一种阴离子起泡剂的起泡性能影响因素分析

李 翔, 刘 伟, 李松岩, 李兆敏

(1.中海油田服务股份有限公司油田生产研究院,天津300450;2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

自1956年 Fried首次对泡沫驱油进行研究和1958年Bond等发表世界上第一份泡沫驱油专利以来,泡沫流体在油田的应用已有50多年的历史,现在已成为油气田开发中的一个重要发展方向。因为泡沫具有摩阻低、密度低、滤失量小、携带固体颗粒能力强、“堵大不堵小”、“堵水不堵油”等优点,因此其广泛应用于三次采油、调剖堵水、分流酸化及冲砂洗井等方面[1-4]。起泡剂是泡沫生成的关键因素之一,它可以降低液相的表面张力和体系的表面自由能,使泡沫体系得以稳定,不同的储层条件对起泡剂性能影响较大,因此针对不同的油藏条件,应选择相应的起泡剂,以保证施工效果。起泡剂为表面活性剂,主要包括阴离子起泡剂、阳离子起泡剂、非离子起泡剂、两性离子起泡剂、聚合物起泡剂和复合型起泡剂等,阴离子表面活性剂因界面活性高、耐温性好而经常被作为一种良好的起泡剂。其中,磺酸盐是阴离子表面活性剂中产量最大,应用领域最广的一种[5-6]。本文对一种油田用阴离子磺酸盐起泡剂(FA220)进行了室内实验研究,分析了其耐温、耐盐及耐油性的效果和机理,为现场应用提供了理论指导。

1 实验部分

1.1 实验方法

常规起泡剂性能主要从两个方面进行评价,一方面是起泡能力,另一方面是稳定性。评价起泡能力和泡沫稳定性的参数主要是起泡体积V0和半衰期t50。本实验中选用 Waring Blender法对起泡剂FA220进行性能评价,这种方法所用的药品少,实验周期短,使用条件受限制较少[7]。

实验时,在量杯中加入100 mL一定质量分数的起泡剂溶液,高速(8 000 r/min)搅拌3 min后,关闭开关,马上读取泡沫体积,表示发泡剂的发泡能力。然后记录从泡沫中析出50 mL液体所需的时间,作为泡沫的半衰期,反映其稳定性。本实验主要针对矿化度、聚合物质量浓度、温度和含油饱和度对起泡剂性能的影响进行了实验。

1.2 实验试剂及装置

实验试剂:阴离子表面活性剂(FA220)、NaCl (分析纯)、CaCl2(分析纯)、MgCl2(分析纯)、聚丙烯酰胺(分析纯)、原油(50℃时粘度为36 mPa·s)、蒸馏水等。

实验装置:高速搅拌机、恒温水浴、恒温箱、天平、量筒等。

2 结果与讨论

2.1 起泡剂质量分数对起泡剂性能的影响

图1中所用的起泡剂基液为蒸馏水加不同质量分数的FA220起泡剂配制而成,实验温度为25℃。

Fig.1 The relationship between foaming agent concentration and foaming volume and half-time图1 起泡剂与起泡体积和半衰期的关系

从图1中可以看出,随着起泡剂质量分数的增加,起泡体积与半衰期均呈现出一定的波动性,但是其均在起泡剂质量分数为0.6%时达到最大值,因此在后续的实验中起泡剂的使用质量分数定为0.6%。

2.2 矿化度对起泡性能的影响

针对地层水中主要的无机盐类型,主要评价了在25℃时NaCl,Ca2+和Mg2+对起泡剂性能的影响。实验结果如图2所示。

Fig.2 The relationship between salinity concentration and foaming volume and half-time图2 矿化度与起泡体积和半衰期的关系

从图2(a)中可以看出,起泡剂FA220的起泡体积和半衰期随着NaCl质量浓度的增加逐渐减小,但是当NaCl质量浓度超过5 g/L后,起泡体积和半衰期均有一定程度的恢复,当NaCl质量浓度达到10 g/L时,其半衰期仅降低20.2%。从图2(b)和图2(c)可以看出,Ca2+和Mg2+对起泡剂FA220的起泡体积影响较小,对半衰期影响较大。Ca2+质量浓度超过0.4 g/L时,起泡剂FA220的稳定性略有降低,Mg2+质量浓度超过 0.2 g/L时,起泡剂FA220的稳定性则开始增加。其原因是,在表面活性剂FA220溶液体系中加入无机盐后会使其表面活性增强,表现为溶液的表面张力和临界胶束浓度显著降低[8-10],而且溶液的临界胶束质量浓度随着无机离子质量浓度的增加而降低,表面活性增强,其泡沫性能降低,表现为起泡体系出现一定的降低,这是因为反离子效应(与表面活性剂离子所带电荷相反的无机离子常称之为反离子)。对阴离子表面活性剂而言,金属离子就是其反离子。表面活性剂FA220是一种阴离子型表面活性剂,具有两亲结构的分子,其荷电基团在强电场下,周围会形成三个水化域[11],即最里层的电缩水化水(简称水化水),中间的部分失去规整性的水化层和以外的普通状态水。离子型表面活性剂的耐盐性与荷电基团周围的电缩水化层厚度密切相关,对于—SO3H基团,Ca2+的去水化能力远远强于Mg2+,导致加入Ca2+的表面活性剂FA220离子的电缩水化水层相对Mg2+要薄,影响了表面活性剂的性能。另外无机盐比较容易使离子型表面活性剂在溶液中盐析而沉淀出,对于泡沫的稳定性产生负面影响。

