泡排井用起泡劑室內(nèi)評(píng)價(jià)及影響因素研究

閻曉雨，敬加強(qiáng)，晏梓洋，唐藝文，陳文，馬蒞，趙清源

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 綿陽(yáng) 621799）

泡排井用起泡劑室內(nèi)評(píng)價(jià)及影響因素研究

閻曉雨1,2，敬加強(qiáng)1，晏梓洋1，唐藝文1，陳文1，馬蒞1，趙清源1

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司 川西北氣礦，四川 綿陽(yáng) 621799）

起泡劑作為泡排工藝的核心化學(xué)助劑，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用前，對(duì)其各項(xiàng)性能的評(píng)價(jià)是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文對(duì)目前使用較為廣泛的UT-11C型起泡劑開(kāi)展了室內(nèi)研究，采用經(jīng)典的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合自行設(shè)計(jì)的泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：該型起泡劑起泡和穩(wěn)泡性能良好，起泡基液濃度、溫度和礦化度對(duì)起泡劑有較為明顯的影響，起泡劑濃度 5‰、溫度 40 ℃時(shí)起泡性能最佳，而在礦化度高于60 g/L的環(huán)境中泡沫穩(wěn)定性極差。通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法的綜合考查，能夠更加全面的認(rèn)識(shí)起泡劑性能。

泡沫排水；起泡劑；影響因素；評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

在氣田開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，為解決因地層水侵入導(dǎo)致的產(chǎn)量下降或停產(chǎn)的問(wèn)題，優(yōu)選泡沫排水工藝，即通過(guò)向井底注入表面活性劑使得井內(nèi)水分散成低密度泡沫，增強(qiáng)氣井帶水能力，將地層水帶出井口升舉到地面。泡排工藝具有排液量大、較深井況適宜性強(qiáng)、地面及環(huán)境條件要求低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、投資小、效益好、加注靈活且免修期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。

起泡劑作為泡排工藝的核心化學(xué)助劑，其性能優(yōu)劣決定著泡排井能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和延長(zhǎng)自噴期的目標(biāo)[3]。起泡劑性能的常規(guī)評(píng)價(jià)手段，屬于靜態(tài)評(píng)價(jià)，包括氣流法、Ross-Miles法、攪拌法等。本文引入自行設(shè)計(jì)搭建的泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)在某氣田廣泛應(yīng)用的UT-11C型起泡劑，采用動(dòng)靜結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，開(kāi)展系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 起泡劑基本性能

泡沫排水采氣是一個(gè)從井底到井筒再到地面的長(zhǎng)距離、復(fù)雜過(guò)程，因此對(duì)于起泡劑性能的考查也是多方面的：起泡能力強(qiáng)，攜液量大，泡沫穩(wěn)定性適中，與地層介質(zhì)良好配伍[4-6]。

1.2 起泡劑性能評(píng)價(jià)方法

室內(nèi)靜態(tài)評(píng)價(jià)選用攪拌法（Waring-Blender法[7]），是將定量的試液置于一定規(guī)格的刻度容器內(nèi)，再用攪拌器攪拌一段時(shí)間，記錄泡沫高度和析出液體時(shí)間，可用于衡量泡沫體系起泡能力、穩(wěn)定性兩方面的性能，實(shí)驗(yàn)裝置選用GJ-1型高速攪拌機(jī)。

表面張力：參照SY/T 6465-2000推薦使用圓環(huán)法測(cè)定試液的表面張力，選用DT-102型全自動(dòng)界面張力儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

室內(nèi)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)選用泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，該套裝置由氣體控制系統(tǒng)、起泡基液控制系統(tǒng)、泡沫生成系統(tǒng)、管流測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等五部分組成。它能夠?qū)崿F(xiàn)在多氣液比、多工況設(shè)定條件下的泡沫生成、流動(dòng)、測(cè)定、收集等功能，模擬氣-液-泡沫流體在管道內(nèi)的流動(dòng)，滿足起泡劑的動(dòng)態(tài)起泡能力、攜液性能、半衰期等的測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)以起泡高度、半衰期及起泡基液的表面張力作為起泡劑評(píng)價(jià)主要指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)分為兩部分：（1）在不同濃度、溫度、pH值及地層水礦化度條件下，采用靜態(tài)評(píng)價(jià)測(cè)定UT-11C型起泡劑的起泡能力、半衰期及表面張力，分析各因素對(duì)其起泡性能的影響；（2）根據(jù)靜態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，選擇影響程度明顯的因素，利用泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)一步研究在流動(dòng)過(guò)程中各因素的影響情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 濃度影響

