耐高温高盐泡沫体系筛选与性能评价

赵江玉 蒲万芬 李一波 黄 涛 王崇阳

1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川 成都 610500；

2.中国石油大港油田采油工艺研究院，天津 300270

0 前言

油田进入中后期开发后，高温高盐、稠油等难开发油田比例增加，而泡沫驱在提高采收率方面具有很大的应用潜力。国外对泡沫驱的研究集中于单一气体的泡沫体系［1-8］，当气液比不同时，常规的搅拌方法不能对泡沫性能作出准确评价［9］。 在国内，2010 年赖书敏等人［10］采用静态法进行了一系列高温氮气泡沫驱的评价实验；2010 年胡钶等人［11］在评价耐高温泡沫剂时，将烷基泡沫剂与苯磺酸盐进行复配， 制得DHF-1 发泡剂；2010年雷达［12］在评价氮气泡沫剂性能时采用了携液法、搅拌法和倾注法（Ross-Miles 法），对20 余种发泡剂进行筛选评价，同时考虑了矿化度和温度对起泡剂产生的影响。

通过对9 种耐高温高盐起泡剂单剂进行室内筛选，运用泡沫综合指数来评价起泡剂浓度、耐盐性能、耐高温以及遇油消泡的情况，最终筛选出适合吉林油田高温高盐油藏条件的最优起泡单剂，为后续的泡沫体系复配奠定基础。

1 实验方法

泡沫性能评价主要包括起泡能力与泡沫稳定性，起泡能力主要由起泡体积V0评价，泡沫稳定性主要由半衰期t1/2评价。 半衰期有泡沫半衰期和析液半衰期两种概念，泡沫半衰期为泡沫消失一半所需时间，析液半衰期为泡沫中析出一半液体所需时间， 两者数值差异较大，为方便比较，实验在评价泡沫稳定性时，统一采用析液半衰期。

实验利用Warning Blender 搅拌法评价泡沫体系性能。 根据实际设备情况，将配置好的200 mL 泡沫体系倒入量杯中，设定转速4 000 r/min，搅拌时间1 min，记录停止搅拌时的泡沫体积和泡沫溶液析出一半液体时间的析液半衰期，用V0表示该种泡沫体系的起泡体积，用t1/2表示其泡沫稳定性。

大庆油田研究院赵国玺等人［13］提出了一个能够综合评价泡沫性能的指标，即泡沫综合指数Fq，指根据停止搅拌后泡沫体积随时间变化来计算泡沫的寿命。 起泡体积与时间关系见图1。

图1 起泡高度与时间关系图

为计算方便，Fq近似地用梯形面积S 表示。

泡沫综合指数考虑了泡沫体系的发泡高度（或起泡体积）和泡沫半衰期两个指标，因此，对泡沫体系发泡性能的评价更直观和合理。 依据泡沫综合指数的大小，可以依次将泡沫分为超强（＞1 500）、强（1 500～1 000）、中（1 000～500）、弱（＜500）四个等级。

2 单剂优选

泡沫流体是一种较复杂的非牛顿流体，性质和特征受许多可变因素影响。 实验对9 种起泡剂的浓度、温度、矿化度和遇油消泡性能四方面进行了筛选研究。 泡沫筛迭用起泡剂及类型见表1。

表1 泡沫筛选用起泡剂及类型

2.1 浓度筛选

将初选的9 种起泡剂配制成浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%泡沫体系各200 mL， 在常温常压条件下采用Warning Blender 搅拌法来评价泡沫体系性能，实验结果见图2。

图2 泡沫体系浓度初选泡沫综合指数

从图2 可看出，9 种起泡剂的泡沫综合指数受浓度影响的程度各有不同。在浓度筛选实验中，起泡剂HN 和NB 99 的泡沫综合指数波动较大，受浓度影响明显，特别是在浓度0.1%～0.3%时，泡沫综合指数上升较快；而起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 的泡沫综合指数浓度变化相对稳定且值较大，说明这5 种起泡剂的泡沫性能好于其他4 种起泡剂，因此，筛选出这5 种起泡剂进行下一步的矿化度筛选。 另外，由图2 的实验数据分析可知，所有起泡剂在浓度低于0.2%时， 泡沫综合指数增幅明显；而在浓度高于0.2% 时，泡沫综合指数增幅较缓，综合考虑成本等因素，选择泡沫体系浓度为0.2%时进行下一步实验研究。

2.2 矿化度评价

结合吉林油田的高温低盐油藏条件，设计实验的矿化度取值范围涵盖该油田各层位的矿化度。 配制浓度为0.2% 的起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 在不同矿化度条件下采用Warning Blender 搅拌法评价泡沫体系性能。实验结果见图3。

