣品的表面張力值,結果如表1。

表1 六組樣品表面張力值

從各組樣品的表面張力值結果中我們可以看出6#起泡劑樣品溶液的表面張力值高于其他幾組樣品,而其他幾組樣品的表面張力值差距不大且都處于優秀值范圍內,說明在本起泡劑原料體系中使用脂肪醇聚氧乙烯醚葡萄糖苷為作為發泡劑的一項主要原料去替換烷基糖苷,會帶來表面張力值的升高。

2.3.2 發泡率測試

測試儀器:GJ-2S型高速攪拌器,秒表。

測試方法步驟:

1)調整高速攪拌器的轉速標,使其穩定在9 000 r/min的位置;

2)用移液管取被測發泡劑樣品1 mL置于高速攪拌器的量杯中,然后在量杯中加入200 mL 25 ℃的蒸餾水,將量杯安置在高速攪拌器上;

3)啟動高速攪拌器,并開始計時。攪拌1 min,關閉高速攪拌器,秒表繼續計時;

4)將高速攪拌器量杯內的泡沫轉移至1 000 mL量筒中,記錄泡沫的毫升數V。

通過發泡率=(V-200)÷V×100%,算出1#、2#、3#、4#、5#、6#起泡劑樣品的發泡率值,結果如表2。

表2 六組樣品發泡率值

從樣品發泡率的測試結果中我們可以明顯看出,5#樣品的發泡率完全不合格,顯著低于其他幾組樣品,這是因為硅樹脂聚醚乳液加量超標,不但沒起到穩泡作用還起到了一定的抑泡作用,經過我們多次實驗測試發現在我們的發泡劑體系中硅樹脂聚醚乳液占比在0.5%～2.0%才能起到優良的穩泡作用,而當加量高于4.3%時則會起到一定的抑泡作用,所以5#樣品的配方為失敗配方,所以后續也不再測試5#樣品的其他性能。我們也可以看出6#樣品的發泡率稍低于1#、2#、3#、4#,這有可能是因為6#起泡劑樣品表面張力值要高于其他四組樣品,而表面張力值的高低是決定發泡劑發泡率的一項關鍵因素。

2.3.3 半衰期測試

測試儀器:GJ-2S型高速攪拌器。

測試方法步驟:

1)在25 ℃室溫下,稱取或量取0.5 g的發泡劑于攪拌杯中,加入100 mL蒸餾水,置于高速攪拌器之上,在轉速為10 800 r/min的轉速條件下,攪拌1 min;

2)攪拌完畢后,立即取下攪拌杯,同時啟動秒表,開始記錄消泡時間,降攪拌杯中的所有物質全部倒入1 000 mL量筒中,讀取發泡體積;這步操作應在10 s內完成;

3)讀取從泡沫中析出液體達到50 mL的時間,即為半衰期;

4)通過上述方法分別測試出1#、2#、3#、4#、6#起泡劑樣品的半衰期值,本實驗每組樣品都重復三次,取三次實驗半衰期的算數平均值為半衰期值。各組樣品半衰期值結果如表3。

表3 五組樣品半衰期值

從樣品半衰期的測試結果中我們可以看出,4#起泡劑樣品的半衰期值要低于1#、2#、3#樣品,而在半衰期上又呈現1#樣品>2#樣品>3#樣品與6#樣品>2#樣品>3#樣品的現象,我們推測4#樣品半衰期較低的原因是因為樣品中沒有添加硅樹脂聚醚乳液,經過多次實驗我們發現在本起泡劑原料體系下硅樹脂聚醚乳液具有穩泡性,而配合椰子油脂肪酸丙氨酸鈉一起使用則具有更好的穩泡效果可以提高發泡劑的半衰期,在一定范圍內椰子油脂肪酸丙氨酸鈉含量越高則硅樹脂聚醚乳液表現出的穩泡性能越好,這正是半衰期上1#樣品>2#樣品>3#樣品的原因。我們又對脂肪醇聚氧乙烯醚葡萄糖苷為主要發泡原料的6#樣品也設置了兩個對照組樣品,一個去掉了硅樹脂聚醚乳液成分,一個保留硅樹脂聚醚乳液成分而減少了椰子油脂肪酸丙氨酸鈉成分,那兩組樣品經測試出的半衰期值也都要低于6#樣品。不含硅樹脂聚醚乳液的4#樣品半衰期數值沒有達到600 s的標準,其后續性能也不再測試。

