2014, Vol. 36
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2. 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院, 新疆 克拉玛依 834000
2. Engineering Technology Research Institute, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay, Xinjiang 834000, China
天然气井开采后期，许多气井不同程度地出现积液，聚集的液相会对井底造成伤害，产层由于“水锁”，“水敏性黏土膨胀”等原因，造成气相渗透率降低，引起水封闭井，气井产能和采收率降低，严重影响天然气井的正常生产。对于凝析气井，其开采后期，由于地层压降大，地露压差大，井筒积液会严重影响产能，导致采收率降低，故排水采气是后期开发的必要手段。但多数起泡剂在温度大于90℃或者凝析油含量大于20%的条件下，起泡性能很差或者不起泡，排水效果很差[1]。为了在高温高含凝析油的情况下保持起泡剂的起泡能力和稳泡能力，研究一种高性能泡排剂，拟满足高温高凝析气藏采气的需要。
1 实验部分 1.1 实验药品椰油基酰胺丙基甜菜碱（CAB，工业级）、月桂基磺基琥珀酸钠（SBFA-30，工业级）、十二烷基硫酸钠（SDS，分析纯）、α-烯基磺酸钠（AOS，工业级）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，分析纯）、OP-10（工业级）、聚乙烯醇（PVA1788，分析纯）、凝析油（某油田样品）。
1.2 实验仪器2152型罗氏泡沫仪（带热水循环泵，上海隆拓仪器设备有限公司）、JJ-99型表面张力仪（上海中晨仪器有限公司）、恒温烘箱、恒温水浴锅、高温高压反应釜及若干玻璃仪器。
1.3 实验方法采用GB/T7462—1994改进Ross-miles法对起泡剂的泡沫性能进行考察。将起泡剂配制成500 mL水溶液，在水浴锅里预热至（50±0.5）℃，打开热水循环泵加热至（50±0.5）℃。再将起泡剂溶液转移至1 000 mL容量瓶中，打开旋塞阀，使液体不断地流下，记录其0，5 min后的泡沫体积，0，5 min的泡沫体积分别表示起泡剂的起泡性能和稳泡性能[2-3]。
2 结果与讨论 2.1 泡沫排水剂主剂的筛选 2.1.1 不同质量分数起泡剂的泡沫性能分别将单一的表面活性剂配成质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的溶液，采用改进Ross-miles法对其进行起泡和稳泡性能测试，记录0，5 min的泡沫体积，结果如图 1和图 2所示。
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| 图1 0 min时的起泡性 Fig. 1 Foaming ability at 0 minute |
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| 图2 5 min时的稳泡性 Fig. 2 Foam stabilization after 5 minutes |
图 1和图 2分别说明了不同质量分数条件下起泡剂的起泡性和泡沫稳定性。图 1为起泡剂AOS、SDS、CTAB、OP-10、CAB、SBFA-30的初始起泡体积与其质量分数的关系。总体上，泡沫体积随起泡剂质量分数的增加呈上升的趋势，当其质量分数达到一定时，其泡沫体积会产生一个最大值。这是因为当起泡剂的质量分数低于临界胶束浓度时，随着质量分数的增加，溶液的表面张力减小，泡沫界面膜上的起泡剂分子增多，表面活性增强，发泡力增强。当其质量分数高于临界胶束浓度时，由于起泡剂分子泡沫表面的富集，会形成越来越致密的表面膜，所以形成的泡沫稳定性增加，而当质量分数增加到一定程度时，形成的泡沫含液量减少，“脆性”增加，泡沫反而变得不稳定[4]。从图 1中可以看出，起泡性最好的起泡剂是SDS。这是因为SDS具有强的亲水基团—OSO3Na，具有很强的水化能力，在其周围容易形成很厚的水化膜，有利于泡沫的形成和稳定。图 2为5 min后泡沫的体积，体现了泡沫的稳定性。总体上泡沫的体积随着起泡剂的质量分数增加均呈上升趋势。其中CAB具有很好的泡沫稳定性。影响泡沫稳定性的内外因素很多，如温度、水的硬度、压力、pH值、气泡的大小分布等，但最重要的是液膜的强度。CAB是一种两性表面活性剂，具有等电点，在低于等电点pH值溶液中，呈阳离子特性，在高于等电点pH值溶液中，则形成内盐，显示阴离子性质，其表面吸附分子排列紧密，使表面膜具有较高的强度，液膜排液困难，具有较低的气体通透性，故其泡沫稳定性良好。而非离子OP-10的泡沫稳定性很差，这是因为其亲水基聚氧乙烯醚在水中呈曲折结构，分子在液膜上不能很好地伸展，排列松散，不能形成紧密排列的吸附膜，加之水化能力差，又不能形成电离层，所以稳定性差。
2.1.2 不同体积分数的凝析油对起泡剂泡沫性能的影响分别将表面活性剂AOS、SDS、CTAB、CAB、SBFA-30配制成质量分数为0.3%，0.3%，0.2%，0.4%，0.3%的500 mL水溶液，采用改进Ross-miles法评价不同体积分数的凝析油对泡沫性能的影响，记录0，5 min的泡沫体积，结果如图 3和图 4所示。
