天然气井排水采气用泡排剂的研究与应用

李智慧等

【摘 要】排水采气工艺是气井开采中后期提高有水气藏采收率的有效措施，泡沫排水采气技术广泛应用于产水量不大且具有一定自喷能力的气井，主要介绍了泡沫排水采气工艺技术的特点、泡排剂的分类和使用要求和适应不同气井条件下的泡排体系等内容。

【关键词】天然气井；井筒积液；排水采气；泡排剂；泡沫稳定性；研究；应用

【Abstract】Drainage gas recovery is effective measures to improve recovery efficiency of water gas reservoir. Foam drainage gas recovery technology has been widely used in gas wells with little water production and a certain capacity from the spray. The paper mainly introduces characteristics of foam drainage gas recovery technology， classification and requirements of foaming agent， and foaming system under different gas conditions.

【Key words】Gas well； Wellbore fluid； Drainage gas recovery； Foaming agent； Foam stability； Research； Application

0 前言

随着世界各国对能源的进一步需求和对环境问题的日益关注，天然气受到普遍重视，发展天然气工业已成为当代世界潮流[1]。从环保和优质能源的角度出发，21世纪的主要能源非天然气莫属。产水气井整个生产阶段分为无水生产期和排水采气生产期[2]，在无水生产期产量高、工艺简单、开采成本较低，优化合理的采气速度可延长气井的无水采气期。随着采气生产过程的进行，地层能量逐渐衰竭，气井的产气量低于临界携液流量，产出气不足以将产出的地层水或凝析液携带至地面，产出液在井底聚积。如果不及时采取措施，井底水将会严重降低产气量，甚至导致气井水淹停产，此时则需要采用相关排水采气工艺协助气井生产[3]。

产水气藏的排水采气工艺技术始于20世纪50年代的美国，经过近60年的发展，已形成了多种成熟的排水采气技术[4]。排水采气工艺是气井开采中后期提高有水气藏采收率的有效措施，目前常用的排采工艺包括优选管柱、泡沫排水、柱塞气举、连续气举、有杆泵、射流泵、电潜泵、机抽等，而每种排采方式有其不同的适应性和优缺点。

1 泡沫排水采气技术的特点

泡沫排水采气工艺技术[5]是将表面活性剂（泡排剂）从携液能力不足的生产井井口注入井底，借助于天然气气流的搅动作用，使之与井底积液充分接触，从而减小液体表面张力，产生大量较稳定的含水泡沫，减少气体滑脱量，使气液混合物密度大大降低，以大幅度降低自喷井油管内的摩阻损失和井内重力梯度，如图1所示，不加起泡剂时水分子液滴较大，在气井中加入起泡剂后，水分子和起泡剂形成泡沫液滴，在天然气流的作用下带出井底[6]。

泡沫排水采气工艺充分利用地层自身能量实现举升，具有单位排液量大、适宜较深井况、地面及环境条件要求低、设计简单、维修方便、注入灵活且免修期长、收效快等特点[7]。不同泡排剂能够适应不同类型生产井的需要，成为目前应用于低产积液气井的一种广泛、有效排水采气措施。该工艺要求气井具有一定的自喷能力，无自喷能力的水淹井需要采用放喷或其它诱喷措施，且需定时定量向井筒内添加泡排剂，工艺的排液能力不高[8]。

2 泡排剂的分类和使用要求

2.1 泡排剂的分类

泡沫排水采气工艺中通常使用的泡排剂是由一种、或多种表面活性剂复合而组成，品种繁多。一般地，泡排剂按照泡沫排水用表面活性剂分为固态和液态两种：固态泡排剂主要有泡棒、酸棒和滑棒，液态泡排剂主要有离子型（主要为阴离子型）、非离子型、两性离子型和高分子聚合物型及复合表面活性剂等，主要分为如下几类：

2.1.1 阴离子起泡剂

此类起泡剂实质上就是阴离子表面活性剂[9]，典型的阴离子表面活性剂分子式ROSO3M，其中R为12-14个碳的烷基，M为Na+或NH4+。常用的阴离子表面活性剂有：烷基磺酸盐、烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、脂肪醇醚硫酸盐、椰子油烷基硫酸盐、脂肪酸皂等。该类表面活性剂起泡性能好，价格适中且来源广，耐地层水总矿化度<60g/L，但缺点是当地层水总矿化度大于此值时，其起泡能力和稳定性都受到影响[10]。因为其分子结构中含有的SO42-等阴离子基团，遇到Ca2+、Mg2+等多价阳离子而生成沉淀，其抗电解质能力差，起泡困难，甚至不起泡。

