生化型耐溫耐鹽泡排體系的起泡及穩(wěn)泡性能評(píng)價(jià)

劉岳龍，周 艦，袁 胥，白世軒，趙 靜

1.中國(guó)石化華北油氣分公司工程技術(shù)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(jìn)入開(kāi)采中后期，氣井井底積液情況十分常見(jiàn)。對(duì)于一些低壓氣井，本身產(chǎn)量不高，發(fā)生積液后產(chǎn)量可能急劇下降，甚至整井直接被淹死，影響氣田的上產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)[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(lái)改善排液效果，泡沫排水法由于投資少、見(jiàn)效快、工藝簡(jiǎn)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(jī)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(chǎn)生的天然氣通過(guò)積液時(shí)發(fā)生攪動(dòng)，生成大量的含水泡沫；3)泡沫隨著產(chǎn)出的天然氣氣流從井底向井口運(yùn)移，此過(guò)程中伴隨著泡沫的破裂、再生；4)隨著泡沫到達(dá)到地面，泡排工藝攜液的目的達(dá)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(wěn)泡性能，即在生產(chǎn)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(wěn)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(duì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，以及延長(zhǎng)氣井的自噴期、穩(wěn)產(chǎn)期均有重要作用[5-6]。

生物表面活性劑是微生物來(lái)源的表面活性物質(zhì)。因其具有環(huán)保、高效、穩(wěn)定的特性，近年來(lái)在石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域愈發(fā)受到研究者們的重視[7-9]。生物表面活性劑從結(jié)構(gòu)上可以分為糖脂與脂肽兩大類，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域，生物表面活性劑具有可與化學(xué)合成表面活性劑相媲美的應(yīng)用性能[10-11]。生物表面活性劑除具有與傳統(tǒng)表面活性劑類似的降低溶液表面張力的能力，還具有獨(dú)特的穩(wěn)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(fù)電性，而生產(chǎn)生物表面活性劑的發(fā)酵液通常具有一定的黏度，一般來(lái)說(shuō)溶液的電荷和黏度均對(duì)提高液膜的穩(wěn)定性與韌性有利[4]，因此適宜的生物表面活性劑發(fā)酵液的存在，對(duì)起泡和泡沫的穩(wěn)定具有強(qiáng)化作用。然而，利用生物表面活性劑及其發(fā)酵液作為助泡劑、穩(wěn)泡劑的類似研究還未見(jiàn)報(bào)道。

圖1 糖脂類與脂肽類生物表面活性劑結(jié)構(gòu)示意圖

筆者以公司自有的高效泡排劑OPUS-087為基礎(chǔ)，對(duì)比天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域常用的泡排劑，進(jìn)行了單劑優(yōu)選。并以H2、H3、H19這3種微生物細(xì)菌的發(fā)酵液為穩(wěn)泡劑，對(duì)生化復(fù)合體系的起泡、穩(wěn)泡能力進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)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(yè)級(jí)；NaCl、CaCl2、MgCl2等，均為化學(xué)純。

QJZY-1型全自動(dòng)表/界面張力儀，精度0.01 mN/m；密度計(jì)，精度0.001 g/cm3；吳茵(Waring)混調(diào)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(tái)；CHA-S型恒溫振蕩器，工作溫度為室溫～60 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6465—2000《泡沫排水采氣用泡排劑評(píng)價(jià)方法》測(cè)試泡沫的基礎(chǔ)起泡性能。根據(jù)SY/T 5370—1999《表面及界面張力測(cè)定法》對(duì)泡排劑進(jìn)行耐溫耐鹽及抗凝析油性能評(píng)價(jià)。

采用Ross-Miles法[1,10]進(jìn)行泡排劑性能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的指標(biāo)為初始泡沫高度以及300 s時(shí)的泡沫高度。泡沫耐溫性能實(shí)驗(yàn)前，將Ross-Miles泡沫儀的玻璃夾層中通入預(yù)設(shè)溫度的循環(huán)水，保溫30 min后進(jìn)行測(cè)試。待測(cè)的泡排劑溶液以及實(shí)驗(yàn)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(jìn)行泡排劑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