2.3 聚合物对起泡性能的影响

增加起泡剂溶液的粘度有利于增加泡沫的稳定性,因此经常把聚合物作为泡沫的稳泡剂,但加入稳泡剂后会减小泡沫的起泡体积。同时在较高的矿化度条件下,聚合物的增粘效果会减弱,为此评价了温度为25℃,矿化度在10 g/L情况下聚合物HPAM对起泡剂性能的影响。实验结果见图3。

Fig.3 The relationship between polymer concentration and foaming volume and half-time图3 聚合物质量浓度与起泡体系和半衰期关系

从图3可以看出,起泡剂FA220的起泡体积随着聚合物质量浓度的增加而减小,而半衰期则随着聚合物质量浓度的增加而增加,在聚合物质量浓度超过0.8 g/L后,半衰期增加的幅度明显减小。这主要是因为聚合物的加入增大了泡沫基液体系的粘度,一方面液相粘度增加,起泡时需要克服的粘滞阻力相应增大,起泡体积相对减小;另一方面,粘度增加,相同条件下液膜排液速度降低,气泡之间的气体交换速度也降低,因此泡沫半衰期增加。这两方面的影响是同时起作用的,当一方面起主导作用时,半衰期即增大或减小,当两方面影响相当时,半衰期变化不明显。在实际应用中,可以选择聚合物质量浓度为0.3～0.8 mg/L,在此质量浓度范围内,起泡体积和半衰期均有较为理想的效果。

2.4 温度对起泡性能的影响

表面活性剂随着温度升高,其表面活性会增加,但是超过一定温度后,有可能会破坏表面活性剂结构,而且随着温度的升高,气体膨胀性也越强,也有可能对起泡剂性能产生消极影响,为此,测量了不同温度下起泡剂 FA220的起泡性能,结果如图4所示。

从图4可以看出,FA220的半衰期随着温度的增加而急剧减小,其起泡体积随着温度的增加先增加后减小。这主要是因为在一定温度范围内,温度升高时起泡剂分子运动加快,起泡剂分子间距离增大,动能增加时分子容易摆脱水的束缚而逃逸到水面,导致表面吸附的起泡剂分子增多,表面张力下降,即表现为起泡体积增加。但随着温度的继续升高,液膜的水分蒸发加剧,使液膜变薄,排液速度加快,则泡沫容易破灭,在 Waring Blender高速搅拌器的搅拌下生成的泡沫很快消失。由此可见, FA220起泡剂应用的最佳范围为40～70℃,但是采用Waring Blender方法的实验条件和实际井筒和地层条件相差很多,实际井筒和地层是在高压条件下,泡沫液膜不会蒸发,泡沫的稳定性会大大提高,因此,在实际应用过程中其温度适应范围可适当提高。

Fig.4 The relationship between temperature and foaming volume and half-time图4 温度与起泡体积和半衰期的关系

2.5 含油饱和度对起泡性能的影响

实验采用了Waring Blender评价方法,在温度为25℃情况下,采用了3种实验条件:①起泡剂溶液中加入原油后搅拌,转速为7 000 r/min,搅拌时间3 min;②起泡剂溶液中加入原油后搅拌,转速为3 000 r/min,搅拌时间3 min;③起泡剂溶液搅拌起泡后加入原油,转速为7 000 r/min,搅拌时间3 min。起泡性能如图5和图6所示。

从图5和图6中可以看出,采用3种实验方法测得的起泡体积均随着含油饱和度的增加而减小,1号和3号实验方法测得的半衰期随着含油饱和度的增加而减小,2号实验方法测得的半衰期先减小,而后略有上升,说明原油具有较为明显的消泡作用,对泡沫的稳定性具有负面的影响。

Fig.5 The relationship between oil saturation and foaming volume图5 起泡体积与含油饱和度关系

Fig.6 The relationship between oil saturation and half-time of foam图6 泡沫半衰期与含油饱和度的关系

在相同含油饱和度情况下,采用2号实验方法测得的起泡体积和半衰期要明显低于其他两种实验方法,其原因主要是搅拌速率要明显低于其他两种实验方法,形成的泡沫较高速搅拌形成的泡沫均匀性要差。对比1号和3号实验可以看出,采用先加原油和后加原油时起泡体积相差较小,但是其半衰期变化规律出现了明显的差异,在含油饱和度超过20%后,先加入原油的半衰期出现一定程度的上升。其原因是在磺酸盐和高速搅拌作用下,原油形成了油水乳化液,乳化液液滴平均粒径越小,分散度越大,液膜也越稳定。根据现有研究,在磺酸盐与原油乳化过程中,油水体积比对乳状液液滴结构影响较大,随着含油饱和度的增加,乳状液平均粒径和分散度先增大后减小[12]。乳状液平均粒径的变化趋势会导致液膜稳定性先下降后上升,而分散度的变化趋势则会导致液膜稳定性先上升后下降。从图6中实验测得的数据可以看出,随着含油饱和度的增加,液膜的稳定性先下降后上升,说明乳状液平均粒径对液膜稳定性的影响要大于分散度对其的影响。

2号实验过程中由于搅拌速率要低,并没有形成较为稳定的乳状液,因此其半衰期随着含油饱和度的增加而减小。在实际油藏条件下,泡沫与原油的接触关系与3号实验更为相符,水驱后在较低渗透率层由于含油饱和度较高,泡沫与残余油接触后其稳定性降低而大量的消泡;在高渗透率层,由于含水相对较高,泡沫的消泡作用不明显,这两种作用的结果导致泡沫得以在高渗透率地层稳定存在,渗流阻力较大,形成较好的封堵作用,而在低渗透率地层由于消泡作用渗流阻力较好,可以实现“堵大不堵小”,因此泡沫具有良好的调剖能力。

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