2.3.4 樣品排水攜液量測試

在90 ℃模擬氣井油管條件下,使發泡劑溶液產生泡沫,通過一定時間12 min內的攜液量來表示發泡劑樣品的排水能力,不同發泡劑樣品的排水能力見表4。

表4 四組樣品排水能力指標

從各組樣品排水性能的測試結果中我們可以看出1#、2#、3#樣品差距不大,而6#樣品則明顯低于1#、2#、3#樣品。

2.3.5 樣品高溫老化后發泡量測試

取4個高溫老化罐,每個老化罐中加入4%預水化膨潤土漿100 mL,1 g NaCl和4 mL原油,然后分別加入1#、2#、3#、6#發泡劑樣品;密閉老化罐,樣品在200 ℃高溫條件下老化12 h,冷卻至室溫,將4個老化罐中試樣分別移至到4個高攪杯中,高速攪拌1 min移至500 mL量筒測定泡沫體積,即為高溫發泡量,通過高溫老化后的發泡量來表示樣品耐高溫性能,發泡劑樣品的高溫發泡能力見表5。

表5 四組發泡劑樣品高溫發泡性能指標

從各組樣品耐高溫性能的測試結果中我們可以看出,6#樣品在耐高溫方面要優于1#、2#、3#樣品,但1#、2#、3#樣品的高溫老化后的發泡量也處于優秀值范圍內,也具有良好的耐高溫性能。

2.3.6 樣品配伍性測試結果

經實驗測定1#、2#、3#、6#四款樣品在與壓裂液配伍上都能做到不影響壓裂液基液黏度及凍膠黏度,在85 ℃條件下1#、2#、3#與包括高黏度油田助劑在內的幾乎所有油田助劑一起放置在地層水中24 h后都不會出現沉淀和絮凝現象,而6#樣品在85 ℃條件下與黏度高的那一類油田助劑一起放置在地層水中24 h后會出現不同程度的絮凝和少量沉淀的現象。

2.3.7 樣品測試總結

通過對以上樣品表面張力、發泡率、半衰期、排水攜液量、高溫老化后發泡量、配伍性等性能指標的測試,我們發現以烷基糖苷、椰子油脂肪酸丙氨酸鈉、月桂酰胺丙基氧化胺、椰油酰胺丙基氧化胺、十二烷基二甲基氧化胺、硅樹脂聚醚乳液和去離子水為原料制備出來的1#、2#、3#起泡劑樣品綜合性能更好,而樣品中如果缺少了硅樹脂聚醚乳液則穩泡性能則明顯變差,而把1#樣品中的烷基糖苷替換為脂肪醇聚氧乙烯醚葡萄糖苷的6#起泡劑樣品雖然在抗高溫性能方面更為突出,但綜合性能則差一些,而以上六組樣品也只是我們從眾多實際操作案例中選取出的六組,通過大量實驗測試,我們最終確定下了一種超低表面張力高性能起泡劑的工藝配方(其具體如本文2.1節內容所示),而其中綜合性能最優的原料比例配方即為1#樣品的配方。

2.4 起泡劑產品特點

與現有技術相比,本起泡劑的有益效果是:可用于油氣井鉆井、油氣井通井洗井、油氣井酸化壓裂、氣井排水采氣等油氣用開發作業,具有表面張力低、耐高溫、起泡量高、泡沫均勻穩定的顯著效力性和與絕大多數油田助劑都能配伍的廣泛適用性的特點。

3 結語

通過合理的配方設計及多次的實驗測試我們最終得出了以烷基糖苷、椰子油脂肪酸丙氨酸鈉、月桂酰胺丙基氧化胺、椰油酰胺丙基氧化胺、十二烷基二甲基氧化胺、硅樹脂聚醚乳液和去離子水為原料的高性能起泡劑的制作工藝并且還測試出了其中的綜合最優配方,得到的消泡劑產品起泡性能卓越而穩定,深度符合質量標準。而且本消泡劑整個的生產工藝路線收率高而副產物少對環境無污染,同時產品安全可靠,對地層無傷害,在實際現場中已取得具體的商業效果。