泡沫耐礦化度實(shí)驗(yàn)是將配制泡排劑溶液的溶質(zhì)，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(guò)濾，再用于泡排劑的配制。

將油田現(xiàn)場(chǎng)取得的凝析油樣品按一定比例加入配制好的待測(cè)泡排劑溶液中，將混合后的溶液在待測(cè)溫度下水浴30 min后，進(jìn)行發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性測(cè)試。

為研究生物表面活性劑及其發(fā)酵液對(duì)于泡排劑OPUS-087的起泡、穩(wěn)泡性能的促進(jìn)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(chǎn)生物表面活性劑的功能微生物H2、H3、H19及其發(fā)酵液為主要研究對(duì)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(chǎn)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(fā)酵液按相應(yīng)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(shí)的泡沫高度，進(jìn)行起泡和穩(wěn)泡性能的評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡排劑的主要物性參數(shù)

對(duì)OPUS-087和HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01等天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的泡排劑進(jìn)行了溶液黏度和溶液表面張力等參數(shù)的測(cè)試，泡排劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%，使用清水配液，結(jié)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(yīng)用的潛力。

表1 泡排劑基礎(chǔ)性能測(cè)定結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，測(cè)試其耐溫性能，結(jié)果如圖2所示。測(cè)試的幾種泡排劑在90 ℃下的泡沫高度相差較大。總的來(lái)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(duì)優(yōu)良的耐溫性能。當(dāng)溶液中OPUS-087的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.30%以后，濃度繼續(xù)升高，其起泡性能變化不大，說(shuō)明其適宜的用量為0.30%。相對(duì)其他幾種泡排劑，OPUS-087的最適濃度更低(其他泡排劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.30%時(shí)，繼續(xù)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(shí)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(jìn)一步測(cè)試各泡排劑的耐鹽性能，結(jié)果見(jiàn)圖3。5種泡排劑在300 s時(shí)的泡沫高度均處于70～80 mm這一區(qū)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(wěn)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(lái)看，OPUS-087略優(yōu)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(shí)的泡沫高度

2.4 泡排劑的抗凝析油性能

在天然氣的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著天然氣的開(kāi)采，除地層水以外，部分氣井同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的凝析油。這類碳?xì)浠衔锉旧砭哂幸欢ǖ摹跋荨弊饔?，?huì)給泡排劑的起泡、穩(wěn)泡帶來(lái)不利的影響。因此對(duì)于不同凝析油加量條件下各泡排劑的起泡性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃，模擬地層水的礦化度為7.2×104mg/L，結(jié)果見(jiàn)圖4?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)體系中凝析油的含量逐漸升高時(shí)，各泡排劑的起泡性能均下降。凝析油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%時(shí)，起泡性能緩慢下降；當(dāng)凝析油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%增至30%時(shí)，起泡性能急劇下降。由此可見(jiàn)，這5種泡排劑適用于凝析油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%時(shí)的氣井起泡排液作業(yè)。

圖4 泡排劑的抗凝析油性能

對(duì)比各種泡排劑單劑的抗凝析油性能可見(jiàn)，OPUS-087依舊是起泡效果最佳的泡排劑，當(dāng)凝析油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%時(shí)，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(shí)，當(dāng)凝析油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，其起泡性的降幅最小。

2.5 生物表面活性劑穩(wěn)泡體系性能

實(shí)驗(yàn)研究了H2、H3和H19這3種產(chǎn)生物表面活性劑的微生物細(xì)菌發(fā)酵液的加量對(duì)于OPUS-087泡排劑泡沫高度的影響。將H2、H3和H19發(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的發(fā)酵液工作液，測(cè)定300 s時(shí)的泡沫高度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 生物表面活性劑發(fā)酵液加量對(duì)OPUS-087起泡性能的影響

H2和H3發(fā)酵液的加量為0.03%時(shí)，起泡性能有一定的下降，說(shuō)明H2或H3發(fā)酵液對(duì)于OPUS-087的發(fā)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(dāng)H2和H3發(fā)酵液的加量增至0.06%以后，二者的作用即轉(zhuǎn)為了促進(jìn)OPUS-087發(fā)泡；而對(duì)于H19發(fā)酵液來(lái)說(shuō)，在其加量從0.03%增至0.12%的全過(guò)程中，OPUS-087的起泡性都有所增強(qiáng)。因此H2、H3發(fā)酵液與OPUS-087泡排劑的配伍性比H19發(fā)酵液差，H2、H3發(fā)酵液在低加量下對(duì)OPUS-087的發(fā)泡有一定的抑制作用。

