深井耐高温泡排剂研制及实验评价方法

李 农 赵立强 缪海燕 谢惠勇 邹小龙

1．西南石油大学 2．中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 3．中国石化西南油气分公司勘探开发研究院4．中国石油西南油气田公司重庆气矿

1 影响泡排剂性能的主要因素

研究表明，温度和压力是影响泡排剂性能的主要因素，气泡排液半衰期t1／2与气泡直径d有如下关系，据此关系可以研究温度和压力对泡排剂性能的影响。

式中t1／2为半衰期；d为泡沫直径；μL为液相黏度；h为泡沫柱最初高度；ρ为液相密度；VLf为泡沫的液体分率；g为重力加速度。

1．1 温度

温度升高对泡沫稳定有不利影响［1］。一方面当温度升高时，气泡中分子运动加剧，气体膨胀趋势和液体蒸汽压增加而使液膜变薄；另一方面当温度升高时泡排剂表面黏度降低，泡沫稳定性下降。

1．2 压力

Band对表面活性剂水溶液的研究表明，泡沫排液时间与压力呈线性关系。当泡沫质量一定时，压力越大，泡沫半径越小，泡沫表面积越小，泡沫就越稳定。

2 深井耐高温泡排剂的研制原则

深井高温泡沫排水采气要求所用泡排剂在90～170℃范围应具有较好的起泡、稳泡、携液能力，与地层水配伍性良好且有一定的抗盐能力。故研制时应考虑［2－3］：①泡排剂应选用极性基较强的电解质离子头基。极性基在电离状况下不受溶液中其他电解质的影响，因而具有更好的抗盐性能。②根据各种表面活性剂结构分析，两性离子表面活性剂具有很好的稳泡性能，可以优先考虑。③选择极性基较多的表面活性剂。极性基可以伸入水相，通过氢键或分子间力发生水化，使得一些水分子成为束缚水，可以增加表面膜的强度和表面黏度。④表面活性剂复配使用。利用表面活性剂协同效应，在最大限度降低表面张力的基础上，更有效发挥Marangoni效应，增强表面膜的修复功能。⑤提高表面活性剂的抗盐耐温能力。在分子结构中引入非离子聚氧烷基，或在阴离子型分子中引入阳离子型亲水基，或引入同种或异种的另一个或多个的阴离子亲水基，辅以其他合适的助剂，以提高泡排剂的抗盐耐温性能。根据这些原则，耐温抗盐泡排剂分子结构中选择的阴离子基团为磺酸根，碳数范围为C12～C14，结构中引入非离子酰胺基团和聚氧乙烯链的两性离子表面活性剂。

3 耐高温高压泡排剂性能评价实验方法

泡排剂性能评价［4］的主要仪器设备有：高温高压动态性能评价仪、罗氏泡沫仪、核磁共振、红外光谱仪、滚子炉、高温表面张力仪、常温表面张力仪、乌氏黏度计、荧光光度计、旋转黏度计等。目前泡排剂性能评价主要参照SY／T 6465—2000标准。当温度低于120℃时，标准具有较好的实用性，当温度高于120℃时，就需要建立新的实验方法来全面评价泡排剂的性能。

3．1 泡排剂表面张力测定

表面张力对泡沫的起泡能力、液膜强度及厚度有很大影响。但泡沫稳定性取决于形成泡沫的液膜强度，而不取决于表面活性剂的表面张力。表面张力测定参照SY／T 6465—2000标准执行。

3．2 泡排剂起泡稳泡性能评价

在高温条件下，分子链可能发生断裂而失去泡排效果，因而达不到预期的起泡能力和携水能力，因此，必须考虑泡排剂的耐高温和稳定能力。起泡稳泡性能测定参照SY／T 6465—2000标准执行。

3．3 泡排剂黏度测定

泡排剂表面黏度越大，泡沫液膜越稳定。黏度增大不仅可以增加液膜表面强度，而且液膜之间的液体不易排出。采用乌氏黏度计测定泡排剂的黏度。

3．4 泡排剂分子量测定

在高温条件下的泡排剂分子链可能断裂，从而影响泡排剂的性能。在高温条件下分子链是否断链，可以通过测定泡排剂的分子量来反映。测定表面活性剂的分子量借鉴测定聚合物分子量的方法，参照标准GB 12005－1—89，通过溶液流出乌氏黏度计的时间来测定表面活性剂老化前后分子量变化情况。

