納米顆粒在泡沫排水采氣中的研究進展

范宏偉，張 雯

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830000）

氣田見水氣井的數(shù)量隨著天然氣開采規(guī)模的擴充與日俱增，井底積液現(xiàn)象日益嚴重，對氣井的生產(chǎn)能力和氣田開發(fā)效果造成嚴重的負面影響。當前國內外為消除這種影響，普遍采用泡沫排水技術。目前大多數(shù)見水氣井要求泡排劑具有耐高溫、抗高礦化度及抗酸性氣體等特點，但常見的泡排劑性能尚不能滿足生產(chǎn)開采需求。泡沫的穩(wěn)定性可以體現(xiàn)泡排劑的部分性能，因此提升泡沫穩(wěn)定性是解決氣井產(chǎn)量下降的迫切需要。近年來國內外學者研究發(fā)現(xiàn)，納米顆?？梢猿洚敼虘B(tài)穩(wěn)泡劑，對泡沫具有更強的穩(wěn)定作用，相比于傳統(tǒng)穩(wěn)泡的手段，在提高泡沫穩(wěn)定性方面有著更優(yōu)異的表現(xiàn)。

1 泡沫衰變機理

泡沫[1]實際上是一種氣相在液相中的分散體系，氣相非均勻零散的分布于液相中，每個連續(xù)的氣相被液體以多面空間體的形式包裹。而生成泡沫的前提條件就是氣相和液相的相互接觸，而液相由于氣相的分散，會形成孔隙致密的液膜，每個被液膜包裹著的連續(xù)氣體就是氣泡[2]，泡沫就是這些氣泡的集合體。泡沫的表面有相當大的自由能，其體系并不穩(wěn)定[3]。泡沫體系的能量比較高，而高能量的體系總是趨于向低能量方向發(fā)展，所以泡沫形成之后會一直衰變直至破滅，只有在特定環(huán)境下才能具有一定穩(wěn)定性。

Luben A 等[4]對泡沫的研究認為泡沫的衰變機理有兩種：液膜中液體的排液機理與氣體穿透液膜的擴散機理。泡沫產(chǎn)生的初始階段，泡沫中液體含量較高，此時的泡沫不會發(fā)生破滅；在泡沫產(chǎn)生較長時間后，泡沫開始聚集，此時僅有少部分的液體以液膜形式包裹氣相[5]。由于液體的排液與氣體的擴散，單個氣泡分子慢慢變大，液膜越來越薄，直至氣泡破裂。

Sett S 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，由于重力以及氣泡邊界不同壓力的影響使泡沫的液膜會發(fā)生排液。由Laplace 得出，兩個氣泡交界區(qū)液相的壓力大于Plateau Border 邊界（多個氣泡交界區(qū)）內液相的壓力，在這兩處區(qū)域形成的壓差，使兩個氣泡交界區(qū)的液體自動流向Plateau Border 邊界區(qū)，兩個氣泡交界區(qū)液膜變薄，致使氣泡兼并，損失一個氣泡。

而氣相在液膜中的擴散則存在于相鄰氣泡之間，氣相穿透兩個氣泡交界區(qū)的擴散是由于液膜的曲率不同導致氣泡內壓力不同而引起氣泡間氣體的擴散。因為大多數(shù)氣泡的直徑不同，小直徑氣泡內的氣相壓力大于大直徑氣泡，在存在壓力差的情況下，氣相會由小直徑氣泡擴散到大直徑氣泡當中。

2 納米顆粒提高泡沫穩(wěn)定性

2.1 提高泡沫液膜穩(wěn)定性

泡沫產(chǎn)生之后會一直衰變直至破滅，加入表面活性劑會讓泡沫提升一定穩(wěn)定性。但表面活性劑是動態(tài)吸附于氣泡表面，其脫附能較小，且氣泡的表面膜為液態(tài)膜。表面活性劑在氣液界面的脫附能遠小于固態(tài)顆粒，吸附在氣液界面上的固態(tài)顆粒需要較大的能量才能脫附，此時泡沫的氣液界面可以看作是“固態(tài)膜”，泡沫機械穩(wěn)定性得到提高。

