蘇里格氣田泡沫排水用起泡劑的優(yōu)選

付亮亮，陳力，段曉鵬，胡松青，孫霜青，王素穩(wěn)，胡美玲

(1. 華北石油管理局有限公司蘇里格勘探開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2. 中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；3.中石油華北油田公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000；4.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 滄州 061000)

0 引言

隨著采出程度的增加、地層能量的衰減及產(chǎn)水氣井比例逐年增加，排水采氣成為蘇里格氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，其中泡沫排水采氣工藝占主導(dǎo)地位[1]。泡排技術(shù)的核心問題為泡排劑的選用[2]，泡排劑的起泡性能受其分子結(jié)構(gòu)、種類、濃度、溫度、礦化度、凝析油等多種因素的影響。實際上蘇里格氣田新75 區(qū)地下水的礦化度較高，氣田中也常有凝析油存在[3]，常用泡排劑的泡沫性能在蘇里格氣田的環(huán)境中受到極大影響與限制，因此蘇里格氣田需要找出一種性能優(yōu)良經(jīng)濟性好的泡排劑來改變現(xiàn)狀，實現(xiàn)增產(chǎn)[4]。

文章選擇6 種蘇里格氣田常用泡排劑：A(液體泡排劑)、B(納米泡排劑)、C(固體泡排劑)、D(十二烷基硫酸鈉SDS)、E(α-烯基磺酸鈉AOS) 和F(脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5)，從泡沫穩(wěn)定性、攜液能力及溶液表面張力等方面分析其泡沫性能，并研究無機鹽和凝析油對泡沫穩(wěn)定性影響，篩選出蘇里格氣田較為合適的泡排劑，為氣田的實際應(yīng)用提供一定的理論和技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

圓柱石英發(fā)泡管6 個(1 000 mL 規(guī)格)、表面張力測試儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)、ZEISS金相顯微鏡(德國ZEISS 公司)、100 mL 燒杯4 個、氮氣瓶、氣體流量計、鐵架臺、100 mL 量筒2 個、玻璃杯3 支、秒表1 個。

1.2 實驗藥品

液體泡排劑(蘇里格氣田)、納米泡排劑(蘇里格氣田)、固體泡排劑(蘇里格氣田)、十二烷基硫酸鈉SDS(92.5%～99.5%)、α-烯基磺酸鈉AOS(99.9%)、脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-5(99.0%)、氯化鈉NaCl (99.0%，代表礦化度)、凝析油(來自蘇里格氣田)。

1.3 實驗方法

1.3.1 泡排劑基本性能測試

采用氣流法，在0.1%～0.5%的濃度范圍內(nèi)研究泡排劑濃度對6 種泡排劑產(chǎn)生的泡沫性能的影響。對比研究發(fā)現(xiàn)，在0.2%濃度時6 種泡排劑的起泡性能以及泡沫穩(wěn)定性能都較好，之后所有的泡沫性能均在0.2%濃度下進行測試。

泡沫穩(wěn)定性測試。將6 種泡排劑分別稱取0.2 g置于250 mL 燒杯中，并加入100 mL 蒸餾水進行攪拌直至充分溶解，并在一定溫度下放置24 h 使溶液穩(wěn)定，排除攪拌產(chǎn)生的泡沫干擾。再依次倒入圓柱型的石英發(fā)泡管中，靜置1 min 后開始通氣，當(dāng)泡沫高度達(dá)到800 mL 時停止通氣并開始計時，記錄下停止通氣時的液體體積(初始液體體積)。觀察發(fā)泡管中泡沫體積變化情況，記錄泡沫體積消泡到一半時的用時記為泡沫半衰期，以及泡沫析液到一半的時間即析液半衰期。

攜液能力測試。將泡排劑配置0.2% 的溶液，倒入發(fā)泡管發(fā)泡至頂后取出固定體積500 mL 的泡沫放至固定容器進行測試，記錄總的消泡時間和析出的液體體積。

表面張力測試。使用接觸角測量儀，采用懸滴法，在液滴即將從毛細(xì)管滴落時拍攝液滴圖像，采用五點法計算出液滴的表面張力。因為懸滴法屬動態(tài)方法，會存在一定誤差，需測量3 次取平均值。

顯微鏡觀察形貌。將配置的6 種泡排劑溶液取20 mL 溶液放入離心管中，手搖震蕩50 次，起泡充分后，將泡沫移入培養(yǎng)皿中放入金相顯微鏡，調(diào)整顯微鏡放大倍數(shù)至圖像清晰，每隔相同的時間拍攝圖片，記錄泡沫尺寸分布和泡沫衰變過程等信息。