图3 泡沫体系矿化度初选泡沫综合指数

由图3 可知，在吉林油田地层水的矿化度范围内，起泡剂LW 的泡沫综合指数比其他4 种起泡剂的泡沫综合指数高， 表明起泡剂LW 在这个矿化度范围中的性能最优。起泡剂LW 在水溶液中的分子是无规则分布的，在临界胶束浓度以上形成胶束，能显著降低界面张力，并增加胶束相的黏度。 而盐的加入有利于起泡剂LW 形成更规则的胶束，无机盐增溶在胶束栅栏中，改变了胶束的聚集形态或起泡剂分子的极性， 使起泡剂LW 的黏度升高，泡沫膜更坚韧，延长析液半衰期。

2.3 耐温性能评价

吉林油田油藏温度为97 ℃， 设定6 个实验温度值为70、80、90、100、110 和120 ℃， 配制浓度为0.2% 的起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 分别通过水浴锅恒温至实验的6 个温度点， 在不同温度条件下采用Warning Blender 搅拌法评价泡沫体系性能。 实验结果见图4。

何良诸心里悲哀，矿工和家属们，要求太低了。何良诸在人堆里，看见了驼子。驼子一气喝下两碗肉汤，又起身，歪歪趔趔地去舀汤，勺子刮得夸嚓夸嚓响，把碎骨头捞进碗。驼子见何良诸瞅他，阴阳怪气道：“我咋闻着生人味了。”

分析可知，5 种起泡剂随温度升高泡沫综合指数呈下降趋势。 其中，起泡剂AP 的泡沫综合指数下降幅度明显， 而起泡剂LW 的泡沫综合指数下降较平稳。 总体来说，温度对泡沫稳定性的影响较复杂，主要表现在四方面：温度升高，分子间作用力减小，液相黏度随之减小；温度升高， 气液界面上表面活性剂的定向吸附层松弛，导致表面黏度下降，降低泡沫稳定性；温度升高使液膜蒸发增大，液膜逐渐变薄，泡沫容易破裂，导致析液半衰期缩短； 表面活性剂在气液界面形成一层坚固的泡膜，使液膜的黏性和弹性增大，但温度升高时，表面吸附量减少，泡沫稳定性降低。

图4 泡沫体系温度初选泡沫综合指数

2.4 遇油消泡性能评价

在综合评价泡沫体系时，还应考虑泡沫体系的抗油性能。 在油藏温度97 ℃条件下，采用吉林油田黑96 区块油藏脱水原油进行实验。 配制浓度为0.2%的起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 通过水浴锅恒温至实验温度97℃，采用Warning Blender 搅拌法起泡，然后将泡沫分别倒入装有含油量为5%、10%、15%和20%的量筒， 通过记录起泡体积和析液半衰期，计算出泡沫综合指数来评价泡沫体系性能。 实验结果见图5。

图5 油泡交替实验泡沫综合指数

从图5 可知，筛选的5 种起泡剂起泡后与原油接触，泡沫综合指数略有波动，但幅度不大。 这是因为泡沫与原油的接触面上， 气泡破裂后被原油包裹形成大油泡，延缓了油泡接触面上气泡的破裂与再生。而泡沫与原油交替后泡沫综合指数明显大于泡沫体系单一起泡时的泡沫综合指数，说明泡沫与原油充分接触后，原油将泡沫形成的小气泡进行包裹，使液膜增厚。在高温条件下，坚韧的液膜抑制了气泡破裂，一定程度上延长了泡沫析液半衰期。 其中，LW 泡沫体系的综合泡沫指数值相对最高。

结合对泡沫体系的浓度、矿化度、温度及遇油消泡性能的筛选， 实验最终筛选出起泡剂LW 为适合吉林油田油藏条件的泡沫体系主剂。

3 复配

将筛选出的起泡剂LW 分别与阴离子起泡剂AN、阳离子起泡剂CA、两性离子起泡剂AM 和非离子起泡剂NO 以10 个不同质量比进行复配，模拟吉林油田油藏条件进行复配体系的筛选，泡沫综合指数与质量比关系见图6。

图6 复配实验泡沫综合指数

3.1 阴离子表面活性剂复配

由图6 可知，LW/AN 复配体系的泡沫综合指数增幅不明显，表明LW/AN 复配体系协同作用较弱。 该现象可能是因为阴离子起泡剂AN 分子结构中的亲水基团和苯环相连， 增大了空间位阻以及体相的分子交换阻力，而且表面排列的分子较松散，降低了复配体系的泡沫综合指数。 但是，起泡剂LW 与阴离子起泡剂AN 分子之间存在的相互作用，在一定程度上增大了气液界面上分子排列的密度，使复配体系的泡沫性能优于单一的阴离子起泡剂AN 或起泡剂LW。这是因为阴离子起泡剂AN 的分子在泡沫中做定向排列，形成了表面扩散双电层，当两液膜靠近到一定程度时， 带有相同电荷的离子排斥，防止液膜变薄，液膜强度保持在一定水平，使复配泡沫体系的综合泡沫指数保持在一个较高值。

