排水采氣用泡排劑在氣田開發(fā)中的研究進展*

王 超

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西榆林 718599）

氣井泡沫排水是單井提產(chǎn)的一項關鍵舉措，其排液原理是通過油套管將泡排劑打入井筒，泡排劑與井筒積液接觸后，利用自身的起泡性能，將氣層上方的積液轉變?yōu)榈兔芏群畾馀荨Ｓ蓺饬魍ㄟ^生產(chǎn)油管攜帶至井口而采出，進而實現(xiàn)排水采氣。當前泡沫排水采氣已在國內(nèi)各個氣田中廣泛應用，且獲取了一定的經(jīng)濟效益[1]。但由于相關技術條件的制約，不同泡排劑或多或少都存在一定的缺陷和不足，目前，國內(nèi)關于泡排劑應用的系統(tǒng)性報道不多[2]。

1 傳統(tǒng)泡排劑技術體系

1.1 陰離子泡排劑

陰離子泡排劑具有制作流程簡易、投入成本低及危害程度低等特點，加之水溶性和起泡性能強，經(jīng)過多年的革新和發(fā)展，目前已實現(xiàn)工業(yè)化普及和應用。Abdulrauf 等[3]以磺酸基團、直鏈烷烴為主劑，獲取了耐溫型陰離子泡排劑，該試劑在130℃的高溫下仍可保持優(yōu)異的起泡性能。屈鳴等[4]制備了陰離子磺酸鹽泡排劑，經(jīng)研究表明，將其與長鏈烷基溴化銨復配后，可顯著增大泡排體系的半衰期，同時大幅提升泡排劑的耐久性。綜合來看，陰離子泡排劑在起泡效果、抗溫、耐久性等方面都存在較大的優(yōu)勢，但由于體系中富含易與儲層中的Ca2+、Mg2+作用生成沉淀，起泡性能銳減。

1.2 陽離子泡排劑

相比陰離子泡排劑，陽離子泡排劑的研究歷程較短，相關的研究和報道不多，多見于高礦化度氣藏。周永鋒等[5]提出了新型銨鹽陽離子泡排劑，通過對其性能的研究得出，泡排劑的最優(yōu)起泡濃度為2.0g·L-1，且具備良好的緩蝕性和耐鹽性。Saeid 等[6]以Na2CO3、丙二胺及C3H8O 為原料，制備了雙酰胺基陽離子泡排劑，經(jīng)性能評價實驗表明，在25℃下，質量濃度僅為0.5g·L-1便可大幅提升體系的起泡性。陽離子泡排劑的核心材料主要為有機胺衍生鹽，兼具滅菌抗鹽等多項功能。但由于極性陽離子極易受體系pH 值的影響，一旦用量過度便會加劇油水乳化，需嚴格把控泡排劑的加注量。此外，受制備原料稀缺、合成工藝繁雜及投入成本高等因素的影響，極大限制了其工業(yè)化應用的步伐，在國內(nèi)各大氣田中活躍度不高。

1.3 兩性離子泡排劑

兩性離子泡排劑兼具陰、陽離子泡排劑的雙重優(yōu)勢，能夠結合體系的pH 值，靈活發(fā)揮自身的陰、陽離子性能。同時，該類型泡排劑具有很強的吸附性，能夠大量捕獲鄰近的電荷，形成一層致密的電子層，可有效防止泡沫發(fā)生破裂，大大提升其耐久性。Ner 等[7]以多聚甲醛、酚磺基為原料，制備了甜菜堿雙性離子泡排劑，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該泡排劑雖耐溫性好、半衰期長，但由于制備工藝復雜，加之對反應條件的要求苛刻，應用性價比不高。馬騰飛等[8]為解決高溫、高鹽氣井排采難度大的問題，研制了Gemini兩性離子泡排劑，研究發(fā)現(xiàn)，在溫度為180℃、礦化度為25g·L-1的環(huán)境下，起泡體積和半衰期高達1780mL 和632s，可有效滿足高溫、高鹽困難氣井的泡排施工要求。兩性離子泡排劑不僅耐溫性強、適用范圍廣，且無毒、不易發(fā)生分解，在排水采氣應用方面優(yōu)勢性顯著，但仍面臨制備成本高、起泡性能差等技術壁壘，距大規(guī)模推廣和應用仍有相當長的一段路要走。