1.3.2 無機鹽影響測試

配置6 種泡排劑濃度為0.2%，無機鹽選擇為氯化鈉(NaCl)、六水合氯化鎂(MgCl2·6H2O)和氯化鈣(CaCl2)。在研究鹽濃度對泡沫的影響時，三種鹽混合濃度配置為0.5、1.0、1.5、2.0 g/mL，再在鹽溶液基礎(chǔ)上配置為0.2%的6 種泡排劑溶液，在室溫下測試泡排劑在不同無機鹽濃度下泡沫穩(wěn)定性的變化(如1.3.1所述)，并記錄數(shù)據(jù)。之后分別研究不同種類鹽的影響，分別配置500 mg/L 的NaCl 溶液、MgCl2溶液以及CaCl2溶液，再同樣配置為為0.2%的6 種泡排劑溶液，按照1.3.1 測試泡沫高度衰變曲線，記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 凝析油影響測試

配置泡排劑濃度為0.2%，蘇里格氣田使用的凝析油濃度為0.5%的溶液，在室溫下測試不同泡排劑的泡沫穩(wěn)定性變化(如1.3.1 所述)，并記錄數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 泡排劑基本性能測試

將6 種泡排劑按照2.1 所述方法進行測試，可以得到泡沫衰變曲線與析液過程電導(dǎo)率變化(圖1)，并記錄泡沫半衰期與析液半衰期，數(shù)據(jù)整理在表1 中。表面張力的大小影響著泡沫穩(wěn)定性、液膜的排液能力等，泡排劑溶液表面張力越大泡沫衰變越快，穩(wěn)定性越低[5-6]。

由圖1(a) 可明顯看出液體泡排劑、納米泡排劑和AES 三種的泡沫衰變曲線較為平緩。其中納米泡排劑產(chǎn)生的泡沫致密且均勻，在消泡初期速率較慢，泡沫穩(wěn)定性最好；AES 的泡沫半衰期及析液半衰期較長，產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性較好。固體泡排劑、SDS、AEO-5 三者泡沫衰變曲線速率較快，其中AEO-5 消泡最快，其半衰期僅為71 min，且AEO-5 析液最快，因為AEO-5 屬聚醚型非離子表面活性劑，親水親油性受合成分子比例影響，在水中顯示為親油性，其泡沫穩(wěn)定性能較差。表1 中的泡沫半衰期可進一步說明納米泡排劑和AES 穩(wěn)定性較好。泡沫電導(dǎo)率可以反應(yīng)其攜液量，可從圖1(b)與表1 中看出，AES 電導(dǎo)率最高，即生成泡沫后攜液量最高，但是其轉(zhuǎn)折點也就是析液時間較為靠前，泡沫攜液能力較差；納米泡排劑和液體泡排劑二者電導(dǎo)率較高且析液時間較長，攜液量及泡沫穩(wěn)定性相對較好。而SDS、固體泡排劑以及AEO-5 三者差別不大，泡沫攜液能力較差。

圖1 泡沫衰變曲線與析液過程電導(dǎo)率變化

根據(jù)表1 可知6 種泡排劑都降低了水溶液的表面張力，效果最好的為SDS 溶液，表面張力為26.897 mN/m低于其他幾種，這是因為SDS 屬于陰離子表面活性劑，親水性較強，可以較為整齊的排列在氣液界面上降低氣液界面張力，使得泡沫易生成且能夠穩(wěn)定液膜減緩排液，與前述攜液量最大的結(jié)論一致。

從6 種泡排劑溶液中取出泡沫，開始計時3 min，利用顯微鏡記錄泡沫表觀形貌(圖2)，進行對比分析。

圖2 6 種泡排劑生成泡沫3 min 時的圖像

在圖2 中，納米泡排劑所產(chǎn)生的泡沫明顯比其他泡沫尺寸小，在實際實驗中泡沫致密，穩(wěn)定性很好。液體泡排劑和AOS 產(chǎn)生的泡沫大小適中且比較均勻，AOS 泡沫液壁較厚，攜液量較大。SDS 和AEO-5 生成泡沫尺寸不均勻，存在較大氣泡，一般泡沫尺寸太大容易出現(xiàn)泡沫坍塌不穩(wěn)定的情況，實驗中兩者的泡沫也都出現(xiàn)了坍塌斷層現(xiàn)象。而固體泡排劑生成的泡沫最不均勻，大小泡尺寸相差極大，實驗中易有大泡出現(xiàn)，非常不穩(wěn)定。

通過這些初步的性質(zhì)測試可以得出：納米泡排劑＞SDS＞ AOS＞液體泡排劑＞AEO-5＞固體泡排劑。

2.2 無機鹽對泡沫性能的影響

在實際氣井生產(chǎn)中，底層環(huán)境往往含有較為豐富的無機鹽，而表面活性劑成分極其容易在這種環(huán)境中發(fā)生“鹽析”現(xiàn)象[7]，失去起泡穩(wěn)泡的作用。所以必須測試抗鹽能力才能篩選出符合實際應(yīng)用環(huán)境的泡排劑。

配置6 種泡排劑濃度均為0.2%，分別配制NaCl和CaCl2溶液，起泡后觀察泡沫的衰變曲線并記錄半衰期，如圖3(a)所示。配置六種泡排劑濃度為0.2%，CaCl2濃度分別為0、1 000、2 000、5 000、10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 mg/L 的溶液，在室溫下測試泡排劑在不同無機鹽濃度下泡沫穩(wěn)定性的變化，記錄泡沫半衰期。如圖3(b)所示。

