二元復(fù)合型泡排劑COG的研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

王維恒， 陸俊華， 韓 倩

（中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 南京 210004）

隨著頁(yè)巖氣藏的深度開(kāi)發(fā)，絕大部分氣井由于地層能量衰減無(wú)法實(shí)現(xiàn)自噴，地層產(chǎn)出水無(wú)法攜帶至地面，井底積液過(guò)多，造成油壓和產(chǎn)氣量降低，需要采取多種措施排出井底積液，提高頁(yè)巖氣井的采收率。泡沫排水工藝具有施工方便、成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單和不影響氣井正常生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被頁(yè)巖氣井廣泛采用[1-5]。泡排劑種類(lèi)繁多，機(jī)理復(fù)雜[6-10]，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)泡排劑機(jī)理及種類(lèi)進(jìn)行了大量研究，取得了較好成果。但是，受限于不同區(qū)塊的具體工況、地層溫度、壓力和返排水水質(zhì)等不同，每種泡排劑都存在一定的局限性[11-16]。

平橋南區(qū)塊地層溫度最高達(dá)100 ℃、礦化度最高達(dá) 8.0×104mg/L、地層產(chǎn)水量不穩(wěn)定（產(chǎn)水量 1～40 m3/d不等），許多頁(yè)巖氣井泡沫排水效果不佳。此前，該區(qū)塊先后試驗(yàn)了多種泡排劑，加量從0.10%逐漸提高至3.00%，井底積液仍不能完全排出，產(chǎn)氣量下降嚴(yán)重，泡排效果不佳。為了保障平穩(wěn)生產(chǎn)，提高排采效率，筆者以椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）、十二烷基二甲基氧化銨（OB）和羥丙基胍膠（Guar）為原材料，復(fù)配了二元復(fù)合型泡排劑COG。室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該泡排劑具有良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡及抗溫抗鹽性能，適用于平橋南區(qū)塊泡沫排采工藝，為平橋南區(qū)塊高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支持。

1 泡排劑研制思路

泡排劑主要成分為表面活性劑，不同類(lèi)型表面活性劑的性能各不相同，陰離子表面活性劑具有較好的起泡性和穩(wěn)泡性，但其陽(yáng)離子表面活性劑不配伍，且受鈣鎂離子影響較大；陽(yáng)離子表面活性劑具有優(yōu)異的起泡、穩(wěn)泡、攜液、抗鹽及抗高溫的特性，但價(jià)格較高，很難規(guī)模使用；非離子表面活性劑具有較好的起泡能力和抗鹽能力，但在高溫下會(huì)出現(xiàn)濁點(diǎn)，需要和其他活性劑配合使用；兩性離子表面活性劑相容性較好，且具有優(yōu)異的抗鹽、抗高溫和穩(wěn)泡等特性[17-21]。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，多種表面活性劑復(fù)配使用的效果明顯優(yōu)于單一表面活性劑，因此采用物理復(fù)配的方法，利用協(xié)同效應(yīng)提高表面活性劑的綜合性能。

平橋南區(qū)塊地層溫度70～100 ℃，地層返排水礦化度（1～8）×104mg/L，鈣鎂離子質(zhì)量濃度為300～1 100 mg/L，屬于氯化鈣水型。根據(jù)平橋南區(qū)塊的地層特征和返排水水質(zhì)情況，結(jié)合不同類(lèi)型表面活性劑的特性，首先選擇合適的兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑作為泡排劑主劑，保證其發(fā)泡性能和抗溫抗鹽性能；再優(yōu)選出合適的泡排劑助劑，提高其穩(wěn)泡性能和抗溫性能。

2 二元復(fù)合型泡排劑 COG 的研制

室內(nèi)選擇多種表面活性劑和穩(wěn)泡劑，先通過(guò)單劑性能評(píng)價(jià)篩選出泡排劑主劑和泡排劑助劑，再通過(guò)正交試驗(yàn)確定泡排劑的最佳配比，形成二元復(fù)合型泡排劑配方。

2.1 泡排劑主劑優(yōu)選

相同種類(lèi)表面活性劑整體效果相似，又要考慮產(chǎn)品成本，故在室內(nèi)選擇性?xún)r(jià)比較高的5種表面活性劑。其中，兩性離子表面活性劑包括十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12）、椰油酰胺基丙基甜菜堿（CAB）和芥酸酰胺丙基羥基磺基甜菜堿（EHSB），非離子表面活性劑包括十二烷基二甲基氧化銨（OB-2）和月桂酰胺丙基二甲基叔胺（PKO），以上材料均為工業(yè)級(jí)。

