適用于高溫儲(chǔ)層泡沫氣驅(qū)的發(fā)泡體系實(shí)驗(yàn)研究

徐曉凱

（1.西安石油大學(xué),西安 710000；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司青化砭采油廠,陜西 延安 716000）

適用于高溫儲(chǔ)層泡沫氣驅(qū)的發(fā)泡體系實(shí)驗(yàn)研究

徐曉凱1,2

（1.西安石油大學(xué),西安 710000；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司青化砭采油廠,陜西 延安 716000）

本文以發(fā)泡體積、析液半衰期和表面張力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)三種發(fā)泡劑、四種穩(wěn)泡劑和三種助劑在不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行篩選評(píng)價(jià)。

稠油；發(fā)泡劑；穩(wěn)泡劑；助劑

1 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

起泡劑性能評(píng)價(jià)方法有很多，諸如孔盤打擊法、傾注法、Ross-Miles法、WaringBlender法等。其中WaringBlender法是一種應(yīng)用較為普遍的評(píng)價(jià)起泡劑性能的方法。該法操作方便，使用藥品少，實(shí)驗(yàn)周期短，使用條件不受限制，并能較準(zhǔn)確地反映出起泡劑的起泡能力和穩(wěn)泡能力。實(shí)驗(yàn)流程嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5350-2009[2]鉆井液用發(fā)泡劑評(píng)價(jià)程序執(zhí)行，主要包括起泡劑的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在燒杯中加入一定濃度的起泡劑溶液，高速攪拌后，關(guān)閉開關(guān)，將燒杯中的溶液倒入1000ml量筒中立即讀取泡沫體積V0（ml），表示發(fā)泡劑的發(fā)泡能力；然后記錄從泡沫中析出1/2液體所需的時(shí)間t50（s），作為泡沫的析液半衰期，反映其穩(wěn)泡能力。

2 實(shí)驗(yàn)材料

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

分析天平、烘箱、KJ-1型實(shí)驗(yàn)室攪拌器、BX型超級(jí)恒溫器、燒杯、1000ml量筒、不銹鋼罐、秒表、表面張力儀、保鮮膜等。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑

發(fā)泡劑：α-烯烴磺酸鈉（AOS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）、十二烷基苯磺酸鈉（ABS）；穩(wěn)泡劑：聚丙烯酰胺（HPAM）、黃原膠、甜菜堿、羧甲基纖維素（CMC-1）；助劑：碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫發(fā)泡劑的篩選

以發(fā)泡劑AOS、ABS、AES為研究對(duì)象，在溫度為200℃下考察其發(fā)泡體積和表面張力，三種發(fā)泡劑的發(fā)泡體積均隨發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的增加而逐漸增大，當(dāng)發(fā)泡劑濃度增加到一定值時(shí)，發(fā)泡體積趨于平穩(wěn)。這是由于隨著發(fā)泡劑濃度的增加，泡沫表面粘度也隨之增大，從而使泡沫更加穩(wěn)定，發(fā)泡體積增大，繼續(xù)增大發(fā)泡劑濃度，使得發(fā)泡劑在泡沫液膜表面的濃度過大、密度增大、液膜排液趨勢(shì)增加，最終將導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性的下降。在這三種發(fā)泡劑中AOS的發(fā)泡效果明顯優(yōu)于AES和ABS，且AOS質(zhì)量濃度為0.3%時(shí)曲線的斜率最大，因此優(yōu)選出AOS的質(zhì)量濃度為0.3%；表面張力的總體趨勢(shì)是隨著發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的增加而增大的，且AES的表面張力值大于AOS和ABS，ABS的表面張力值最小。對(duì)發(fā)泡劑而言表面張力越小越容易發(fā)泡，且隨著表面張力的增加，泡沫穩(wěn)定性明顯下降。根據(jù)Gibbs原理，體系總是趨向于較低表面能的狀態(tài)過渡，低的表面張力使這一趨勢(shì)減小。由于在AOS濃度為0.3%時(shí)表面張力較低，因此優(yōu)選出的發(fā)泡性能相對(duì)較好的發(fā)泡劑為AOS，且質(zhì)量濃度應(yīng)為0.3%。

3.2 穩(wěn)泡劑的篩選

穩(wěn)定性是泡沫研究的核心問題。如果使用單一的發(fā)泡劑，其發(fā)泡性雖然很好但半衰期一般都很短，達(dá)不到預(yù)期的效果。為了提高泡沫的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)泡沫的半衰期，需加入穩(wěn)泡劑。本文對(duì)四種增粘性穩(wěn)泡劑進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