2.1.2 阳离子起泡剂

此类起泡剂实质就是阳离子表面活性剂[11]，是由有机胺衍生出来的盐类，在水溶液中能离解出表面活性阳离子，主要种类有含氧化叔胺、有机胺盐类等。该类发泡剂发泡能力适中，但由于来源少、价格高，从经济上考虑很少使用。阳离子表面活性剂的起泡性和稳泡性较差，主要原因在于阳离子表面活性剂的极性头太大，影响分子间紧密排列，不容易形成致密的表面膜[12]。

2.1.3 非离子起泡剂

此类起泡剂实质是非离子表面活性剂[13]，典型分子式是RO（CH2CH2O）nH，其中R为12个碳的烷基，n一般为4-6。常用的非离子起泡剂种类[14]有烷基酚聚氧乙烯醚类、脂肪酸醇酰胺类、烷基糖苷等，其亲油基一般是烃链或聚氧丙烯链，亲水基是聚氧乙烯链、羟基或醚键等。该类表面活性剂在水溶液中不离解为离子态，而是以分子或胶束态存在于溶液中，起泡性能一般，抗电解质能力强，耐地层水总矿化度<120g/L，使用范围常受浊点影响[15]。对于矿化度高的气水井，离子型起泡剂在矿化水中会生成不溶解的沉淀，多采用非离子型起泡剂，这类表面活性剂不仅有优良的表面活性，而且吸附损失小，并且由于亲水亲油键之间有醚类官能团，起泡能力更大。

2.1.4 两性离子起泡剂

此类起泡剂实质上就是两性离子表面活性剂[16]，典型分子式是RN（CH3）2CH2COOM，其中R为12-18个碳的烷基。两性起泡剂主要有甜菜碱型、咪唑啉型、β-氨基羧酸型、α-亚氨基酸型、烷基氧化胺等。两性离子表面活性剂在水溶液中能离解出既带有阳离子又带有阴离子的两性离子，此两性离子随着pH值变化而变化，通常在碱性条件下显阴离子性质，在等电点是显示出非离子性质，在酸性条件下显示出阳离子性质[17]。该类表面活性剂起泡性能较好，毒性低，具有一定的生物降解性，耐地层水总矿化度<250g/L，但该类起泡剂成本高，使用较少。

2.1.5 高分子聚合物表面活性剂

此类起泡剂实质是高分子表面活性剂[18]，高分子表面活性剂是相对低分子表面活性剂而言，指分子由亲水基团和疏水基团两部分组成的、具有较高相对分子质量（103-106）和表面活性功能的高分子化合物。高分子表面活性剂具有高粘度、优良的分散性和成膜性，同时具有高分子和表面活性剂的优异性能，在高温条件下具有很好的稳定性，能增大液膜强度，提高泡沫稳定性。如美国Calgon公司研制的丙烯酰胺和乙酰丙酮丙烯酰胺的共聚物就属于聚合物起泡剂，但国内对于该类起泡剂的相关报道较少[19]。

2.1.6 复合型起泡剂

由于单一的阴离子起泡剂抗电解质能力差，对于高含钙或盐的地层，可将阴离子与阴离子复配、阴离子与非离子等复配[20-21]形成复合型发泡剂，以增强发泡剂的抗静电能力，使其可用于高含钙或盐的地层。对于同时含矿化水和凝析油的气井，应采用多组分的复合起泡剂，表面活性剂的某些性能具有协同效应，即在同时使用两种或两种以上适当的、类型不同的表面活性剂时可以得到比单独使用一种表面活性剂更好的效果，所以常将几种起泡剂同时配入一个体系中使用[22]。