將單劑按0.10%加量配制成水溶液，采用攪拌法測(cè)量泡沫初始體積和5 min后的泡沫體積，再計(jì)算出泡沫衰減率（公式見(jiàn)式（1）），用來(lái)評(píng)價(jià)單劑的穩(wěn)泡性能（試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1）。

表1 泡排劑主劑憂選試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of main agent selection for foaming agent

式中：ω為泡沫衰減率；V0為泡沫初始體積，mL；V5為穩(wěn)泡 5 min后的泡沫體積，mL。

從表1可以看出，5種表面活性劑的發(fā)泡性能從高到低依次為EHSB＞CAB＞PKO＞BS-12＞OB，穩(wěn)泡性能從高到低依次為OB＞CAB＞PKO＞BS-12＞EHSB。EHSB的發(fā)泡性能最佳，但泡沫衰減率達(dá)42.23%，穩(wěn)泡性能較差，故優(yōu)選發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都較好的CAB和穩(wěn)泡性能最佳的OB作為泡排劑主劑，并進(jìn)一步考察其與助劑的配伍性和協(xié)同性。

2.2 泡排劑助劑優(yōu)選

為了進(jìn)一步增強(qiáng)泡排劑的綜合性能，需要添加少量助劑，用于控制泡沫大小和液膜厚度，使之能形成均勻、細(xì)膩、穩(wěn)定的泡沫，同時(shí)提高泡排劑的抗溫性能。室內(nèi)選擇三乙醇胺（TEOA）、羥丙基胍膠（Guar）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）等3種助劑，與所選主劑進(jìn)行配伍性試驗(yàn)。將2種主劑按1∶1質(zhì)量比混合制成泡排劑主劑，主劑和助劑再按1.00∶0.05的質(zhì)量比混合，置于恒溫箱中在100 ℃條件下老化24 h 后，按照 0.20% 加量加入礦化度為 2×104mg/L的模擬地層水中，測(cè)試其發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能，結(jié)果如圖1所示。

圖1 泡排劑加入不同助劑后的發(fā)泡及穩(wěn)泡性能Fig.1 Foaming properties and foaming stability of foaming agent after adding different auxiliary agents

從圖1可以看出，經(jīng)過(guò)100 ℃溫度老化后，不同助劑對(duì)主劑發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能的影響程度從高到低依次為Guar＞CMC-Na＞TEOA。其中，主劑與助劑Guar復(fù)配后的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都明顯優(yōu)于與另外2種助劑復(fù)配，且綜合性能優(yōu)于單一的主劑，表明Guar能起到較好的抗溫、穩(wěn)泡效果，故選擇Guar作為泡排劑助劑。

2.3 泡排劑配方研究

將優(yōu)選的主劑和助劑進(jìn)行正交試驗(yàn)，從而得到泡排劑體系的最佳配比。以主劑CAB、OB和助劑Guar為考察因素（因素水平見(jiàn)表2），按照L16（43）進(jìn)行正交試驗(yàn)，測(cè)試不同因素、不同水平的初始泡沫體積和5 min后的泡沫體積。復(fù)配后泡排劑加量0.10%，試驗(yàn)溫度 95 ℃，礦化度 2×104mg/L，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 因素水平表Table 2 Factor level

從表3可以看出，對(duì)體系綜合性能的影響程度從高到低的因素依次為CAB＞OB＞Guar，且最優(yōu)組合為A3B1C1。分析極差R可知，CAB，OB和Guar最佳質(zhì)量配比為3∶1∶0.05，故以此作為泡排劑的最佳組成質(zhì)量配比，命名為COG。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results

3 COG 最佳加量及性能評(píng)價(jià)

3.1 COG最佳加量確定

為了優(yōu)化泡排制度，需要通過(guò)試驗(yàn)確定泡排劑最佳加量。按照上述配比制備泡排劑COG，以不同加量加入清水中，在25 ℃溫度下測(cè)定不同加量下的泡沫體積，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，COG加量小于0.20%時(shí)，隨著泡排劑加量增大，V0和V5逐漸增大；加量大于0.20%后，V0和V5幾乎不變，說(shuō)明泡排劑已達(dá)飽和。分析認(rèn)為，加量為0.20%時(shí)，泡排劑達(dá)到臨界膠束濃度，發(fā)泡性能最佳，故推薦COG加量為0.20%，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