1.4 非離子泡排劑

非離子泡排劑能夠高比例溶解于冷水中，呈膠束狀存在。且起泡特性不受鹽度、pH 值的影響，具有耐腐蝕、強自適應性及難乳化等特點，受到業(yè)內(nèi)諸多專家和學者的關注。劉澤暉等[9]為研究鹽度對非離子泡排劑的影響，開展了相關實驗，得出當體系中的鹽度增加時，非離子泡排劑的泡沫液膜也相應變厚，進而包裹更多的鹽離子，大幅提升體系的穩(wěn)定性。李居龍等[10]制備了聚氧乙烯基型非離子泡排劑，發(fā)現(xiàn)該泡排劑在冷水中不易分解，半衰期基本不受地層水鹽度的影響，但溫度過高時起泡性能和半衰期顯著下降。非離子泡排劑雖抗鹽耐腐性強，但卻存在起泡性能低、不耐高溫等難題，因此，其多與其他抗溫型起泡劑聯(lián)合使用。

1.5 高分子聚合物泡排劑

高分子聚合物泡排劑中富含高相對分子質量親水憎水基團，在高溫、高鹽環(huán)境下，仍能保持良好的泡沫穩(wěn)定性。國內(nèi)外研究者針對其開展了大量探究，如美國Calgon 研制的丙烯酰胺-聚氧乙烯醚共聚物，Alliance 氣田開發(fā)的烯烴磺酸鈉-甲酸復配型泡排劑等[11]。Mina 等[12]以BF3、乙醚為原料，聚合獲取了共聚物泡排劑，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該試劑的CMC 隨體系鹽度的上升而降低，表明該試劑具有較強的耐鹽性。高分子聚合物泡排劑擁有獨特的技術優(yōu)勢，被廣泛應用于國內(nèi)外各大氣田。但也并非十全十美，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當體系中的鹽度大于178g·L-1時，該泡排劑的攜液性能銳減，如何研發(fā)出更強的耐鹽共聚物是該領域未來的主攻方向。

1.6 復合型泡排劑

人們通過大量實踐經(jīng)驗得出，單一的泡排劑效果都不好，只有克服不同泡排劑的局限性，研發(fā)出復合型泡排劑才能有效發(fā)揮排液效果。王維恒等[13]針對磺酸鹽耦合型泡排劑的泡沫性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)與單一陰離子、非離子泡排劑相比，該試劑兼具良好的耐腐性與攜液能力。吳秋伯等[14]針對高礦化度氣井排液難度大的難題，優(yōu)選了新型耦合型泡排劑，結果顯示，復配后的復合泡排劑攜液率提升了30%，排水效果得到顯著提升。Wu 等[15]以n（胺丙基甜菜堿）∶n（月桂酰）=4∶1 為配方，合成了雙元耦合型泡排劑，經(jīng)性能評價實驗得出，該泡排劑的配伍性遠大于單一胺丙基甜菜堿泡排劑，緩蝕率高達82%。復合型泡排劑克服了不同單一泡排劑的缺陷，適用于高溫、高鹽等復雜儲層環(huán)境的氣井排水采氣。但由于體系是多項泡排劑子技術的耦合，仍存在許多實際問題需要解決。

綜合以上研究，傳統(tǒng)泡排劑雖在不同領域各具特色，但實際應用過程中卻存在不少受限因素和技術瓶頸，亟需研發(fā)新型泡排劑以滿足現(xiàn)場排液的需求。

2 新型泡排劑在氣田開發(fā)中的應用研究進展

隨著國內(nèi)常規(guī)氣藏產(chǎn)能的不斷衰減，人們逐漸將目光轉移到致密氣、頁巖氣等非常規(guī)氣藏。非常規(guī)氣藏地層非均質性強且儲層致密，排采施工難度較大，迫切需要新型泡排劑以輔助氣井提產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。當前已報道的新型排采泡排劑主要有抗H2S、抗凝析油、耐酸堿、抗甲醇、環(huán)保耐溫抗鹽及納米顆粒固態(tài)泡排劑等。

