一種陰離子起泡劑的起泡性能影響因素分析

李 翔, 劉 偉, 李松巖, 李兆敏

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院,天津300450;2.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555)

自1956年 Fried首次對泡沫驅(qū)油進行研究和1958年Bond等發(fā)表世界上第一份泡沫驅(qū)油專利以來,泡沫流體在油田的應用已有50多年的歷史,現(xiàn)在已成為油氣田開發(fā)中的一個重要發(fā)展方向。因為泡沫具有摩阻低、密度低、濾失量小、攜帶固體顆粒能力強、“堵大不堵小”、“堵水不堵油”等優(yōu)點,因此其廣泛應用于三次采油、調(diào)剖堵水、分流酸化及沖砂洗井等方面[1-4]。起泡劑是泡沫生成的關(guān)鍵因素之一,它可以降低液相的表面張力和體系的表面自由能,使泡沫體系得以穩(wěn)定,不同的儲層條件對起泡劑性能影響較大,因此針對不同的油藏條件,應選擇相應的起泡劑,以保證施工效果。起泡劑為表面活性劑,主要包括陰離子起泡劑、陽離子起泡劑、非離子起泡劑、兩性離子起泡劑、聚合物起泡劑和復合型起泡劑等,陰離子表面活性劑因界面活性高、耐溫性好而經(jīng)常被作為一種良好的起泡劑。其中,磺酸鹽是陰離子表面活性劑中產(chǎn)量最大,應用領(lǐng)域最廣的一種[5-6]。本文對一種油田用陰離子磺酸鹽起泡劑(FA220)進行了室內(nèi)實驗研究,分析了其耐溫、耐鹽及耐油性的效果和機理,為現(xiàn)場應用提供了理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

常規(guī)起泡劑性能主要從兩個方面進行評價,一方面是起泡能力,另一方面是穩(wěn)定性。評價起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的參數(shù)主要是起泡體積V0和半衰期t50。本實驗中選用 Waring Blender法對起泡劑FA220進行性能評價,這種方法所用的藥品少,實驗周期短,使用條件受限制較少[7]。

實驗時,在量杯中加入100 mL一定質(zhì)量分數(shù)的起泡劑溶液,高速(8 000 r/min)攪拌3 min后,關(guān)閉開關(guān),馬上讀取泡沫體積,表示發(fā)泡劑的發(fā)泡能力。然后記錄從泡沫中析出50 mL液體所需的時間,作為泡沫的半衰期,反映其穩(wěn)定性。本實驗主要針對礦化度、聚合物質(zhì)量濃度、溫度和含油飽和度對起泡劑性能的影響進行了實驗。

1.2 實驗試劑及裝置

實驗試劑:陰離子表面活性劑(FA220)、NaCl (分析純)、CaCl2(分析純)、MgCl2(分析純)、聚丙烯酰胺(分析純)、原油(50℃時粘度為36 mPa·s)、蒸餾水等。

實驗裝置:高速攪拌機、恒溫水浴、恒溫箱、天平、量筒等。

2 結(jié)果與討論

2.1 起泡劑質(zhì)量分數(shù)對起泡劑性能的影響

圖1中所用的起泡劑基液為蒸餾水加不同質(zhì)量分數(shù)的FA220起泡劑配制而成,實驗溫度為25℃。

Fig.1 The relationship between foaming agent concentration and foaming volume and half-time圖1 起泡劑與起泡體積和半衰期的關(guān)系

從圖1中可以看出,隨著起泡劑質(zhì)量分數(shù)的增加,起泡體積與半衰期均呈現(xiàn)出一定的波動性,但是其均在起泡劑質(zhì)量分數(shù)為0.6%時達到最大值,因此在后續(xù)的實驗中起泡劑的使用質(zhì)量分數(shù)定為0.6%。

2.2 礦化度對起泡性能的影響

針對地層水中主要的無機鹽類型,主要評價了在25℃時NaCl,Ca2+和Mg2+對起泡劑性能的影響。實驗結(jié)果如圖2所示。

Fig.2 The relationship between salinity concentration and foaming volume and half-time圖2 礦化度與起泡體積和半衰期的關(guān)系