2.2 泡排剂的使用要求

由于不同气水井的复杂性特点（如含硫化氢、凝析油等），要求下井的泡排剂能满足不同井况的特殊要求[23]。目前开发的一般常规泡排剂很难适应不同气田井况要求，为达到天然气田稳产、增产的目的，需要研究起泡性、稳定性、携液能力均很好的适合不同气田用的泡排剂，以解决气藏排液难题[24]。常用的泡沫排水用的泡排剂除应具有表面活性剂的一般性能（如能大幅度地降低气液界面张力，HLB值要求在9-15范围之内等）外，为达到使气井排水的目的，还要求具有以下特殊功能[25]：①较强的起泡能力：在井底矿化水中，只要微量的泡排剂（大约100-500mg/L），就能在天然气的搅动下形成大量含水泡沫，使气、液两相空间分布发生显著变化，水柱变成泡沫，密度下降几十倍。因此，在较低气流速度下，就可以将低密度的含水泡沫带到地面，从而实现排水采气。②较大的泡沫携液量：当气泡周围吸附的起泡剂分子达到一定浓度时，气泡壁就形成一层较牢固的膜。泡沫的水膜越厚，单位体积泡沫的含水量越高，表示泡沫的携水能力越强。③良好的泡沫稳定性：采用泡沫排水，从井底到井口行程几千米，如果泡沫稳定性差，有可能中途破裂而使水分落失，达不到将水挟带到地面的目的。但是，如果泡沫的稳定性过强，则泡沫进入分离器后又会给消泡及气水分离带来困难。

3 适应不同气井条件下的泡排体系

从上表可知，为适应不同的气井条件，需要开发不同的泡排体系。一般来说，为制备性能优良的稳定泡沫体系，可以采用以下方法：

（1）选择适当的发泡剂

应该根据需要选择适当的发泡剂，以降低液相的表面张力，增加液膜的强度和弹性。泡沫稳定性能的好坏，起泡能力的大小，直接与起泡剂的分子结构有关。一般认为，起泡剂的亲油链以正构饱和结构且足够长者为好，它们在泡膜上定向吸附后，亲油链之间的横向引力强，泡沫稳定性好；反之，亲油链带有侧链或者亲水基在中间的，由于在泡膜上定向吸附后，横向引力弱，所以泡沫稳定性差[45]。对起泡剂的亲水基而言，在亲油基选定后，亲水基的亲水性强一些为好，主要是亲水基愈强，形成泡膜的排液速度愈小，泡沫愈稳定，亲水基的亲水强弱可参考如下顺序：-OSO3Na>-COOK>-COONa>-SO3Na>-COOH>-OH。所以，强的亲水基匹配上合适的亲油基，就是一个好的起泡剂。

（2）选择适当的稳泡剂

起泡剂-水体系产生的泡沫不够稳定，为提高泡沫的稳定性，须加入泡沫稳定剂。稳泡剂是指能够增加泡沫稳定性的表面活性物质，在泡沫中稳泡剂起着不容忽视的作用。稳泡剂能稳定泡沫的原因有两点[46]：一是它们能形成致密的混合膜，增加了表面活性剂分子间的引力；二是降低了溶液中的活性剂浓度，增长了表面张力达到平衡的时间，使泡沫趋于稳定。稳泡剂按作用可分为两类：第一类是利用表面活性剂的协同作用来增强表面吸附分子间的相互作用，使表面吸附膜强度增大，从而提高泡沫稳定性。这类稳泡剂常用的有硬脂酸胺、月桂醇、三乙醇胺、月桂酸二乙醇胺、十二烷基二甲胺氧化物等。第二类是添加增稠剂来提高液相的粘度，降低流动度，减缓泡沫排液速度，并能形成弹性薄膜，明显延长泡沫的半衰期，属于这类物质常用的有高分子化合物（WPJ）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酰胺（PAM）、可溶性淀粉和合成龙胶等。但液相粘度过大会造成气体在液体中分散困难，因此对液体的要求是本体粘度适当而膜的表面粘度大。一般二类稳泡剂要比一类稳泡剂效果更明显，目前现场上常用这种方法提高泡沫稳定性，在现场上被广泛使用。

4 泡排剂研究存在的问题

（1）理论研究不够完善：经过多年的研究和探索，泡沫流体的应用已取得了很大的成效，但在泡沫排水采气技术理论方面的研究还比较薄弱，国内外在相关理论的研究和论述方面虽文章和著述颇多，但针对泡沫排水采气技术的论述和整理却比较零散，为了进一步扩大泡沫排水采气技术的研究和使用，有必要在理论和实践上对其进行深入细致的研究，已形成系统的理论和完整的室内研究方法，来更好的指导现场实践。

（2）泡排剂注入工艺、影响泡沫排水采气效率的因素均有待进一步研究和完善。

（3）目前国内对高温高盐和含硫化氢气藏泡沫排水采气体系及现场应用报道较少，所以有待进一步加强抗高温高矿化度和抗硫泡排剂和稳泡剂的研究，以使泡沫排水采气技术得到更加广泛的应用。