孫乾等[7]發(fā)現(xiàn)向SiO2納米顆粒懸濁液加入SDS后，SDS 分子能夠吸附于SiO2顆粒表面。使SiO2顆粒獲得表面活性劑的部分性質，能夠更好的分散到氣液界面，使納米顆粒SiO2在氣液界面排列的更加緊密，形成致密“固態(tài)膜”，有效遏止泡沫聚并和破裂，增強泡沫的穩(wěn)定性。

孫寵等[8]經(jīng)過SDS 體系和SDS/SiO2體系泡沫性能的比照，結果顯示SDS/SiO2復合體系的抗溫性能相比單獨的SDS 體系更優(yōu)。這是由于SiO2納米顆粒在泡沫氣液界面的吸附與液膜形成的氣液固三相穩(wěn)定骨架，通過阻止泡沫內外進行熱量交換，使分子熱運動速率減慢，兩個氣泡間液相的流動速度變緩，從而提升了泡沫穩(wěn)定性。

2.2 減緩氣體穿透液膜的擴散

根據(jù)Young-Laplace 方程得，氣泡內氣相壓力與液膜的曲率半徑有關，相比于大氣泡中的氣相壓力小氣泡中的氣相壓力更大。泡沫的歧化[9]就是氣泡內氣體因為液膜兩側壓力不同，由半徑小的氣泡內擴散至半徑大的氣泡當中，使得小氣泡越來越小，大氣泡越來越大，直至泡沫破滅。納米顆粒通過在氣液界面上的吸附匯集，減少氣相與液膜的接觸，生成緊密排列的“固體膜”來遏止氣泡的聚并和歧化[10]，是納米顆粒能夠穩(wěn)定泡沫的主要原因。

Li 等[11]發(fā)現(xiàn)SDS/SiO2體系在表面活性劑（SDS）/納米顆粒（SiO2）濃度比由0 增至0.17 的過程中，SDS/SiO2協(xié)同穩(wěn)定CO2體系泡沫的穩(wěn)定性逐漸增大。這是因為隨著SiO2納米顆粒在氣液界面吸附量的增多，CO2和兩個氣泡間液體薄膜的接觸面積逐漸下降，有效抑制氣體擴散，減緩了CO2泡沫的聚并和歧化速度，使SDS/SiO2體系泡沫的穩(wěn)定性得到了增強。

3 納米顆粒提高泡沫穩(wěn)定性研究進展

3.1 納米顆粒的選擇

固體顆粒通過吸附匯集在氣液界面，可以有效增強兩個氣泡間液膜的機械強度和黏度[12]，從而增強泡沫的穩(wěn)定性。然而，只有具有一定疏水性的納米顆粒才能夠吸附或聚集到油/水界面或氣/液界面上。表面完全親水的納米顆粒很難吸附到氣/液界面上，完全疏水的納米顆粒不但不能增強泡沫穩(wěn)定性反而具有消泡作用[13]。

Pacelli L.J.ZITHA 等[14]觀察SiO2/AOS 體系N2泡沫的穩(wěn)定性，將兩類親水性質不同的SiO2納米顆粒所穩(wěn)定的泡沫來做對比。通過對比發(fā)現(xiàn)：無論親水或疏水的SiO2納米顆粒均不能單獨發(fā)泡。但疏水性SiO2納米顆粒的加入能夠大幅度增強AOS 溶液N2泡沫的穩(wěn)定性。

李兆敏等[15]提出若SiO2顆粒未吸附在二氧化碳/水界面上，則SiO2無法提高泡沫穩(wěn)定性；發(fā)現(xiàn)隨著SDS于改性SiO2納米顆粒表面的吸附量增多，SiO2顆粒疏水性降低，吸附在二氧化碳/水界面的SiO2量減少。只有當SiO2納米微粒擁有一定的疏水性時，SiO2納米微粒才有提高泡沫穩(wěn)定性的能力。

納米顆粒穩(wěn)定泡沫的效果受納米顆粒大小影響[16]。尺寸越小，作用越強，但是吸附在氣液界面的能力也越弱，太大或太小的納米顆粒都不能穩(wěn)定泡沫。Horozov[17]由實驗數(shù)據(jù)推斷穩(wěn)定泡沫的顆粒粒徑范圍應該在幾十納米到幾微米之間。Tang 等[18]通過研究不同尺寸（20 nm、50 nm、100 nm、200 nm、400 nm 和700 nm）的SiO2納米顆粒對泡沫穩(wěn)定性的影響，提出納米粒子尺寸是否合適是影響其能否有效穩(wěn)定泡沫的主要因素之一。在粒徑范圍20～700 nm，隨著納米顆粒尺寸減小，泡沫排液過程逐漸緩慢，泡沫的穩(wěn)定性得到增強。

