尕斯油藏耐油耐鹽洗井用固體起泡劑的室內(nèi)研究

孫泰濱 陳馥 羅米娜 艾加偉 段培珍

1.油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 3.成都科宏達(dá)化學(xué)有限責(zé)任公司 4.中國(guó)石油青海油田分公司鉆采工藝研究院

尕斯油田位于青海省柴達(dá)木盆地尕斯斷陷，至今已注水開發(fā)20年。長(zhǎng)期的注水開發(fā)和高含蠟量的油品導(dǎo)致管道結(jié)蠟嚴(yán)重，嚴(yán)重影響油氣的滲流運(yùn)輸[1]。尕斯油藏地層水礦化度高(水型為CaCl2型，礦化度為94 000～180 000 mg/L)、地層平均溫度為65 ℃，地層壓力系數(shù)為1.042～1.077[2-4]。

目前，用于洗井的起泡劑常為液態(tài)，在使用時(shí)存在低溫凍結(jié)、運(yùn)輸困難等問題，固體起泡劑可以解決上述問題。蔣澤銀等[5]使用甜菜堿型起泡劑CT5-7CⅠ作為長(zhǎng)寧頁巖氣田的泡排劑，效果良好，但其耐礦化度能力較低；楊亞聰?shù)萚6]研發(fā)了一款新型氧化銨型抗油起泡劑，抗鹽能力強(qiáng)，耐凝析油能力優(yōu)良，但其加量較大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)，不利于大規(guī)模使用；Norio等[7]、許園等[8]研發(fā)了一種含氟表面活性劑，其降低表面張力能力較強(qiáng)，有良好的起泡、抗鹽和耐凝析油能力，但含氟表面活性劑合成困難，價(jià)格昂貴，無法大規(guī)模使用。針對(duì)尕斯油田水高礦化度、凝析油分布廣的特點(diǎn)，研發(fā)一種抗鹽能力強(qiáng)、具有一定耐凝析油能力的固體起泡劑，以滿足尕斯油田洗井的要求。本研究基于表面活性劑的結(jié)構(gòu)與其抗鹽性的理論基礎(chǔ)，對(duì)8種常用的陽離子、兩性離子及非離子表面活性劑進(jìn)行了優(yōu)選，篩選出其中耐高礦化度、耐油和耐溫的組分進(jìn)行復(fù)配，得到可同時(shí)滿足耐鹽、耐油和耐溫要求的起泡劑，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試效果良好，可以滿足該井區(qū)洗井作業(yè)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

陽離子表面活性劑2種：十四烷基三甲基溴化銨(1431)、十六烷基三甲基氯化銨(1631)；兩性表面活性劑4種：椰油酰胺丙基氧化銨(CAO)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)、十二烷基二甲基甜菜堿(BS-12)、月桂酰胺丙基甜菜堿(RFN-414)；非離子表面活性劑2種：茶皂素、YN-1；穩(wěn)泡劑：聚乙烯醇(PVA1799)、不同分子量聚乙二醇(PEG)、羥丙基胍膠(HPG)；NaCl和CaCl2(代替礦化度)；航空煤油(代替凝析油)，尿素(固定劑)。

羅氏泡沫儀，動(dòng)態(tài)泡沫分析儀(DFA100)，高速攪拌器，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，電子天平(精度為0.000 1 g)，滾子爐，磁力攪拌器，壓縮機(jī)，燒杯(規(guī)格為200 mL)，量筒(規(guī)格為1 000 mL)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

韋伯?dāng)嚢璺y(cè)定起泡劑的性能[9]。配制150 mL溶液，將溶液倒入高速攪拌機(jī)量筒中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，攪拌180 s。然后將泡沫倒入量筒(1 000 mL)中，記錄泡沫體積和泡沫析出一半液體(即75 mL)所需的時(shí)間，該時(shí)間記為泡沫的半衰期(t1/2)。

用泡沫的最大體積(V0)和泡沫的半衰期(t1/2)計(jì)算泡沫強(qiáng)度FCL(Foan complex Index)，得到泡沫強(qiáng)度的近似值：FCL≈0.75V0t1/2。