3．5 泡排剂聚集数测定

胶束聚集数是描述表面活性剂胶束结构的特征参数，其测定方法为：①将表面活性剂溶液以芘（P）的饱和水溶液为溶剂配制，猝灭剂（Q）二苯甲酮用无水甲醇配制成一定浓度溶液备用。②在洁净干燥的100 mL具塞三角瓶中准确移取一定量的二苯甲酮的甲醇溶液，用纯N2吹赶甲醇至干燥。用移液管精确移入配制好的表面活性剂溶液，在超声波浴槽中分散5 min后，置于恒温水浴中恒温24h。荧光光度计的激发波长为335nm，在372nm波长处读取荧光读数I372，根据公式用作图法求取为猝灭剂浓度为0时的I372。

3．6 泡排剂核磁共振及红外光谱分析

核磁共振和红外光谱能很好地反映出泡排剂的分子结构，同时还可以由核磁谱图和红外谱图分析出泡排剂所含的基本官能团，通过这些基本官能团推测泡排剂在170℃老化后与未老化前的结构变化来研究泡排剂的耐温性。

3．7 泡排剂高温高压动态评价

在泡排剂常温常压动态评价装置的基础上，结合SY／T 6465—2000和API标准，设计了高温高压泡沫动态性能评价仪，可以最大限度地模拟井底温度和压力条件，直观地观察泡排剂的发泡、稳泡和携水情况，并为深化研究泡沫的密度、水膜厚度等工作打下基础。

4 应用实例

根据深井高温有水气藏的实际情况和泡排剂的研制原则，研制了KY－2型耐高温泡排剂，在按照SY／T 6465—2000标准进行常规性能评价的基础上，利用所建立的实验方法，泡排剂在常温和170℃老化24h后进行了分子量、聚集数、红外和核磁图谱分析（图1、2）。泡排剂在常温和170℃下的分子量分别为5 621和5 614，聚集数分别为292．861 0和292．979 4。实验表明，KY－2型泡排剂在老化前后的分子量和聚集数基本一致，可以确定该泡排剂在老化前后没有发生分子链断裂、缠绕。对比红外和核磁谱图，泡排剂老化前后的谱图基本一致，证实分子链上的官能团数量、性质以及位置没有发生变化，进一步证明了该泡排剂的性能在老化前后基本保持一致。综合研究表明，KY－2型泡排剂具有良好的耐温性能，在深井高温条件下具有良好的起泡、稳泡和带水能力，在有水气藏排水采气作业中具有良好的应用前景。

图1 KY－2型泡排剂的红外光谱图

图2 KY－2型泡排剂的核磁谱图

使用PP－1型高温高压泡沫评价装置测定高温高压条件下KY－2泡排剂动态性能，其测试结果见表1。实验数据表明在进口温度150℃和恒定进液速度（80 mL／min），控制进气速度（5．22～5．48m3／h）的条件下，KY－2型泡排剂的携液量仍然超过600mL，说明KY－2型泡排剂在高温高压下的动态性能较好。

KY－2型泡排剂在四川盆地川东气田TD021－3井进行了现场应用试验，试验前后生产数据如下：日平均套压为5．02MPa，日平均油压为4．51MPa，日平均油套压差为0．51MPa，日平均产水0．06m3，日平均产气2．047 9×104m3。现场试验期间 TD021－3井产气量累计增加21．16×104m3，气井由试验前放空携液恢复生产变为靠自身能量带液生产，试验期间比试验前水产量更趋于稳定，能够连续将水带出井筒，有利于气井的稳定生产。

5 结论

1）在高温高压条件下，温度是影响泡排剂性能的主要因素。通过研究，建立了一套耐高温泡排剂性能评价实验方法。根据深井高温有水气藏的实际情况和泡排剂的研制原则，研制了KY－2型耐高温泡排剂。

表1 KY－2型泡排剂高温高压条件下动态性能评价结果表

2）利用建立的实验方法，对KY－2型耐高温泡排剂在常温和170℃下老化24h后进行分子量、聚集数、核磁光谱、红外光谱实验分析。在此基础上进行现场实验并获得较好的效果。研究表明，KY－2型泡排剂在深井高温条件下具有良好的起泡、稳泡和带水能力，在有水气藏排水采气作业中具有良好的应用前景。

［1］赵国玺．表面活性剂物理化学［M］．修订版．北京：北京大学出版社，1991：419－420．

［2］马成华．一种高温泡排剂的实验室评价［J］．精细石油化工进展，2007，8（12）：37－39．

［3］胡世强，刘建仪，李艳，等．一种新型高效泡排剂LH的泡沫性能研究［J］．天然气工业，2007，27（1）：102－104．

［4］李莲明，李治平．国内外含水气井化学排水新技术综述［J］．天然气技术，2008，2（3）：37－39．