胃癌是一種發(fā)病率和病死率均較高的惡性腫瘤，患者在確診時(shí)大多已屬晚期，錯(cuò)過(guò)了手術(shù)的根治機(jī)會(huì)，病癥表現(xiàn)為腹水、消化道出血及胃穿孔等，為避免癌癥擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，應(yīng)給予對(duì)癥治療，為控制癌變?cè)诟骨粌?nèi)轉(zhuǎn)移，提高臨床療效，現(xiàn)給予患者腹腔熱灌注化療［1‐3］。腹腔熱灌注化療（hyperthermic intraperitoneal chemotherapy，HIPC）是臨床應(yīng)用較為廣泛的針對(duì)腹腔惡性腫瘤的輔助方法，在直腸癌和卵巢癌上均具有良好的治療效果［4‐6］，本研究擬通過(guò)采用多西他賽聯(lián)合順鉑、氟尿嘧啶腹腔灌注治療胃癌晚期患者的臨床效果。

表4 不同COG加量下的發(fā)泡性能Table 4 Foaming properties under different dosage of COG

3.2 抗溫性能

溫度對(duì)泡沫性能影響非常大。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高，溶液黏度和泡沫表面黏度降低，導(dǎo)致泡沫液膜厚度減小，使得泡沫破裂。將制備的泡排劑COG和現(xiàn)場(chǎng)常用的2種泡排劑（KD01、XH02）進(jìn)行室內(nèi)性能試驗(yàn)。KD01和XH02均是以甜菜堿類(lèi)表面活性劑為主要原材料的泡排劑，與COG屬于同一類(lèi)別泡排劑。3種泡排劑均以0.20%的加量配成溶液，分別在不同溫度下老化24 h后，冷卻至常溫測(cè)定其發(fā)泡性能。試驗(yàn)溫度分別為30，50，70，90和100 ℃，礦化度為 2×104mg/L，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度下的初始泡沫體積Fig.2 Initial foam volume at different temperatures

由圖2和圖3可知，隨著溫度上升，3種泡排劑的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能都有所下降。其中，KD01和XH02在90 ℃以下時(shí)性能良好，但在100 ℃下其發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能顯著下降，表明這2種泡排劑在100 ℃下近乎失效；而COG在100 ℃下的V0和V5與30 ℃下的相比下降幅度均較小，表明COG的抗溫性能較好，能在100 ℃以下地層中使用。

圖3 不同溫度下穩(wěn)定5 min后的泡沫體積Fig.3 Foam volume after stabilization for 5 min at different temperatures

3.3 抗鹽性能

溶液中的電解質(zhì)能減弱液膜表面的雙電層效應(yīng)，使泡沫穩(wěn)定性變差，攜液能力減弱。研究表明，泡沫穩(wěn)定性隨著無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)溶液中無(wú)機(jī)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%（礦化度為250 mg/L）時(shí)，泡沫半衰期最大，泡沫攜液能力最大，此時(shí)泡沫綜合性能最佳；但當(dāng)無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 0.10%（礦化度為 1 000 mg/L）后，無(wú)機(jī)鹽會(huì)破壞泡沫穩(wěn)定性，使泡沫攜液能力減弱。平橋南區(qū)塊頁(yè)巖氣井產(chǎn)出水的無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于0.10%，對(duì)泡沫性能起抑制作用，因此抗鹽性能也是泡排劑在實(shí)際應(yīng)用中非常重要的指標(biāo)。在室內(nèi)對(duì)制備的泡排劑COG和現(xiàn)場(chǎng)所用的2種泡排劑（KD01、XH02）進(jìn)行性能對(duì)比，均以0.20%的加量配成溶液，分別在100 ℃下老化24 h后，測(cè)定其在礦化度為（2～10）×104mg/L 的模擬地層水中 5 min 后的發(fā)泡性能，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同礦化度下穩(wěn)定5 min后的泡沫體積Fig.4 Foam volume after stabilization for 5 min at different salinity