3.2 阳离子表面活性剂复配

由图6 可知， 起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 质量比在1∶9～3∶7 和7∶3～9∶1 之间复配体系的泡沫综合指数大幅上升，超过了1 200 min·mL，说明起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 具有较强的协同增效作用， 构成混合膜的吸附分析密度增加，混合膜中的分子间作用增强。 而当起泡剂LW 和阳离子起泡剂CA 质量比相当时， 复配体系的泡沫综合指数大幅下降， 且低于单纯的起泡剂LW泡沫体系与阳离子起泡剂CA 泡沫体系。

分析原因，阴阳离子表面活性剂之间存在较强的静电吸引作用，减小了气液界面上表面活性剂的静电排斥作用，使表面活性剂的排列更紧密，形成了一定的亚层富集，表面黏弹性上升，优化了复配体系的泡沫性能。 但是，当起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 质量接近时，在表面上与体相中所分布的物质量比大致相同，此时表面的起泡剂LW 分子与阳离子起泡剂CA 分子接近于交替排列，分子间排列最紧密、作用力也最强。 在体相中，表面活性剂分子不易于形成亚表面层富集，但易于形成稳定的胶束，所以导致表面黏弹性变差。 当泡沫液膜变薄时，表面排列的表面活性剂中亲水基团的电性中和，水化半径变小，两个表面排列的表面活性剂分子静电排斥作用显著减小，不能有效地阻止液膜变薄或破裂。 因此，当起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 质量相当时， 复配体系的泡沫性能较差。

3.3 两性离子表面活性剂复配

LW/AM 复配体系的协同增效作用明显， 泡沫综合指数增加。两性离子起泡剂AM 水化能力以及阴离子基团的结构性能引起复配体系的泡沫综合指数增加，两性离子起泡剂AM 分子中的阴离子基团位于最外端，起泡剂LW 分子与两性离子起泡剂AM 分子的阳离子基团相互吸引，使两性离子起泡剂AM 分子的阴离子基团突出，并裸露在体相中形成水化层；同时，还吸引体相中两性表面活性剂，形成亚表面富集，可有效阻止泡沫液膜变薄或破裂，增加了复配体系的表面黏弹性。

两性离子起泡剂AM 分子中含有阴离子和阳离子两种亲水基团，分子间的静电吸引作用较强。 但由于受分子结构和空间位阻的影响， 起泡剂LW 与两性离子起泡剂AM 分子间的静电作用使分子的排列密度和规整程度强。 这些因素使得复配体系具有良好的泡沫性能。

3.4 非离子表面活性剂复配

LW/NO 复配体系在质量比3∶7 时泡沫综合指数最佳，可达1 900 min·mL，表明起泡剂LW 与非离子起泡剂NO 复配具有较好的协同作用，能提高泡沫性能。 这是由于非离子表面活性剂能够通过氢键与H2O 和H3O+结合，使该类非离子表面活性剂分子带有一定的正电性。 所以，在非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的相互作用中，还存在与异电性表面活性剂之间类似的电性作用。

4 结论

a）在常温常压条件下， 室内实验的9 种起泡剂AN、AP、LH、RD、HN、CY、LW、NB 95 和NB 99 的泡沫综合指数受浓度影响的程度各不同。 其中，起泡剂HN 和NB 99受浓度影响泡沫综合指数波动较大。 而起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 在浓度变化的情况下泡沫综合指数相对稳定且值较大。 起泡剂在浓度低于0.2%时泡沫综合指数增幅明显，浓度高于0.2%时泡沫综合指数增幅较缓，综合考虑成本等因素，筛选出0.2%为合适的泡沫体系浓度。

b） 耐盐性能评价中， 矿化度对起泡剂性能影响较大，耐盐性能最好的是起泡剂LW。 盐的加入有利于起泡剂LW 的泡沫综合指数在高盐条件下的稳定。

c）温度升高时，起泡剂AP、RD、CY、LW 和NB 95 生成的泡沫稳定性有一定程度的降低， 而起泡剂LW 泡沫综合指数下降则较平稳。

d） 在高温条件下，泡沫与原油充分接触后，液膜增厚，延长了泡沫析液半衰期，增强了泡沫性能。

e）起泡剂LW 与阴离子起泡剂AN、两性离子起泡剂AM 和非离子起泡剂NO 复配具有良好的协同作用，能大幅提高泡沫性能， 复配体系的综合泡沫指数明显高于单一阴离子起泡剂AN、两性离子起泡剂AM 和非离子起泡剂NO 的综合泡沫指数。 其中，起泡剂LW 与两性离子起泡剂AM 在质量比为9∶1 和起泡剂LW 与非离子离子起泡剂NO 在质量比为3∶7 时，泡沫体系的综合泡沫指数最佳。

f）起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 复配体系的质量比在1∶9～3∶7 和8∶2～9∶1 具有协同增效作用，泡沫综合指数较大。当起泡剂LW 与阳离子起泡剂CA 复配体系的质量比相当时，其复配体系泡沫性能很差。 起泡剂LW 与少量阳离子起泡剂CA 复配有利于提高其泡沫综合指数。

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