從圖2(a)中可以看出,起泡劑FA220的起泡體積和半衰期隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加逐漸減小,但是當NaCl質(zhì)量濃度超過5 g/L后,起泡體積和半衰期均有一定程度的恢復,當NaCl質(zhì)量濃度達到10 g/L時,其半衰期僅降低20.2%。從圖2(b)和圖2(c)可以看出,Ca2+和Mg2+對起泡劑FA220的起泡體積影響較小,對半衰期影響較大。Ca2+質(zhì)量濃度超過0.4 g/L時,起泡劑FA220的穩(wěn)定性略有降低,Mg2+質(zhì)量濃度超過 0.2 g/L時,起泡劑FA220的穩(wěn)定性則開始增加。其原因是,在表面活性劑FA220溶液體系中加入無機鹽后會使其表面活性增強,表現(xiàn)為溶液的表面張力和臨界膠束濃度顯著降低[8-10],而且溶液的臨界膠束質(zhì)量濃度隨著無機離子質(zhì)量濃度的增加而降低,表面活性增強,其泡沫性能降低,表現(xiàn)為起泡體系出現(xiàn)一定的降低,這是因為反離子效應(與表面活性劑離子所帶電荷相反的無機離子常稱之為反離子)。對陰離子表面活性劑而言,金屬離子就是其反離子。表面活性劑FA220是一種陰離子型表面活性劑,具有兩親結(jié)構(gòu)的分子,其荷電基團在強電場下,周圍會形成三個水化域[11],即最里層的電縮水化水(簡稱水化水),中間的部分失去規(guī)整性的水化層和以外的普通狀態(tài)水。離子型表面活性劑的耐鹽性與荷電基團周圍的電縮水化層厚度密切相關(guān),對于—SO3H基團,Ca2+的去水化能力遠遠強于Mg2+,導致加入Ca2+的表面活性劑FA220離子的電縮水化水層相對Mg2+要薄,影響了表面活性劑的性能。另外無機鹽比較容易使離子型表面活性劑在溶液中鹽析而沉淀出,對于泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。

2.3 聚合物對起泡性能的影響

增加起泡劑溶液的粘度有利于增加泡沫的穩(wěn)定性,因此經(jīng)常把聚合物作為泡沫的穩(wěn)泡劑,但加入穩(wěn)泡劑后會減小泡沫的起泡體積。同時在較高的礦化度條件下,聚合物的增粘效果會減弱,為此評價了溫度為25℃,礦化度在10 g/L情況下聚合物HPAM對起泡劑性能的影響。實驗結(jié)果見圖3。

Fig.3 The relationship between polymer concentration and foaming volume and half-time圖3 聚合物質(zhì)量濃度與起泡體系和半衰期關(guān)系

從圖3可以看出,起泡劑FA220的起泡體積隨著聚合物質(zhì)量濃度的增加而減小,而半衰期則隨著聚合物質(zhì)量濃度的增加而增加,在聚合物質(zhì)量濃度超過0.8 g/L后,半衰期增加的幅度明顯減小。這主要是因為聚合物的加入增大了泡沫基液體系的粘度,一方面液相粘度增加,起泡時需要克服的粘滯阻力相應增大,起泡體積相對減小;另一方面,粘度增加,相同條件下液膜排液速度降低,氣泡之間的氣體交換速度也降低,因此泡沫半衰期增加。這兩方面的影響是同時起作用的,當一方面起主導作用時,半衰期即增大或減小,當兩方面影響相當時,半衰期變化不明顯。在實際應用中,可以選擇聚合物質(zhì)量濃度為0.3～0.8 mg/L,在此質(zhì)量濃度范圍內(nèi),起泡體積和半衰期均有較為理想的效果。