1.3 尕斯N1-N2淺層油藏采出水分析

尕斯N1-N2油藏采出水分析結(jié)果見表1[2-4]，地層水為中性水，礦化度分布范圍較大(94 000～180 000 mg/L)，水質(zhì)組成主要以NaCl和CaCl2為主。

根據(jù)地層水的水質(zhì)分析結(jié)果(見表1)，計(jì)算出采出水中的NaCl質(zhì)量濃度為85 g/L，CaCl2質(zhì)量濃度為15 g/L，根據(jù)計(jì)算結(jié)果配制模擬水。

表1 地層水分析結(jié)果水樣ρ(Na+)/(mg·L-1)ρ(K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Fe)/(mg·L-1)Y81033360.11337.745365.03778.630.240Y95858630.07239.081896.22440.820.063水樣ρ(Cl-)/(mg·L-1)ρ(SO2-4)/(mg·L-1)ρ(HCO-3)/(mg·L-1)TDSpH值Y81063519.36934.06274.041043396.37Y95897758.912009.07299.851609626.45

2 新型起泡劑研制

陰離子型起泡劑遇到高礦化度地層水時(shí)與水中的鈣鎂離子反應(yīng)生成沉淀，嚴(yán)重影響起泡能力和泡沫穩(wěn)定性；陽離子類起泡劑溶解時(shí)釋放陽離子，不受水中的鈣鎂離子影響；兩性離子起泡劑同時(shí)含有陰陽離子親水基，耐鹽能力優(yōu)良；非離子型起泡劑因不電離出離子，電解質(zhì)對(duì)其影響較小[10]。由于尕斯油田水中含有大量的鈣離子，陰離子起泡劑不適合該油藏；陽離子、兩性離子、非離子型起泡劑的抗電解質(zhì)能力優(yōu)良，可作為耐鹽起泡劑。

2.1 起泡劑耐鹽組分篩選

陽離子型起泡劑主要為有機(jī)胺衍生鹽類[10]，兩性離子型起泡劑常見的有甜菜堿類、烷基氧化胺類等，非離子型起泡劑常用的有聚氧乙烯醚類、烷基糖苷類等。鄭繼龍[11]研究了起泡劑親水基團(tuán)和疏水鏈長(zhǎng)對(duì)起泡劑性能的影響，提出含有酰胺基的親水基團(tuán)和疏水鏈長(zhǎng)為14的起泡劑性能優(yōu)于其他起泡劑。在模擬水中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的陽離子型起泡劑1431、1631、兩性離子型起泡劑CAO-30、RFN-414、CAB、BS-12和非離子型起泡劑茶皂素、YN-1，用韋伯法測(cè)定起泡劑的性能，結(jié)果見圖1。

從圖1可知：在相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，起泡力排序?yàn)椋簝尚噪x子型起泡劑>陽離子型起泡劑>非離子型起泡劑；在泡沫穩(wěn)定性方面：非離子型起泡劑>兩性離子型起泡劑>陽離子型起泡劑。通過實(shí)驗(yàn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩性離子甜菜堿型和兩性離子氧化胺型的起泡劑發(fā)泡能力優(yōu)于有機(jī)胺衍生鹽類，也優(yōu)于非離子類起泡劑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、原料來源等因素，選定CAB、CAO-30和YN-1作為耐鹽組分。

2.2 起泡劑復(fù)配體系優(yōu)選

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單一類型的起泡劑存在缺陷，CAB和CAO-30為兩性離子起泡劑，具有良好的發(fā)泡力，但泡沫穩(wěn)定性差；YN-1為非離子起泡劑，具有良好的泡沫穩(wěn)定性，但發(fā)泡能力弱。單一的起泡劑無法滿足在工程上的使用(起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.3%)。表面活性劑復(fù)配具有協(xié)同增效作用，可增強(qiáng)起泡劑的起泡力和泡沫穩(wěn)定性，滿足在工程上的使用要求。

控制起泡劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，將CAO-30、CAB和YN-1按一定比例復(fù)配，測(cè)定復(fù)配體系表面張力和泡沫性能，結(jié)果見表2。