（4）泡沫排水采气过程中产生的乳化、结垢现象对地层的影响有待进一步加强。

（5）实验室模拟气藏环境进行泡沫排水采气实验中采用模型过于理想化，与地层的真实情况相差太远，许多地层因素未考虑到，实用性差[47]。

（6）高效表面活性剂的成本相对较高，所以应该充分利用表面活性剂之间的协同效应以及表面活性剂与聚合物之间的协同效应来降低产品用量，扩大其功能；或者利用天然产物或工业废料开发研制应用于泡沫排水采气用表面活性剂以降低成本。

5 泡排剂的发展趋势

泡沫排水采气技术应用以来，国内外在泡排剂的研究和应用方面取得了很大进展，但还不能满足各种地层和气井条件的需要，亟需开发多种新型泡排体系以适应不同气田分类气井排水采气的需求，以推动化学排水采气技术的发展。

（1）发展新型合成或天然高分子表面活性剂作为泡排主剂，其胶束呈现多种形态特征，分子尺寸分布具有多分散性，在较低cmc浓度时就可显示出很强的界面吸附能力。

（2）采用复配技术降低泡排剂成本，提高表面活性剂性能，通过复配表面活性剂之间产生加和增效（协同）作用，使体系具有比单一表面活性剂更优越的性能。

（3）研制环境友好型泡排体系，提高其生物降解性，减少表面活性剂对生态环境的破坏（污染）。

（4）开发智能型泡排体系，能够根据气井环境变化进行发泡与消泡。

【参考文献】

[1]郑得文， 张光武， 杨冬， 等. 国内外天然气资源现状与发展趋势[J]. 天然气工业，2008，28（1）：47-51.

[2]梅明华，田喜军，刘淑哲.积液气井排水采气工艺优化研究[J].石油化工应用，2012，31（8）：97-99.

[3]刘卓，孙厚台，罗明良，等.低渗气井化学控水采气技术研究进展[J]. 应用化工，2012，41（12）：2142-2146.

[4]何庆鹰，朱魁.试论排水采气工艺研究现状及发展趋势[J].中国新技术新产品，2013（5）：137-138.

[5]B P Price， B Gothard. Foam-assisted lift-importance of selection and application [C]. SPE106465， April 2007.

[6]C Passucci， P Imbò， M Pelucchi. Downhole injection of foaming agents with capillary string in a Mediterranean offshore gas well [C]. OMC， March 2011.

[7]M Solesa， S Sevic. Production optimization challenges of gas wells with liquid loading problem using foaming agents [C]. SPE 101276， October 2006.

[8]J L Vosika. Use of foaming agents to alleviate liquid loading in Greater Green River TFG wells [C]. SPE/OOE 11644， March 1983.

[9]罗希权.我国阴离子表面活性剂的生产近况及展望[J].日用化学品科学，2011，34（2）：1-8.

[10]周效全，范波.试论油田化学药剂与表面活性剂的关系[J].石油与天然气化工，2002，31（1）：37-42.

[11]穆瑞花，宋俊，李仲谨.阳离子表面活性剂的优越性能及其合成工艺研究进展[J].中国洗涤用品工业，2006（4）：41-44.

[12]闫国峰.阳离子表面活性剂在油田中的应用[J].新疆石油科技，2012，22（1）：32-34.

[13]武华萍，孙永强，康保安.非离子表面活性剂的结构与性能的关系[J].日用化学品科学，2012，35（6）：17-21.

[14]严群芳.非离子表面活性剂的性质及应用[J].贵州化工，2005，30（5）： 4-9.

[15]刘贺.浅谈非离子表面活性剂的特点与应用[J].皮革与化工，2012， 29（2）：20-27.

[16]萧安民.两性离子表面活性剂及其合成[J].中国洗涤用品工业， 2001（1）：30-34.

[17]陈玉萍，丁伟，于涛，等.新型甜菜碱型两性离子表面活性剂界面行为的分子动力学模拟[J].石油学报（石油加工），2012，28（4）：591-597.

[18]Kuiqian Ma， Hui Cai， Yawei Hou， et al. The research on optimizing the plan of new unary polymer surfactant improving the effect of development in thick oil pay [C]. SPE 144313， July 2011.

[19]Mark Summers， Julian Eastoe. Applications of polymerizable surfactants [J]. Advances in Colloid and Interface Science， 2003，100-102：137-152.

[20]张雪勤，蔡怡，杨亚江.两性离子/阴离子表面活性剂复配体系协同作用的研究[J].胶体与聚合物，2002，20（3）：1-5.