2.4 溫度對起泡性能的影響

表面活性劑隨著溫度升高,其表面活性會增加,但是超過一定溫度后,有可能會破壞表面活性劑結(jié)構(gòu),而且隨著溫度的升高,氣體膨脹性也越強,也有可能對起泡劑性能產(chǎn)生消極影響,為此,測量了不同溫度下起泡劑 FA220的起泡性能,結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,FA220的半衰期隨著溫度的增加而急劇減小,其起泡體積隨著溫度的增加先增加后減小。這主要是因為在一定溫度范圍內(nèi),溫度升高時起泡劑分子運動加快,起泡劑分子間距離增大,動能增加時分子容易擺脫水的束縛而逃逸到水面,導致表面吸附的起泡劑分子增多,表面張力下降,即表現(xiàn)為起泡體積增加。但隨著溫度的繼續(xù)升高,液膜的水分蒸發(fā)加劇,使液膜變薄,排液速度加快,則泡沫容易破滅,在 Waring Blender高速攪拌器的攪拌下生成的泡沫很快消失。由此可見, FA220起泡劑應用的最佳范圍為40～70℃,但是采用Waring Blender方法的實驗條件和實際井筒和地層條件相差很多,實際井筒和地層是在高壓條件下,泡沫液膜不會蒸發(fā),泡沫的穩(wěn)定性會大大提高,因此,在實際應用過程中其溫度適應范圍可適當提高。

Fig.4 The relationship between temperature and foaming volume and half-time圖4 溫度與起泡體積和半衰期的關(guān)系

2.5 含油飽和度對起泡性能的影響

實驗采用了Waring Blender評價方法,在溫度為25℃情況下,采用了3種實驗條件:①起泡劑溶液中加入原油后攪拌,轉(zhuǎn)速為7 000 r/min,攪拌時間3 min;②起泡劑溶液中加入原油后攪拌,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,攪拌時間3 min;③起泡劑溶液攪拌起泡后加入原油,轉(zhuǎn)速為7 000 r/min,攪拌時間3 min。起泡性能如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6中可以看出,采用3種實驗方法測得的起泡體積均隨著含油飽和度的增加而減小,1號和3號實驗方法測得的半衰期隨著含油飽和度的增加而減小,2號實驗方法測得的半衰期先減小,而后略有上升,說明原油具有較為明顯的消泡作用,對泡沫的穩(wěn)定性具有負面的影響。

Fig.5 The relationship between oil saturation and foaming volume圖5 起泡體積與含油飽和度關(guān)系

Fig.6 The relationship between oil saturation and half-time of foam圖6 泡沫半衰期與含油飽和度的關(guān)系

在相同含油飽和度情況下,采用2號實驗方法測得的起泡體積和半衰期要明顯低于其他兩種實驗方法,其原因主要是攪拌速率要明顯低于其他兩種實驗方法,形成的泡沫較高速攪拌形成的泡沫均勻性要差。對比1號和3號實驗可以看出,采用先加原油和后加原油時起泡體積相差較小,但是其半衰期變化規(guī)律出現(xiàn)了明顯的差異,在含油飽和度超過20%后,先加入原油的半衰期出現(xiàn)一定程度的上升。其原因是在磺酸鹽和高速攪拌作用下,原油形成了油水乳化液,乳化液液滴平均粒徑越小,分散度越大,液膜也越穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)有研究,在磺酸鹽與原油乳化過程中,油水體積比對乳狀液液滴結(jié)構(gòu)影響較大,隨著含油飽和度的增加,乳狀液平均粒徑和分散度先增大后減小[12]。乳狀液平均粒徑的變化趨勢會導致液膜穩(wěn)定性先下降后上升,而分散度的變化趨勢則會導致液膜穩(wěn)定性先上升后下降。從圖6中實驗測得的數(shù)據(jù)可以看出,隨著含油飽和度的增加,液膜的穩(wěn)定性先下降后上升,說明乳狀液平均粒徑對液膜穩(wěn)定性的影響要大于分散度對其的影響。

2號實驗過程中由于攪拌速率要低,并沒有形成較為穩(wěn)定的乳狀液,因此其半衰期隨著含油飽和度的增加而減小。在實際油藏條件下,泡沫與原油的接觸關(guān)系與3號實驗更為相符,水驅(qū)后在較低滲透率層由于含油飽和度較高,泡沫與殘余油接觸后其穩(wěn)定性降低而大量的消泡;在高滲透率層,由于含水相對較高,泡沫的消泡作用不明顯,這兩種作用的結(jié)果導致泡沫得以在高滲透率地層穩(wěn)定存在,滲流阻力較大,形成較好的封堵作用,而在低滲透率地層由于消泡作用滲流阻力較好,可以實現(xiàn)“堵大不堵小”,因此泡沫具有良好的調(diào)剖能力。

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