從圖4可以看出，礦化度對(duì)泡排劑泡沫體積影響較大，3種泡排劑的泡沫體積均隨礦化度升高而減小，在相同礦化度下COG的泡沫體積均明顯高于其他2種泡排劑，且COG的泡沫體積下降較為平緩，表明COG具有良好的抗鹽性能，適用于產(chǎn)出水礦化度 10×104mg/L 以下的頁(yè)巖氣井。

3.4 泡排劑綜合性能對(duì)比

為貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將加量為0.30%（現(xiàn)場(chǎng)推薦使用量）的3種泡排劑溶液加入等量頁(yè)巖氣井產(chǎn)出水中，分別測(cè)試其100 ℃下老化24 h前后的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 3種泡排劑在頁(yè)巖氣井產(chǎn)出水中的發(fā)泡穩(wěn)泡性能Table 5 Foaming stability performance of three forming agents in produced-water of shale gas wells

從表5可以看出：COG在100 ℃下老化前后，V0和V5的降幅不大，泡沫衰減率基本不變，表明COG具有良好的抗溫性能；在相同條件下，COG的V0、V5和泡沫降低率均優(yōu)于其他2種泡排劑，表明COG綜合性能良好，適用于平橋南區(qū)塊泡沫排采工藝。

3.5 發(fā)泡穩(wěn)泡機(jī)理初探

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

平橋南區(qū)塊3口井進(jìn)行了泡排劑COG現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，3口井地層平均溫度為95 ℃，礦化度約為6.0×104mg/L，之前均試驗(yàn)了泡排劑 XH02和KD01，隨著泡排劑加量由0.10%逐步增大至3.00%，產(chǎn)氣量和產(chǎn)液量變化均不大，單井平均日產(chǎn)氣量21 000 m3，日產(chǎn)液量7.0 m3，泡排效果不明顯。試驗(yàn)采用控制變量法，即排采工藝參數(shù)均不變的前提下，只將原有泡排劑替換成COG，試驗(yàn)周期25 d，然后替換為原有泡排劑。3口井在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中生產(chǎn)情況類(lèi)似，平均單井日增氣2 000 m3。下面以JY03井為例分析其試驗(yàn)效果。

JY03井之前使用泡排劑XH02，生產(chǎn)期間注入泡排劑COG 25 d，試驗(yàn)結(jié)束后換回原來(lái)的泡排劑XH02，試驗(yàn)前后的生產(chǎn)曲線如圖5所示。

圖5 JY03井生產(chǎn)曲線Fig.5 Production curves of Well JY03

從圖5可以看出，JY03井試驗(yàn)期間日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在 30 000～31 000 m3，平均日增氣 2 500 m3；日產(chǎn)液量先從 10.8 m3升至 12.7 m3，隨后逐漸降至5.5 m3；油套壓差降低 0.05 MPa，井底積液逐漸排空，產(chǎn)氣量上升；替換為原來(lái)的泡排劑后，產(chǎn)氣量逐漸降低，產(chǎn)液量逐漸升高，表明泡排劑XH02攜液能力不足，井底積液逐漸形成，產(chǎn)氣量降低。3口頁(yè)巖氣井的泡排試驗(yàn)結(jié)果表明，泡排劑COG綜合性能明顯優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)所使用的泡排劑，具有較好的排水增產(chǎn)效果，在平橋南區(qū)塊具有一定的推廣應(yīng)用潛力。

5 結(jié)論與建議

1）以?xún)尚噪x子表面活性劑CAB、非離子表面活性劑OB和羥丙基胍膠Guar為主要原料，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化配比，復(fù)配出二元復(fù)合型泡排劑COG。

2）COG 在 100 ℃ 和礦化度 10×104mg/L 條件下仍然具有良好的發(fā)泡、穩(wěn)泡性能，表明COG具有較好的抗溫抗鹽性能，適用于平橋南區(qū)塊頁(yè)巖氣井泡沫排水采氣。

3）平橋南區(qū)塊3口井的試驗(yàn)結(jié)果表明，泡排劑COG使用期間單井日產(chǎn)氣量增加10%，具有較好的排水增產(chǎn)效果，建議今后加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)配套工藝技術(shù)研究，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)保障。

4）建議針對(duì)不同地層特點(diǎn)和產(chǎn)出水水質(zhì)，繼續(xù)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研發(fā)適應(yīng)不同地層和水質(zhì)條件的泡排劑，擴(kuò)大泡沫排水采氣技術(shù)的應(yīng)用范圍。