表2 復(fù)配體系性能w(YN-1)/%w(CAO-30)/%w(CAB)/%起泡體積/mL半衰期/min泡沫強(qiáng)度表面張力/(mN·m-1)0.150.150.006607.00346535.420.000.150.1510006.00450034.220.150.000.1510408.75682532.710.100.100.1010007.00525033.25

從表2可知，CAB與YN-1的復(fù)配效果最佳，在保持起泡能力的同時(shí)，提高了泡沫的穩(wěn)定性。甜菜堿型兩性離子起泡劑CAB與烷基糖苷非離子起泡劑YN-1組合具有協(xié)同增效作用。

2.3 復(fù)配體系優(yōu)化

控制起泡劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，將CAB和YN-1按不同質(zhì)量比(0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1、10∶0)復(fù)配，復(fù)配體系泡沫性能見圖2。

從圖2可知，隨著CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)配體系的泡沫體積增大，但泡沫的穩(wěn)定性下降，結(jié)合圖2(b)，確定CAB與YN-1的最佳質(zhì)量比為4∶6。

2.4 穩(wěn)泡劑篩選

復(fù)配體系能夠在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)下提升起泡劑的泡沫性能，復(fù)配后的起泡劑泡沫強(qiáng)度依然為中等泡沫流體，且泡沫的穩(wěn)定性較差，其半衰期僅有9 min，無法滿足工程上的使用。趙洪凱、楊波、郭程飛、Behnam等[12-15]使用聚丙烯酰胺、納米粒子和聚乙烯醇等作為穩(wěn)泡劑，穩(wěn)泡效果良好。分別在復(fù)配體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%的PVA1799、PEG200、PEG400、PEG1000、PEG6000、超細(xì)羥丙基胍膠(HPG)，測(cè)定起泡劑的泡沫性能，結(jié)果見圖3。

從圖3可知，添加的聚合物穩(wěn)泡效果有限，PEG6000效果最好。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物分子量的增大，泡沫體積減少，泡沫穩(wěn)定性逐步提升。在體系中加入HPG，起泡劑溶液的黏度大幅上升，泡沫體積有所下降，泡沫穩(wěn)定性迅速上升，在相同濃度下，添加HPG的體系泡沫穩(wěn)定性優(yōu)于其他穩(wěn)泡劑。

在復(fù)配體系中分別加入溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、0.04%、0.06%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.22%的HPG作為穩(wěn)泡劑，測(cè)定起泡劑的泡沫性能，結(jié)果見圖4。

從圖4可知，隨著HPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫的強(qiáng)度不斷增加；在HPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.16%時(shí)，泡沫流體成為高強(qiáng)度泡沫流體；隨著HPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，泡沫的穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)，但泡沫體積漸漸減??；當(dāng)HPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.12%時(shí)，泡沫體積低于600 mL。綜合泡沫體積和泡沫穩(wěn)定性兩個(gè)因素，確定HPG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%。

復(fù)配起泡劑的最終配方為：m(CAB)∶m(YN-1)∶m(HPG)=6∶9∶5。

用DFA100分析儀從微觀觀察HPG對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖5。在起泡20 s時(shí)，未加HPG的起泡劑每1 mm2平均有14.457個(gè)泡沫，而加了HPG的起泡劑上每1 mm2平均有19.750個(gè)泡沫。說明加入HPG可產(chǎn)生更多細(xì)小的泡沫，降低了單一氣泡的比表面積，從而增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。

3 復(fù)配起泡劑性能測(cè)定

為了便于起泡劑的存儲(chǔ)和運(yùn)輸及解決低溫使用結(jié)凍的問題，使用尿素作為固定劑，將起泡劑固化成型制成固體起泡劑。

3.1 耐凝析油測(cè)試

用模擬水將固體起泡劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的溶液，在常溫下測(cè)試起泡劑在煤油(代替凝析油)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%時(shí)的泡沫性能，結(jié)果見圖6。