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| 图3 含凝析油0 min的起泡性 Fig. 3 Foam ability in the condition of condensate oil |
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| 图4 含凝析油5 min的稳泡性 Fig. 4 Foam stabilization in the condition of condensate oil |
由图 3和图 4可知，各种起泡剂的泡沫性能随着凝析油体积分数的增加均下降，这是由于凝析油具有使起泡剂分子凝聚，破坏界面膜的特性。当凝析油加入到起泡剂体系中后，降低了液膜表面的表面活性剂分子的浓度，同时还使得液膜变薄，从而很大程度上降低了起泡剂的起泡和稳泡性。当凝析油体积分数较少时，表面活性剂的接触面由气-水界面转变成油-水界面的时间较长，且气泡表面接触的凝析油少，对表面活性剂的泡沫性能影响就小，但当凝析油体积分数增加时，气-水界面变为油-水界面的时间缩短，气泡表面接触的凝析油多，这时会加快泡沫液膜变薄甚至破裂，对表面活性剂泡沫性能的影响随之变大[5-6]。其中，阴离子表面活性剂SDS和两性表面活性剂CAB泡沫性能在同一凝析油体积分数下优于其他表面活性剂。从图 4可以看出AOS和CTAB在凝析油体积分数20%时起泡性和稳定性较差，故优先选取SDS、CAB、SBFA-30作为泡排剂组成配方。
2.2 泡沫排水剂配方的研究通过前期实验，选用起泡性较好的SDS和抗油性较好的CAB，SBFA-30进行复配。再加入一定量的聚乙烯醇（PVA）作为稳泡剂，提高液膜的黏度，增强泡沫的稳定性。首先采用4因素3水平，做9次实验，设计了L9（34）正交实验方案，通过测定不同浓度条件下的表面张力，选取表面张力较低的配方，再采用罗氏泡沫仪和搅拌法评价对其泡沫性能进行评价。正交实验表和极差分析结果如表 1和表 2所示。
| 表1 正交复配起泡剂表面张力测定值 Table 1 The surface tension of foam agent by orthogonal experiment method |
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| 表2 正交实验极差分析 Table 2 Range analysis of the orthogonal experiment method |
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通过表 1可以看出，该复配体系的表面张力总体都小于30 mN/m，第1组复配的起泡剂体系表面张力最低，其表面张力为28.4 mN/m。表面张力的大小可以表征起泡剂的起泡力，也是影响泡沫稳定性的主要因素，表面张力越低，其起泡力越强[7]。通过表 2的极差分析可以看出，对表面张力影响大小依次为： CAB>SBFA-30>SDS>PVA，得到的优化组合为A1B1C1D2，即0.1%SDS+ 0.1%CAB+0.05%SBFA-30+0.02%PVA。再对优化组合进行老化前后抗温耐油性能评价，将其置于150℃烘箱中老化24 h后在不同凝析油含量条件下测其罗氏泡体积，测试结果如图 5所示。
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| 图5 优选体系抗温耐油起泡性 Fig. 5 Foam performance of optimizing system in the condition of condensate oil at high temperature |
实验结果表明，复配后起泡体系的起泡能力和泡沫稳定性明显优于单一的起泡剂。该起泡体系采用阴离子起泡剂SDS，SBFA-30和两性离子表面活性剂CAB复配而成，起泡剂的总浓度为0.25%，高温老化前后的初始起泡体积均在500 mL以上，具有很好的高温稳定性，通过图 5可以看出，在50%凝析油含量条件下，该配方的初始起泡体积为530 mL，老化后的起泡体积为470 mL，说明其在高温老化前后的抗凝析油效果都很好；这是因为表面活性剂的协同效应，当两种或者两种以上的表面活性剂相互混合时，其溶液的性质有别于单一的表面活性剂溶液，他们之间因分子间的相互作用（静电作用，范德法力，氢键等）产生增效作用[8]。混合后的表面活性剂分子极性头正负离子之间产生较强的吸引作用，在某种程度上也降低了SDS极性头之间的排斥作用，使得不同的表面活性剂分子之间的排列更加紧密，这样形成的液膜的黏度和厚度越大，排液和气体通透性越低，其起泡性和泡沫稳定性也越好[9-10]。辅以聚乙烯醇作为稳泡剂，在一定程度上也增大了液膜的强度，使其稳定性进一步得到增强，所以该配方表现出很好的抗温耐油效果，具有很好的应用价值。
3 结论（1）评价了6种起泡剂的起泡性能和泡沫稳定性。起泡性最好的是SDS，泡沫稳定性最好的是CAB。
（2）通过实验，得到了各种起泡剂的抗凝析油能力。CAB具有很好的耐凝析油能力。筛选出起泡性，耐凝析油性较好的起泡剂CAB，SBFA-30。
（3）最后将筛选出的表面活性剂进行复配，得到起泡性能最佳的复配体系为0.1%SDS+0.1%CAB+0.05%SBFA-30+0.02%PVA，其抗温耐凝析油能力显著。
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