生化型耐温耐盐泡排体系的起泡及稳泡性能评价

刘岳龙，周 舰，袁 胥，白世轩，赵 静

1.中国石化华北油气分公司工程技术研究院，郑州 450006；2.大连知微生物科技有限公司，辽宁大连 116023

随着气田进入开采中后期，气井井底积液情况十分常见。对于一些低压气井，本身产量不高，发生积液后产量可能急剧下降，甚至整井直接被淹死，影响气田的上产与稳产[1]。为此可以采用泡沫排水采气、柱塞气举排水采气等方法来改善排液效果，泡沫排水法由于投资少、见效快、工艺简单有效，一直是排水采气、解决井底积液的有效措施之一[2]。

泡沫排水的起泡排液机理如下：1)首先注入气井中的泡排剂分散、溶解于井底液体，形成泡排剂溶液；2)井底产生的天然气通过积液时发生搅动，生成大量的含水泡沫；3)泡沫随着产出的天然气气流从井底向井口运移，此过程中伴随着泡沫的破裂、再生；4)随着泡沫到达到地面，泡排工艺携液的目的达到[3]。影响泡沫排水采气措施效果的主要因素是泡排剂的起泡和稳泡性能，即在生产工况下(气井积液中通常含有一定的甲醇和凝析油)，泡排剂是否能够提供足够的起泡/稳泡能力和携液能力[4]。此外，泡排剂溶液具有较低的表面张力，对井底有一定的清洗作用，可以将污垢、颗粒携带出井筒。因此，高效泡排剂的使用对于实现稳产、增产，以及延长气井的自喷期、稳产期均有重要作用[5-6]。

生物表面活性剂是微生物来源的表面活性物质。因其具有环保、高效、稳定的特性，近年来在石油天然气勘探开发领域愈发受到研究者们的重视[7-9]。生物表面活性剂从结构上可以分为糖脂与脂肽两大类，结构如图1所示。在某些特定应用领域，生物表面活性剂具有可与化学合成表面活性剂相媲美的应用性能[10-11]。生物表面活性剂除具有与传统表面活性剂类似的降低溶液表面张力的能力，还具有独特的稳定泡沫的作用。糖脂类与脂肽类生物表面活性剂在中性水溶液中带有一定的负电性，而生产生物表面活性剂的发酵液通常具有一定的黏度，一般来说溶液的电荷和黏度均对提高液膜的稳定性与韧性有利[4]，因此适宜的生物表面活性剂发酵液的存在，对起泡和泡沫的稳定具有强化作用。然而，利用生物表面活性剂及其发酵液作为助泡剂、稳泡剂的类似研究还未见报道。

图1 糖脂类与脂肽类生物表面活性剂结构示意图

笔者以公司自有的高效泡排剂OPUS-087为基础，对比天然气开发领域常用的泡排剂，进行了单剂优选。并以H2、H3、H19这3种微生物细菌的发酵液为稳泡剂，对生化复合体系的起泡、稳泡能力进行了研究。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

OPUS-087、HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01泡排剂，均为工业级；NaCl、CaCl2、MgCl2等，均为化学纯。

QJZY-1型全自动表/界面张力仪，精度0.01 mN/m；密度计，精度0.001 g/cm3；吴茵(Waring)混调器，3～600 r/min；电热恒温水浴锅，工作温度为室温～100 ℃，控温精度±1 ℃；Ross-Miles泡沫仪；SW-CJ-2FD型超净工作台；CHA-S型恒温振荡器，工作温度为室温～60 ℃。

1.2 实验方法

按照标准SY/T 6465—2000《泡沫排水采气用泡排剂评价方法》测试泡沫的基础起泡性能。根据SY/T 5370—1999《表面及界面张力测定法》对泡排剂进行耐温耐盐及抗凝析油性能评价。

采用Ross-Miles法[1,10]进行泡排剂性能评价，评价的指标为初始泡沫高度以及300 s时的泡沫高度。泡沫耐温性能实验前，将Ross-Miles泡沫仪的玻璃夹层中通入预设温度的循环水，保温30 min后进行测试。待测的泡排剂溶液以及实验中用于盛放溶液的仪器也要在相同温度的水浴中浸泡保温30 min，然后进行泡排剂性能评价实验。