在常溫下，將UT-11C起泡劑分別配置兩組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰、2‰、5‰、8‰、10‰的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測(cè)定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測(cè)定其表面張力，結(jié)果如圖1。

圖1 濃度影響實(shí)驗(yàn)Fig.1 Tests of concentration influence

隨著起泡劑濃度的增大，體系的發(fā)泡量先以較為明顯的趨勢(shì)增加，濃度 5‰時(shí)達(dá)到最大起泡量，隨后增加的趨勢(shì)變緩，并出現(xiàn)發(fā)泡量一定程度的下降。不同濃度下每100 mL起泡基液起泡體積均達(dá)到550 mL以上，起泡劑起泡效果較好；泡沫體系的半衰期達(dá)到4.0 min以上，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，半衰期受起泡劑濃度影響較小；隨著溶液中起泡劑濃度的增加，溶液表面張力大幅下降，在濃度 5‰左右達(dá)到最低值，5‰后表面張力變化不大。因此，起泡劑濃度在5‰時(shí)，能夠達(dá)到最佳起泡效果。

2.1.2 溫度影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2‰，溫度為5、10、20、40、60 ℃的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測(cè)定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測(cè)定其表面張力，結(jié)果如圖2。

圖2 溫度影響實(shí)驗(yàn)Fig.2 Tests of temperature influence

泡沫體積隨著溫度的升高，呈較快增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在40 ℃時(shí)，泡沫體積達(dá)到624 mL，起泡效果最好；超過(guò)40 ℃后，泡沫的起泡量又隨著溫度升高，呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。而隨著溫度升高，泡沫體系半衰期呈顯著下降的趨勢(shì)，泡沫穩(wěn)定性變差。雖然溶液表面張力隨溫度升高而下降，但分析認(rèn)為較高溫度下表面活性增強(qiáng)，有利于增強(qiáng)泡沫發(fā)泡性能。

2.1.3 pH值影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2‰，pH值為2、4、6、8、10的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測(cè)定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測(cè)定其表面張力，結(jié)果如圖3。

圖3 pH值影響實(shí)驗(yàn)Fig.3 Tests of pH influence

起泡劑在酸性、中性或者堿性條件下，起泡性能均未出現(xiàn)明顯變化，起泡量均能夠達(dá)到 600 mL以上，起泡效果良好，起泡性能基本不受pH的影響；泡沫體系半衰期維持在3.5 min以上，泡沫穩(wěn)定性受溶液酸堿性影響不大；溶液表面張力保持在29.20 mN/m左右，基本不受溶液酸堿性影響。

2.1.4 礦化度影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地層水水型，取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2‰，礦化度為 20 000、40 000、60 000、80 000、100 000的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測(cè)定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測(cè)定其表面張力，結(jié)果如圖4。

隨地層水礦化度越高，起泡劑起泡能力略有增強(qiáng)，但增幅不大；泡沫半衰期隨礦化度增大而減小，在高礦化度中泡沫穩(wěn)定性減弱，在礦化度高于60 000 mg/L的環(huán)境中泡沫穩(wěn)定性極差。因礦化度增加，表面張力減小，在高礦化度中達(dá)到超低表面張力。通過(guò)與濃度 2‰的非礦化水起泡基液的起泡性能比較，發(fā)現(xiàn)在礦化水存在情況下的起泡量及半衰期都明顯偏小。

圖4 礦化度影響實(shí)驗(yàn)Fig.4 Tests of salinity influence

2.2 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，起泡劑濃度、溫度和地層水礦化度是對(duì)起泡劑性能影響較大的因素。其中，由于單一氣井地層水礦化度在一定生產(chǎn)周期內(nèi)波動(dòng)很小，且經(jīng)過(guò)使用前的配伍性測(cè)試的起泡劑均能適應(yīng)氣井的地層工況。因此礦化度不作為動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)因素，以下對(duì)起泡劑濃度和溫度在流動(dòng)狀態(tài)下的起泡性能進(jìn)行分析。

2.2.1 濃度影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰、2‰、5‰的起泡基液。通過(guò)泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試泡沫液流經(jīng)D25管道的平均壓差ΔP和生成的泡沫高度HD0，結(jié)果如圖5、6。