從圖6可知：加入凝析油會(huì)降低起泡劑的起泡能力，當(dāng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到30%時(shí)，泡沫體積從640 mL降至550 mL，發(fā)泡能力小幅度降低，但泡沫的穩(wěn)定性大幅提高；當(dāng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，泡沫半衰期為27 min(較不含油溶液泡沫半衰期大幅增長(zhǎng))，當(dāng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，泡沫半衰期增加到44 min，同時(shí)，泡沫強(qiáng)度達(dá)到高強(qiáng)度泡沫流體，說明該起泡劑的耐油能力良好。

3.2 耐溫性測(cè)試

用含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的模擬水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的起泡劑溶液，使用滾子爐測(cè)試起泡劑溶液在60～110 ℃(尕斯油田的井溫為65 ℃)的泡沫性能，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，起泡劑的泡沫性能受溫度影響較大，在高于80 ℃時(shí)，起泡劑的泡沫性能迅速下降。由于起泡劑中的主要組分YN-1為非離子起泡劑，其濁點(diǎn)溫度約為80 ℃，在高于該溫度時(shí)，部分YN-1從溶液中脫出，起泡劑溶液的組分含量發(fā)生變化，從而降低了起泡劑的泡沫性能。該起泡劑的最大耐溫能力為80 ℃。

3.3 洗油污能力測(cè)定

用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)模擬洗井過程[16]，稱取2 g油泥涂抹于濾紙上，將濾紙綁在旋轉(zhuǎn)筒上，倒入250 mL的泡沫。保持量筒溫度為65 ℃，使用600 r/min的轉(zhuǎn)速清洗筒壁上的油泥，分別清洗5 min、10 min、15 min、20 min和25 min，清洗結(jié)束后，將濾紙晾干，稱量晾干后的濾紙質(zhì)量，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，從筒壁上清洗下來的油污質(zhì)量隨之增大，當(dāng)清洗時(shí)間為10 min時(shí)，2 g油泥被清洗下1.77 g，隨著清洗時(shí)間的增加，油泥清洗下的質(zhì)量小幅度變化，基本維持在1.8 g左右，說明該質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了泡沫的最大清洗能力。該起泡劑的最大清洗油污能力可達(dá)到90%。

3.4 固化起泡劑與地層水配伍實(shí)驗(yàn)

使用羅氏泡沫儀檢測(cè)固體起泡劑的泡沫性能，在地層水和模擬水中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%(有效含量)的起泡劑，在凝析油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、溫度為65 ℃下檢測(cè)其泡沫性能，結(jié)果見表3。

表3 固體起泡劑羅氏泡沫儀測(cè)試結(jié)果水體初始泡高/mm30s泡高/mm3min泡高/mm5min泡高/mm攜液量/mL模擬水140145140140180地層水145140140140180

由表3可知，起泡劑在模擬水和地層水中起泡高度相近，3 min后泡高也近似，攜液量相同，說明起泡劑在地層水中能夠發(fā)泡，且泡沫性能良好。

4 結(jié)論

(1)通過使用韋伯?dāng)嚢璺▽?duì)8種起泡劑進(jìn)行耐鹽性能篩選，最終篩選出了CAO-30(兩性離子氧化銨型)、CAB(兩性離子甜菜堿型)、YN-1(非離子烷基糖苷型)3種起泡劑，并對(duì)3種起泡劑進(jìn)行復(fù)配，確定的最佳復(fù)配質(zhì)量比為：m(CAB)∶m(YN-1)=2∶3，其泡沫性能優(yōu)于單一的起泡劑。

(2)對(duì)6種穩(wěn)泡劑進(jìn)行篩選，優(yōu)選出HPG的穩(wěn)泡效果最佳，并確定其最佳加量為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.1%，此時(shí)起泡劑的泡沫體積660 mL，泡沫半衰期17 min。復(fù)配起泡劑的最佳復(fù)配質(zhì)量比為：m(CAB)∶m(YN-1)∶m(HPG)=6∶9∶5。

(3)使用尿素作固定劑將復(fù)配起泡劑制成固體起泡劑，并對(duì)起泡劑進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，固體起泡劑與地層水配伍性良好、最大耐凝析油體積分?jǐn)?shù)為30%，最高耐溫為80 ℃，具有一定的清洗油污能力。