泡沫耐矿化度实验是将配制泡排剂溶液的溶质，由去离子水替换为总矿化度分别为3.2×104mg/L和7.2×104mg/L的模拟地层水，2种地层水的组成m(CaCl2)∶m(MgCl2)∶m(NaCl)分别为0.65∶0.05∶2.5和2.2∶0.2∶4.8。配制完毕且充分溶解、不含沉淀的模拟地层水静置24 h后，用0.45 μm孔径的滤膜过滤，再用于泡排剂的配制。

将油田现场取得的凝析油样品按一定比例加入配制好的待测泡排剂溶液中，将混合后的溶液在待测温度下水浴30 min后，进行发泡能力和泡沫稳定性测试。

为研究生物表面活性剂及其发酵液对于泡排剂OPUS-087的起泡、稳泡性能的促进作用，选取自主筛选、保存、用于油田提高采收率研究、可高效代谢产生物表面活性剂的功能微生物H2、H3、H19及其发酵液为主要研究对象。H2、H3、H19菌株分别属枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌和解淀粉芽孢杆菌，其代谢产生的生物表面活性剂分别为糖脂类和脂肽类生物表面活性剂。将3种生物表面活性剂发酵液按相应比例，分别与OPUS-087溶液混合制备生化型泡排剂，比较初始泡沫高度和300 s时的泡沫高度，进行起泡和稳泡性能的评价。

2 结果与讨论

2.1 泡排剂的主要物性参数

对OPUS-087和HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01等天然气开发过程中常用的泡排剂进行了溶液黏度和溶液表面张力等参数的测试，泡排剂的质量分数均为0.3%，使用清水配液，结果如表1所示。各类泡排剂单剂的水溶液黏度均在1.3 mPa·s左右；OPUS-087溶液的表面张力最低，表面活性高于其他泡排剂。OPUS-087具有作为高效泡排剂应用的潜力。

表1 泡排剂基础性能测定结果

2.2 泡排剂的耐温性能

在90 ℃下用清水将OPUS-087等泡排剂分别配制成不同质量分数的溶液，测试其耐温性能，结果如图2所示。测试的几种泡排剂在90 ℃下的泡沫高度相差较大。总的来看，起泡能力由高到低为：OPUS-087>HBGC-1>UT-12≈ZBD-01>UT-11C。OPUS-087泡排剂具有相对优良的耐温性能。当溶液中OPUS-087的质量分数达到0.30%以后，浓度继续升高，其起泡性能变化不大，说明其适宜的用量为0.30%。相对其他几种泡排剂，OPUS-087的最适浓度更低(其他泡排剂的质量分数高于0.30%时，继续提高浓度，起泡性能还有一定的提高)，因此OPUS-087的使用效率更高，有利于降低成本。

图2 90 ℃下不同浓度泡排剂在300 s时的泡沫高度

2.3 泡排剂的耐盐性能

在90 ℃下用矿化度分别为3.2×104mg/L和7.2×104mg/L的模拟地层水配制泡排剂溶液，进一步测试各泡排剂的耐盐性能，结果见图3。5种泡排剂在300 s时的泡沫高度均处于70～80 mm这一区间。但也可以看到，5种泡排剂即使起泡性能差异减小，在高温高矿化度下，起泡性能和泡沫稳定性最佳的依旧是泡排剂OPUS-087。从泡排剂的耐温、耐盐性能来看，OPUS-087略优于HBGC-1、UT-11C、UT-12和ZBD-01。

图3 不同矿化度溶液中泡排剂在300 s时的泡沫高度

2.4 泡排剂的抗凝析油性能

在天然气的开发过程中，随着天然气的开采，除地层水以外，部分气井同时会产生一定量的凝析油。这类碳氢化合物本身具有一定的“消泡”作用，会给泡排剂的起泡、稳泡带来不利的影响。因此对于不同凝析油加量条件下各泡排剂的起泡性进行了测试，实验温度为90 ℃，模拟地层水的矿化度为7.2×104mg/L，结果见图4。总的来说，当体系中凝析油的含量逐渐升高时，各泡排剂的起泡性能均下降。凝析油的质量分数不大于20%时，起泡性能缓慢下降；当凝析油的质量分数由20%增至30%时，起泡性能急剧下降。由此可见，这5种泡排剂适用于凝析油的质量分数不大于20%时的气井起泡排液作业。