從圖中可以看出，同一氣液比條件下，起泡基液濃度越高，流經(jīng)管道的壓力損失也越大，在管道末端產(chǎn)生的泡沫量也越多。高濃度泡沫總體上流動(dòng)壓差和泡沫量大于低濃度泡沫，其中在低氣液比時(shí)，三種濃度起泡液流動(dòng)壓差、泡沫量均有波動(dòng)，分析認(rèn)為在低氣液比范圍，泡沫流體經(jīng)歷了從段塞流、波動(dòng)流、分層流等多種流態(tài)，對(duì)泡沫流動(dòng)壓差和泡沫量造成了影響，而在大氣液比情況下，三種濃度起泡液的流態(tài)基本保持分層流動(dòng)，流動(dòng)壓差已比較接近，泡沫量也趨于平穩(wěn)。

圖5 不同濃度起泡基液管流壓差Fig.5 Pipe-flow differential pressure of the foaming base liquid with different concentrations

圖6 不同濃度起泡基液經(jīng)管流后生成泡沫高度Fig.6 Foam height of different concentrations of the foaming base liquid through pipe-flow

2.2.2 溫度影響

取 UT-11C型起泡劑，分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1‰，溫度為20、40、60 ℃的起泡基液。通過(guò)泡沫管流可視化實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試泡沫液流經(jīng)DN25管道的平均壓差ΔP和生成的泡沫高度HD0，結(jié)果如圖7、8。

圖7 不同溫度起泡基液管流壓差Fig.7 Pipe-flow differential pressure of different concentrations of the foaming base liquid

圖8 不同溫度起泡基液經(jīng)管流后生成泡沫高度Fig.8 Foam height of different concentrations of the foaming base liquid through pipe-flow

分析圖表可知，泡沫流體經(jīng)管道后，溫度對(duì)流動(dòng)壓力損失和末端產(chǎn)生泡沫量影響都較小。在氣液比從小到大的變化過(guò)程中，三種溫度泡沫液的流動(dòng)壓差和泡沫量始終都處在交叉變動(dòng)且變動(dòng)幅度不大的狀態(tài)，說(shuō)明在實(shí)際生產(chǎn)中泡沫從井底反出后，由于地面工藝裝置均處于大氣溫度下，故井底溫度波動(dòng)并不會(huì)影響泡排井的正常生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)UT-11C型起泡劑室內(nèi)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，較為全面的認(rèn)識(shí)了該型起泡劑的基本性能。

（1）UT-11C起泡劑起泡性能良好，起泡速度較快，其產(chǎn)生泡沫穩(wěn)定性、泡沫攜液能力較好，抗酸堿性能力較高。

（2）濃度對(duì)起泡性能的影響，在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)為起泡基液濃度越高，產(chǎn)生的泡沫量越大，說(shuō)明濃度是泡排工藝中較為重要的一個(gè)影響因素。

（3）溫度則在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中，展現(xiàn)出不同的影響趨勢(shì)，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中溫度對(duì)起泡量有明顯的促進(jìn)，但到達(dá)一定溫度后趨于平緩；在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，起泡基液的溫度差異并未影響到管流中泡沫液的變化。

（4）起泡劑室內(nèi)評(píng)價(jià)作為泡沫排水采氣工藝中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)采取靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，以綜合考查起泡劑性能，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用提供更加全面的技術(shù)支撐。

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Laboratory Evaluation and Influencing Factors of the Foaming Agent for the Drainage Well

YAN Xiao-yu1,2, JING Jia-qiang1, YAN Zi-yang1, TANG Yi-wen1, CHEN Wen1, MA Li1, ZHAO Qing-yuan1
(1. School of Petroleum and Natural gas Engineering, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China; 2. Northwest Sichuan Gas Production Plant,PetroChina Southwest Oil & Gas feild Company, Sichuan Mianyang 621799, China)

Foaming agent is the core chemical additive of the foam drainage gas recovery technology; its evaluation performance is an essential part before field application. In this paper, taking UT-11C foaming agent as research objective, combined with self-designed foam pipe-flow visual experimental apparatus, dynamic evaluation on UT-11C foaming agent was carried out by using classical static evaluation method. The research results indicate that, this foaming agent has good foamability and stability; its properties can be obviously affected by the concentration, temperature and salinity of base fluid. This foaming agent has the best performance under the condition of the concentration 5‰ and temperature 40 ℃.On the other hand, when the salinity is higher than 60 g/L, the foam stability is poor.

Foam drainage gas recovery; Foaming agent; Influence factors; Evaluating experiments

TE 357

A

1671-0460（2016）03-0526-04

2016-02-04

閻曉雨（1999-），男，四川省成都市人，在讀碩士研究生，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程，研究方向：從事油氣集輸系統(tǒng)多相流，天然氣采輸工藝的研究工作。E-mail：1450638826@qq.com。