從圖5還能看出3種發(fā)酵液的加量對(duì)OPUS-087起泡能力的影響。起泡能力基本不再隨著發(fā)酵液加量的增大而提高時(shí)，H2發(fā)酵液的加量為0.06%，泡沫高度90 mm；H3發(fā)酵液的加量為0.09%，泡沫高度115 mm；H19發(fā)酵液的加量為0.03%，泡沫高度100 mm。即H19發(fā)酵液促進(jìn)起泡的效用可以在更低的加量下體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)0.03%的H19發(fā)酵液加入0.30%的OPUS-087溶液中時(shí)，雖然混合液的起泡高度略低于加入0.09%H3發(fā)酵液時(shí)的起泡高度，但H19發(fā)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(fā)酵液具有優(yōu)秀的起泡促進(jìn)作用。

通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)0.03%的OPUS-087溶液起泡后泡沫的微觀狀態(tài)進(jìn)行了觀察，結(jié)果見(jiàn)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(qiáng)了泡沫整體的穩(wěn)定性。對(duì)比0 s與300 s時(shí)泡沫的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)泡沫基本沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，從微觀尺度上證明了OPUS-087泡排劑產(chǎn)生的泡沫具有較好的穩(wěn)定性。

圖6 泡沫微觀照片(放大倍數(shù)400倍)

3 結(jié)論

1)對(duì)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(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，證明OPUS-087泡排劑具有較好的起泡性和泡沫穩(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%的含水氣井泡沫排水工藝的應(yīng)用需要。此條件下，0.30%的OPUS-087泡排劑300 s時(shí)的起泡高度為77.5 mm。

2)研究了H2、H3和H19發(fā)酵液在不同加量下對(duì)于0.30%的OPUS-087泡排劑起泡高度的影響，結(jié)果表明H19發(fā)酵液對(duì)于OPUS-087泡排劑起泡有促進(jìn)使用，其加量為0.03%時(shí)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(jìn)劑和泡沫穩(wěn)定劑。

3)通過(guò)400倍顯微鏡對(duì)OPUS-087泡排劑溶液產(chǎn)生的泡沫進(jìn)行了微觀形態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)微觀狀態(tài)下的泡沫具有較好的互相支撐效果，泡沫產(chǎn)生300 s后狀態(tài)基本不變，具有較好的穩(wěn)定性。

4)微生物發(fā)酵液與OPUS-087泡排劑的復(fù)配增強(qiáng)了主體泡排劑的起泡性能，同時(shí)有明顯的穩(wěn)泡特性，其機(jī)理有待于進(jìn)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(yè)出版社,2004(1/2/3),126-133.

[2] 鄧強(qiáng), 白云, 董珂,等. 表面活性劑泡沫消除動(dòng)力學(xué)研究[J]. 精細(xì)石油化工進(jìn)展, 2017,18 (5): 15-17.

[3] 鄢友軍, 李農(nóng). 新型抗高溫高礦化度的泡沫排水劑[J]. 天然氣勘探與開(kāi)發(fā), 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(píng)價(jià)[J]. 天然氣工業(yè), 2011,31(6):49-52.

[5] 唐金星, 海玉芝, 盛海燕,等. 耐溫抗鹽交聯(lián)聚合物體系成膠性能評(píng)價(jià)[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(píng)價(jià)[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(shù)在石油污染修復(fù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展[J]. 石油化工安全環(huán)保技術(shù),2015(5):71-75.

[8] 孟祥娟, 陳德飛, 曹獻(xiàn)平,等. 生物技術(shù)在老化油處理中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2016, 35(8): 2406-2411.

[9] 白劍, 石明杰, 付娜,等. 鉆井泥漿生物無(wú)害化處理技術(shù)的應(yīng)用效果及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油化工應(yīng)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(yīng)用研究 [D]. 山東青島：中國(guó)海洋大學(xué) 2012.

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