[21]杜志平，王万绪.阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂的相互作用（Ⅰ）-表面活性[J].日用化学工业，2006，36（3）：187-190.

[22]唐红娇，侯吉瑞，赵凤兰，等.油田用非离子型及阴-非离子型表面活性剂的应用进展[J].油田化学，2011，28（1）：115-118.

[23]Marek Pakulski. Testing gas well deliquification chemicals at real downhole conditions [C]. SPE 121564， April 2009.

[24]David L Holcomb， Ed Callaway， Lynn L Curry. Chemistry， physical nature， and rheology of aqueous stimulation foams [C]. SPE 9530， November 1981.

[25]D. T. Nguyen. Fundamental Surfactant Properties of Foamers for Increasing Gas Production [J]. Petroleum Science and Technology， 2009， 27：733-745.

[26]刘宏生，吕昌森，杨莉，等.AOS与CHSB复配体系的表面扩张性质和泡沫性能[J].西安石油大学学报：自然科学版，2012，27（5）：54-59.

[27]刘宏生，许关利，杨莉，等.抗盐表面活性剂及其复配体系的泡沫性能[J].烟台大学学报：自然科学与工程版，2012，25（2）：150-152.

[28]Lin Zhao， Aifen Li， Kai Chen， et al. Development and evaluation of foaming agents for high salinity tolerance [J]. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2012，81：18-23.

[29]张永平，朱振锐，高纯良，等.一种用于高温产水气井排水采气用的泡排剂：中国，CN201010177121.5 [P]. 2010-12-1.

[30]杨亚聪，穆谦益，白晓弘，等.抗油低含水率起泡剂研制及其在苏里格气田应用[J].石油化工应用，2011，30（10）：103-107.

[31]张小军，许吉瑞，邓创国，等.抗冻泡排剂及其制备工艺：中国， CN 201210106791.7 [P].2012.04.12.

[32]赵仁保，吴亚红，王占军，等.泡排剂性能评价实验研究[J].天然气技术，2008，2（3）：35-38.

[33]李莲明，李善建，李强，等.一种耐盐、抗甲醇泡排剂： 中国， CN201010142972.6 [P]. 2011.10.12.

[34]吕鑫，景宁，杨立华，等.耐温抗盐排水采气用起泡剂AMS-18的制备及矿场应用[J].精细化工，2008，25（6）：591-595.

[35]王俊奇.盖海防， 韩长武. 一种排水采气用高温泡排剂： 中国，CN201110088319.0 [P]. 2011-10-12

[36]刘竟成，杨敏，袁福锋.新型气井泡排剂SP的起泡性能研究[J].油田化学，2008，25（2）：111-114.

[37]周飞，刘建仪，张广东，等.新型起泡剂 LZ 的研制及评价[J].应用化工，2011，40（10）：1796-1793.

[38]陈亮，杜宝中，蔡仙平，等.抗温耐盐耐油高效起泡剂的研制及室内评价[J].中国科技论文在线，2011（7）：1-6.

[39]廖久明，杨敏.抗温耐盐耐油泡排剂的室内研究[J].石油与天然气化工，2006，35（1）：60-64.

[40]杨益荣，戚杰，刘伟，等.一种气田泡沫排水剂： 中国， CN201210094720.X[P]. 2012-04-01.

[41]Rong Xu， Lin Yang. A New Binary Surfactant Mixture Improved Foam Performance in Gas Well Production [C]. SPE 29004， February 1995.

[42]刘常旭，钟显，杨旭.表面活性剂发泡体系的实验室研究[J].精细石油化工进展，2007，8（1）：7-11.

[43]吴安林， 陈冀嵋，何新明.泡沫剂的筛选和性能评价研究[J].内蒙古石油化工，2008（7）：3-6.

[44]Zhaomin Li， Zupeng Liu， Binfei Li， et al. Aqueous foams stabilized with particles and surfactants[C]. SPE 160840， April 2012.

[45]Jan Erik Hanssen， Mariann Dalland. Increased Oil Tolerance of Polymer-Enhanced Foams： Deep Chemistry or Just “Simple” Displacement Effects [C]. SPE 59282， April 2000.

[46]Yi You， Xiaona Wu， Jianxi Zhao， et al. Effect of alkyl tail length of quaternary ammonium gemini surfactants on foaming properties [J]. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2011，384（1-3）：164-171.

[47]R F Mast. Microscopic behavior of foam in porous media [C]. SPE paper 3997， October 1972.

[责任编辑：汤静]