图4 泡排剂的抗凝析油性能

对比各种泡排剂单剂的抗凝析油性能可见，OPUS-087依旧是起泡效果最佳的泡排剂，当凝析油的质量分数不大于20%时，泡沫高度可以维持在60 mm以上，高于其他4种泡排剂的起泡效果；同时，当凝析油的质量分数达到30%时，其起泡性的降幅最小。

2.5 生物表面活性剂稳泡体系性能

实验研究了H2、H3和H19这3种产生物表面活性剂的微生物细菌发酵液的加量对于OPUS-087泡排剂泡沫高度的影响。将H2、H3和H19发酵液稀释至相同OD值，以此稀释液为工作液，分别向0.3%的OPUS-087溶液中添加不同质量分数的发酵液工作液，测定300 s时的泡沫高度，结果如图5所示。

图5 生物表面活性剂发酵液加量对OPUS-087起泡性能的影响

H2和H3发酵液的加量为0.03%时，起泡性能有一定的下降，说明H2或H3发酵液对于OPUS-087的发泡有一定的抑制作用(起泡高度由初始的77.5 mm分别降至72.5 mm和60 mm)，但当H2和H3发酵液的加量增至0.06%以后，二者的作用即转为了促进OPUS-087发泡；而对于H19发酵液来说，在其加量从0.03%增至0.12%的全过程中，OPUS-087的起泡性都有所增强。因此H2、H3发酵液与OPUS-087泡排剂的配伍性比H19发酵液差，H2、H3发酵液在低加量下对OPUS-087的发泡有一定的抑制作用。

从图5还能看出3种发酵液的加量对OPUS-087起泡能力的影响。起泡能力基本不再随着发酵液加量的增大而提高时，H2发酵液的加量为0.06%，泡沫高度90 mm；H3发酵液的加量为0.09%，泡沫高度115 mm；H19发酵液的加量为0.03%，泡沫高度100 mm。即H19发酵液促进起泡的效用可以在更低的加量下体现出来。当0.03%的H19发酵液加入0.30%的OPUS-087溶液中时，虽然混合液的起泡高度略低于加入0.09%H3发酵液时的起泡高度，但H19发酵液以0.03%的加量即可使OPUS-087的起泡性能提高约20%，证明H19发酵液具有优秀的起泡促进作用。

通过光学显微镜对0.03%的OPUS-087溶液起泡后泡沫的微观状态进行了观察，结果见图6。OPUS-087泡沫的大小有一定的差别，但体积较小的泡沫穿插在大体积泡沫周围，形成了比较好的“堆积作用”，一定程度上加强了泡沫整体的稳定性。对比0 s与300 s时泡沫的状态，发现泡沫基本没有发生明显的变化，从微观尺度上证明了OPUS-087泡排剂产生的泡沫具有较好的稳定性。

图6 泡沫微观照片(放大倍数400倍)

3 结论

1)对OPUS-087与HBGC-1、UT-11C、UT-12、ZBD-01这4种常用泡沫排水剂的起泡性、耐温耐盐性及抗凝析油性能进行了测试和对比，证明OPUS-087泡排剂具有较好的起泡性和泡沫稳定性，可以满足矿化度小于7.2×104mg/L、温度低于90 ℃、天然气凝析油的质量分数小于20%的含水气井泡沫排水工艺的应用需要。此条件下，0.30%的OPUS-087泡排剂300 s时的起泡高度为77.5 mm。

2)研究了H2、H3和H19发酵液在不同加量下对于0.30%的OPUS-087泡排剂起泡高度的影响，结果表明H19发酵液对于OPUS-087泡排剂起泡有促进使用，其加量为0.03%时即可使OPUS-087泡排剂溶液的起泡高度由77.5 mm提高到100 mm，是非常高效的起泡促进剂和泡沫稳定剂。

3)通过400倍显微镜对OPUS-087泡排剂溶液产生的泡沫进行了微观形态研究，发现微观状态下的泡沫具有较好的互相支撑效果，泡沫产生300 s后状态基本不变，具有较好的稳定性。

4)微生物发酵液与OPUS-087泡排剂的复配增强了主体泡排剂的起泡性能，同时有明显的稳泡特性，其机理有待于进一步研究。

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