武俊文等[19]提出了提高泡沫穩(wěn)定性納米粒子的選擇需要考慮的四種主要因素。選擇接觸角在45°～75°、粒徑在80 nm 以下的球形SiO2顆粒作為固體穩(wěn)泡劑，研制出在高礦化度、150 ℃條件下仍保持良好起泡、穩(wěn)泡性能的泡排劑，并通過對比數(shù)據(jù)推斷了濃度、溫度、壓力、礦化度與SiO2顆粒穩(wěn)定的泡排劑性能的關系。

3.2 納米顆粒固態(tài)穩(wěn)泡劑

納米級固態(tài)微粒充當固體穩(wěn)泡劑，通過不可逆吸附于氣泡的氣/液界面上，在泡沫壁上交叉聚集產(chǎn)生緊密排列的“固體膜”，從而封堵液相流道，阻礙水分流失。納米粒子也能夠存在于兩個氣泡交界區(qū)和Plateau邊界區(qū)內，在分散相內構成空間“固體”網(wǎng)狀結構，降低液體流動能力，減緩泡沫液膜排液速度；并且降低氣泡內氣相和液相的接觸面積，阻止氣相擴散，大幅增加泡沫的穩(wěn)定性[20]。

Yekeen 等[21]分析了納米微粒的化學組成、礦化度、凝析油組分、溫度和壓力等重要因素與納米微粒穩(wěn)定泡沫效果的關系。指出：一般條件下，納米微粒提高CO2泡沫穩(wěn)定性的能力大小是SiO2＞Al2O3＞TiO2＞CuO，但是處于某些特殊環(huán)境時，部分納米微粒會獲得更強的穩(wěn)泡能力。

楊易駿等[22]在陰離子（磺酸基團）表面活性劑、兩性表面活性劑及氟碳表面活性劑之間實行復配，并利用具有一定疏水性的球狀SiO2提升泡沫穩(wěn)定性。研制出了起泡性、穩(wěn)泡性皆優(yōu)于現(xiàn)場氣井中目前應用泡排劑的高效泡排劑。并在2018 年進行了現(xiàn)場評價，證實此泡排劑能夠有效提升氣井產(chǎn)量。

武俊文等[23]利用具有一定疏水性和特殊直徑的納米微粒作為固體穩(wěn)泡劑，制備具有特定結構的Gemini陰離子表面活性劑，研制出了高效泡排劑。該泡排劑的起泡性、穩(wěn)泡性在150 ℃、水相鹽度為250 000 mg/L、H2S 濃度400 mg/L 的條件下表現(xiàn)優(yōu)異。

熊春明等[24]利用改性過后納米顆粒充當固態(tài)穩(wěn)泡劑，以Gemini 雙子表面活性劑作為起泡劑研制泡排劑以使泡沫的起泡性能和穩(wěn)定性得到增強，并對其他類型助劑進行改良以適用多種氣藏。制備出的納米顆粒泡排劑系列能夠適用于國內主要氣田。通過在現(xiàn)場進行一定井數(shù)的應用實踐發(fā)現(xiàn)，此系列泡排劑具有明顯的降本增產(chǎn)效果。

4 總結

近年來，隨著國內外學者研究的深入，納米技術已經(jīng)應用到生產(chǎn)生活的很多方面。而關于納米顆粒在氣液界面上的研究雖不充分，但其在提高泡沫穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢已經(jīng)展現(xiàn)。而目前海內外關于納米微粒充當固態(tài)穩(wěn)泡劑的研究與探討仍然不足。通常，高效穩(wěn)定的泡排劑應該具有良好的起泡性、泡沫穩(wěn)定性能和攜液能力，并且能夠滿足高溫高鹽、含酸性氣體的含水氣井的需要。納米粒子作為一種膠體粒子尺度的超細微粒，由于其吸附在氣液界面具有更好的穩(wěn)定性，且更為綠色環(huán)保，勢必有廣闊的應用前景。