圖3 不同泡排劑體系的泡沫半衰期

從圖3(a)中可以看出，無論是加入NaCl 還是CaCl2，幾個泡沫體系的半衰期都出現(xiàn)了下降，即當(dāng)前濃度的無機鹽會導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低。其次，CaCl2對泡沫穩(wěn)定性的降低程度大于NaCl。

在圖3(b)中，蘇里格氣田現(xiàn)役的液體泡排劑、固體泡排劑以及油氣田常用離子型表面活性劑SDS、AES 的泡沫半衰期隨著鹽濃度增大而大幅減少，說明其耐鹽性較差，無機鹽濃度較高的介質(zhì)條件不利于排水采氣。相較于它們，現(xiàn)役的納米泡排劑的泡沫穩(wěn)定性受鹽濃度影響較小，說明納米泡排劑具有較強的耐鹽性；而AEO-5 的泡沫穩(wěn)定性幾乎不受鹽濃度影響，這是因為非離子型表面活性劑與無機鹽相互作用較弱。然而需要注意的是，其半衰期整體較低，泡沫穩(wěn)定性不如其他泡排劑。而且，可以發(fā)現(xiàn)少量的無機鹽存在時泡沫的穩(wěn)定性會小幅度提高[8]，這是因為無機鹽較少時少量的帶電粒子會壓縮雙電層，使得表面活性劑親水頭基間的斥力下降[9]，氣液界面表面活性劑吸附數(shù)目增加且趨于有序排列，從而實現(xiàn)泡沫析液減緩，穩(wěn)定性增加。

通過對鹽濃度影響的性能測試，綜合得出：納米泡排劑＞AOS＞固體泡排劑＞SDS＞AEO-5＞普通泡排劑。

2.3 凝析油對泡沫性能的影響

氣田開采過程中凝析油也經(jīng)常存在，凝析油被稱作“天然消泡劑”，對于井內(nèi)泡沫的性能有著很大的影響并且凝析油會和井底積液共同作用干擾排水采氣的正常工作，因為凝析油溶入氣液界面后會破壞液膜導(dǎo)致消泡，甚至在凝析油含量較高的環(huán)境中泡沫無法產(chǎn)生[10-12]，而蘇里格氣田近井地帶凝析油飽和度高，氣井的產(chǎn)量下降較大。所以十分有必要研究凝析油對泡沫性能的影響。

配置含有蘇格里氣田開采現(xiàn)場凝析油的濃度為0.5%，泡排劑濃度0.2% 的6 種泡排劑溶液，進行泡沫性能測試，所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 凝析油存在時6 種泡排劑的泡沫衰變曲線

圖4給出加入凝析油時6 種泡排劑溶液的泡沫衰變曲線。結(jié)果表明，看出納米泡排劑和AOS 的衰變時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他幾種泡排劑，說明二者抗凝析油能力相對較強。納米泡排劑表面活性劑的分子尺寸在納米級，易于進入泡沫液膜而且排列較為整齊緊密，提高泡沫的穩(wěn)定性；AOS 在這種條件下穩(wěn)定性可觀；而其中AEO-5 產(chǎn)生的泡沫衰變最快，在5 min 內(nèi)完全消泡，泡沫穩(wěn)定性最差，這可能由于AEO-5 屬于脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑，該類表面活性劑聚合度對其影響很大，在聚合度較低時AEO-5 親油性較好，與凝析油互相作用從而消泡。其他三種泡排劑泡沫穩(wěn)定性相對較差。

3 結(jié)語

針對蘇格里氣田開采中遇到的井底積液問題，先通過分析地層水水明確主要干擾因素后，再根據(jù)氣田開采的實際環(huán)境，利用氣流法考察了常用的6 種不同泡排劑-液體泡排劑、納米泡排劑、固體泡排劑，SDS、AOS 和AEO-5 的起泡性能，并通過對泡沫穩(wěn)定性、攜液能力及表面張力等的研究，獲得了6 種泡排劑起泡穩(wěn)泡性能優(yōu)劣順序：SDS＞納米泡排劑＞AOS＞液體泡排劑＞ AEO-5＞固體泡排劑。

此外本文研究了地層礦化度和凝析油對泡排劑泡沫性能的影響，綜合抗鹽性能優(yōu)劣順序為：納米泡排劑＞AOS＞固體泡排劑＞SDS＞AEO-5＞液體泡排劑；抗油性能優(yōu)劣順序為：AOS＞納米泡排劑＞SDS＞固體泡排劑＞液體泡排劑＞AEO-5。綜合對比泡排劑的抗鹽耐油性能，最終優(yōu)選出最適宜蘇里格氣田使用的泡排劑為納米泡排劑。并使用納米泡排劑針對蘇75 作業(yè)區(qū)幾口積液嚴(yán)重的井進行現(xiàn)場實際試驗并進行了跟蹤評價，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣量有了明顯的增長并能保證持續(xù)生產(chǎn)，證實納米泡排劑的性能較優(yōu)，為氣田解決積液問題、恢復(fù)生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。