以HPAM、黃原膠、甜菜堿、CMC-1作為穩(wěn)泡劑，在溫度為200℃下，對(duì)不同穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡劑溶液的穩(wěn)泡性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究穩(wěn)泡劑類型和不同加量對(duì)發(fā)泡劑溶液表面張力的影響。

對(duì)于發(fā)泡體系：AOS+0.02%不同穩(wěn)泡劑+0.05%Na2CO3，當(dāng)溫度為200℃時(shí)，且其它條件相同的情況下，體系的發(fā)泡體積先隨AOS濃度的增加而增大，增大到一定程度時(shí)，發(fā)泡體積不再隨AOS濃度的增加而增大；四種穩(wěn)泡劑相比而言穩(wěn)泡效果較好的為黃原膠，這是由于黃原膠溶膠分子能形成超結(jié)合帶狀的螺旋共聚體，構(gòu)成脆弱的類似膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以能夠支持固體顆粒、液滴和起泡的形態(tài)，顯示出很強(qiáng)的乳化穩(wěn)定作用和高懸浮能力。在溫度為200℃下，對(duì)于不同濃度的不同穩(wěn)泡劑而言，在AOS中添加CMC-1和甜菜堿的發(fā)泡體系的表面張力相對(duì)較大，而添加黃原膠的體系表面張力相對(duì)較小，且在黃原膠濃度為0.02%時(shí)體系的表面張力相對(duì)較低。

3.3 助劑的篩選

以碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉作為助劑，分別來研究發(fā)泡劑溶液對(duì)這三種鹽的適應(yīng)性強(qiáng)度，考察在200℃下發(fā)泡劑溶液對(duì)不同助劑類型及加量的適應(yīng)性程度和對(duì)于同一發(fā)泡劑溶液而言溫度對(duì)其發(fā)泡性能的影響。

對(duì)于發(fā)泡劑體系：0.3%AOS+0.02%黃原膠+助劑，在溫度為200℃時(shí)，可知加入鹽類助劑后發(fā)泡劑溶液的發(fā)泡體積均下降，這是因?yàn)閺?qiáng)電解質(zhì)的加入，導(dǎo)致液膜表面擴(kuò)散雙電層被壓縮，zeta電位降低，從而泡沫穩(wěn)定性變差。0.3%AOS+0.02%黃原膠的發(fā)泡劑溶液對(duì)碳酸氫鈉助劑的適應(yīng)性要比其它兩種助劑相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)硅酸鈉的適應(yīng)性相對(duì)較弱，其中碳酸氫鈉極易受熱分解，生成碳酸鈉、水和二氧化碳，其中二氧化碳能促進(jìn)發(fā)泡劑發(fā)泡，從而提高泡沫的發(fā)泡性能，且從圖中可以看出發(fā)泡體積先隨助劑加量的增加而增大，當(dāng)助劑濃度增加到0.09%后發(fā)泡體積隨助劑加量的增加反而減小，因此碳酸氫鈉的適宜濃度為0.09%。

對(duì)于發(fā)泡體系：AOS+0.02%黃原膠+0.09%碳酸氫鈉而言，發(fā)泡體積隨溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，氣體分子動(dòng)能隨之增加，使得氣體擴(kuò)散速度增加，且體系因整體能量的增加而變得不穩(wěn)定，從而引起泡沫穩(wěn)定性的下降。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)溫度為200℃時(shí)，相比而言AOS的發(fā)泡性能較好，且AOS在質(zhì)量濃度為0.3%發(fā)泡體積增大斜率最大且表面張力較低，因此發(fā)泡效果相對(duì)好的發(fā)泡劑為AOS且質(zhì)量濃度為0.3%。

（2）在200℃下對(duì)四種增粘性穩(wěn)泡劑通過篩選評(píng)價(jià)后得出穩(wěn)泡性能相對(duì)較好的為黃原膠且濃度為0.02%。

（3）在200℃對(duì)三種鹽類助劑通過篩選評(píng)價(jià)后得出發(fā)泡劑溶液對(duì)碳酸氫鈉助劑的適應(yīng)性較強(qiáng)且適宜濃度為0.09%。

[1]郝立軍.稠油熱采氮?dú)馀菽{(diào)驅(qū)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].石油地質(zhì)與工程，2010（03）：127-129.

[2]SY/T5350-2009.鉆井液用發(fā)泡劑評(píng)價(jià)程序.中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].國(guó)家能源局發(fā)布.2009-12-01發(fā)布.2010-05-01實(shí)施.