2.1 抗H2S 型泡排劑

多數(shù)下古氣藏都富含一定濃度的H2S，H2S 溶于地層水后呈強酸性，與井下管材長期接觸后，會形成嚴重的電化學腐蝕。氣田開發(fā)技術人員常采用加入緩蝕劑的方法，弱化H2S 造成的腐蝕問題。但國內(nèi)常用的大多數(shù)緩蝕劑為油溶性試劑，具有較強的消泡作用，會逆向影響排水采氣的效果。在此背景下，抗H2S 泡排劑應運而生，該泡排劑不僅具有很強的抗腐蝕性，還可與不同緩蝕劑進行配伍，最大化發(fā)揮自身的排液性能。

蔣一欣等[16]以穩(wěn)泡劑、絡合劑為引發(fā)劑，合成了一種高分子抗H2S 泡排劑，該泡排劑在高濃度H2S 體系中仍可保證較高的發(fā)泡性和強穩(wěn)定性。劉通等[17]采用絡合法制備了一種高分子泡排劑，將其應用于X-1 下古氣井，結果表明，當泡排劑濃度達到1.6%時，攜液率高達85%，應用后僅1 個月增產(chǎn)氣即可達8.5×104m3?？傮w來看，抗H2S 泡排劑可在很大程度上解決下古氣井中H2S 造成的負面效應。但由于受合成工藝不成熟、適用范圍有限等因素的影響，后續(xù)仍需加強對抗H2S 泡排劑各項指標的補充和完善。

2.2 抗凝析油泡排劑

凝析油是氣井開發(fā)中常見的一種產(chǎn)物，對于高含油氣井，常規(guī)泡排劑基本無用武之地。原因在于凝析油與泡排劑接觸后，會發(fā)生乳化效應而生成乳化液，使泡排劑的排液性能失效。孫玉鵬等[18]針對羧酸酯泡排劑的抗凝析油性能開展了研究，將其應用于川南頁巖氣田2 口高含油氣井，結果顯示，引入該泡排劑后，2 口單井的月平均氣量增加了38%。瞿超超等[19]以甲醇、水楊酸及苯磺酸為主劑，制備了水楊酸鹽泡排劑，經(jīng)性能評價實驗得出，在凝析油含量高達30%的體系中，泡排劑用量僅為2000mg·L-1，泡沫高度便可高達12.6cm?？鼓鲇团菖艅┛捎行浹a常規(guī)泡排劑遇凝析油失效的技術短板，是當前排采用泡排劑的發(fā)展主流。

2.3 耐酸堿型泡排劑

酸堿度也是制約泡排劑性能的主要指標，pH 值過高或過低都會對其排采效果產(chǎn)生一定的不利影響。經(jīng)大量實踐證明，pH 值在6.8~8.0 之間時，泡排劑的排液性能最佳。原因是高濃度的H+、OH-離子會導致泡排劑的電離作用失效，大幅弱化其排液能力，故急需研發(fā)特定的泡排劑以適用于高酸、強堿氣井的開發(fā)。郭秀鵬等[20]經(jīng)化學復配制得了一種新型聚酯類泡排劑，該試劑在強酸環(huán)境下，攜液量仍可長期保證165mL 以上，腐蝕速率可降至0.001mm·a-1以下。任屹等[21]以氧化胺、甜菜堿及烷基硫酸鈉為原料，合成了一種耐酸堿型泡排劑，可適用于多種類型的酸性、堿性氣田。耐酸堿型泡排劑可有效解決酸性、堿性氣田排水條件苛刻的瓶頸，但由于研發(fā)成本較高，發(fā)展進程相對滯后，所以如何實現(xiàn)低成本化生產(chǎn)成為今后耐酸堿型泡排劑的主要研究方向。

2.4 耐鹽耐溫型泡排劑

地層水礦化度主要會對離子型泡排劑的性能產(chǎn)生影響，富含高濃度離子的地層水一旦與泡排劑接觸，會顯著降低其雙電子層的斥力，打亂泡沫膜表面的電荷分布，加速泡沫變薄、甚至破裂。此外，高溫儲層也會導致非離子型泡排劑的濁點減少，大大弱化其耐久性。周侗等[22]制備了一種新型聚合物抗溫抗鹽泡排劑，在蘇里格氣田高礦化度氣區(qū)的現(xiàn)場實驗中發(fā)現(xiàn)，該泡排劑具有高鹽高溫適用性，應用后井均產(chǎn)量可增加36%。武俊文等[23]提出了一種微生物泡排劑，在660g·L-1、150℃的高鹽高溫環(huán)境下，泡沫高度可達82mm，將其與發(fā)酵液進行聯(lián)合使用后，泡沫的高度可增至130mm，且過程中穩(wěn)泡性能長期有效。抗溫抗鹽型泡排劑具有應用范圍廣、耐鹽耐溫、自適應強等多重優(yōu)勢，應用前景廣闊。

2.5 抗甲醇型泡排劑

在冬季保供期，甲醇是有效保證氣井生產(chǎn)的關鍵試劑，其對泡排劑性能的影響具有雙面性。經(jīng)研究表明，甲醇濃度為30%時，泡排劑的應用效果最好，而甲醇濃度過高或過低時，皆不利于發(fā)揮泡排劑性能的發(fā)揮。賴小娟等[24]以氧化銨、特種活性劑為引發(fā)劑，合成了一種新型泡排劑（FHG-1），經(jīng)泡排劑性能評價得出，該試劑在含醇量低于30%的配液中仍具有良好的起泡性能，可有效應用于冬供期間氣井的排液。Robson 等[25]采用正交實驗法，對泡排劑進行最優(yōu)化配比，得到了優(yōu)異的抗醇型泡排劑（LYB-1），實驗結果表明，LYB-1 不僅能夠與地層水發(fā)生自適應配伍，同時兼具較強的抗油、抗甲醇性能。在排水采氣領域，甲醇通常被列入不友好試劑的名單，研制出可與甲醇自適應配伍、經(jīng)濟高效的抗醇型泡排劑是未來該行業(yè)的主攻方向。

2.6 納米顆粒固態(tài)泡排劑

納米固體顆粒泡排劑是一種新興的智能泡排技術，通過向常規(guī)泡排劑中加入納米粒子進而形成固態(tài)泡排劑。其不僅可吸附于兩相界面形成致密的“固體膜”，同時納米顆粒還可起到防止氣體擴散的作用，能夠有效抑制泡沫的聚并和歧化，大幅改善常用泡排劑的穩(wěn)定性和耐久性。熊春明等[26]開展了納米粒子與傳統(tǒng)泡排劑排液效果對比實驗，結果發(fā)現(xiàn)，前者的耐溫、耐鹽、抗油等性能明顯優(yōu)于后者。張雙雙等[27]將改性接枝后的納米SiO2粒子引入到普通泡排劑中，并應用于蜀南氣礦開發(fā)現(xiàn)場，結果顯示，固態(tài)泡排劑的起泡體積和半衰期大幅升高，且在高溫高礦化度下仍能具備良好的穩(wěn)定性和起泡性。從多方面考慮，納米固體顆粒泡排劑都具備明顯優(yōu)勢，但由于受相關技術條件的限制，該泡排體系尚處于實驗驗證階段，與實際應用還有很長的距離。

3 技術特點對比

近年來，國內(nèi)外學者對泡沫排采技術開展了大量研究，泡排輔助排液法正朝著多元化模式發(fā)展，各種新型泡排技術蔚然成風，在推動氣田開發(fā)排液增產(chǎn)領域發(fā)揮著舉足輕重的作用[28]。不同泡排劑在適用范圍、應用效果及經(jīng)濟性等層面各有特色，其各自的技術優(yōu)缺點見表1。

表1 不同排水采氣用泡排劑技術特點對比Tab.1 Comparison of technical characteristics of foaming discharge agents for different drainage gas production

4 結語

現(xiàn)階段，我國已形成了多種適用于不同儲層類型的氣井泡沫排水采氣技術，在氣田開發(fā)領域中的應用已初具規(guī)模。但仍存在傳統(tǒng)泡排劑適用范圍有限、新型泡排劑實用性低、研發(fā)成本高等技術瓶頸，有許多關鍵技術需要突破。建議從不同角度出發(fā)，多管齊下，共同推進我國泡沫排水采氣技術的有序發(fā)展。

（1）加強國內(nèi)外合作，充分借鑒國外先進的泡排技術，取長補短，構建適合本國氣田現(xiàn)狀的泡排技術體系。

（2）深化多學科融合，集成有機化學、材料學及微觀分子學等多門學科，研發(fā)多功能型泡排劑以滿足不同氣田開發(fā)現(xiàn)場的需要。

（3）理論與實踐并舉，加強對泡排劑的理論分析和實用評價，室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實踐兩手抓，共同推進我國泡沫排采工藝邁向新的高峰。