耐高溫高鹽泡沫體系篩選與性能評價(jià)

趙江玉 蒲萬芬 李一波 黃 濤 王崇陽

1.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；

2.中國石油大港油田采油工藝研究院，天津 300270

0 前言

油田進(jìn)入中后期開發(fā)后，高溫高鹽、稠油等難開發(fā)油田比例增加，而泡沫驅(qū)在提高采收率方面具有很大的應(yīng)用潛力。國外對泡沫驅(qū)的研究集中于單一氣體的泡沫體系［1-8］，當(dāng)氣液比不同時(shí)，常規(guī)的攪拌方法不能對泡沫性能作出準(zhǔn)確評價(jià)［9］。 在國內(nèi)，2010 年賴書敏等人［10］采用靜態(tài)法進(jìn)行了一系列高溫氮?dú)馀菽?qū)的評價(jià)實(shí)驗(yàn)；2010 年胡鈳等人［11］在評價(jià)耐高溫泡沫劑時(shí)，將烷基泡沫劑與苯磺酸鹽進(jìn)行復(fù)配， 制得DHF-1 發(fā)泡劑；2010年雷達(dá)［12］在評價(jià)氮?dú)馀菽瓌┬阅軙r(shí)采用了攜液法、攪拌法和傾注法（Ross-Miles 法），對20 余種發(fā)泡劑進(jìn)行篩選評價(jià)，同時(shí)考慮了礦化度和溫度對起泡劑產(chǎn)生的影響。

通過對9 種耐高溫高鹽起泡劑單劑進(jìn)行室內(nèi)篩選，運(yùn)用泡沫綜合指數(shù)來評價(jià)起泡劑濃度、耐鹽性能、耐高溫以及遇油消泡的情況，最終篩選出適合吉林油田高溫高鹽油藏條件的最優(yōu)起泡單劑，為后續(xù)的泡沫體系復(fù)配奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

泡沫性能評價(jià)主要包括起泡能力與泡沫穩(wěn)定性，起泡能力主要由起泡體積V0評價(jià)，泡沫穩(wěn)定性主要由半衰期t1/2評價(jià)。 半衰期有泡沫半衰期和析液半衰期兩種概念，泡沫半衰期為泡沫消失一半所需時(shí)間，析液半衰期為泡沫中析出一半液體所需時(shí)間， 兩者數(shù)值差異較大，為方便比較，實(shí)驗(yàn)在評價(jià)泡沫穩(wěn)定性時(shí)，統(tǒng)一采用析液半衰期。

實(shí)驗(yàn)利用Warning Blender 攪拌法評價(jià)泡沫體系性能。 根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況，將配置好的200 mL 泡沫體系倒入量杯中，設(shè)定轉(zhuǎn)速4 000 r/min，攪拌時(shí)間1 min，記錄停止攪拌時(shí)的泡沫體積和泡沫溶液析出一半液體時(shí)間的析液半衰期，用V0表示該種泡沫體系的起泡體積，用t1/2表示其泡沫穩(wěn)定性。

大慶油田研究院趙國璽等人［13］提出了一個(gè)能夠綜合評價(jià)泡沫性能的指標(biāo)，即泡沫綜合指數(shù)Fq，指根據(jù)停止攪拌后泡沫體積隨時(shí)間變化來計(jì)算泡沫的壽命。 起泡體積與時(shí)間關(guān)系見圖1。

圖1 起泡高度與時(shí)間關(guān)系圖

為計(jì)算方便，F(xiàn)q近似地用梯形面積S 表示。

泡沫綜合指數(shù)考慮了泡沫體系的發(fā)泡高度（或起泡體積）和泡沫半衰期兩個(gè)指標(biāo)，因此，對泡沫體系發(fā)泡性能的評價(jià)更直觀和合理。 依據(jù)泡沫綜合指數(shù)的大小，可以依次將泡沫分為超強(qiáng)（＞1 500）、強(qiáng)（1 500～1 000）、中（1 000～500）、弱（＜500）四個(gè)等級。

2 單劑優(yōu)選

泡沫流體是一種較復(fù)雜的非牛頓流體，性質(zhì)和特征受許多可變因素影響。 實(shí)驗(yàn)對9 種起泡劑的濃度、溫度、礦化度和遇油消泡性能四方面進(jìn)行了篩選研究。 泡沫篩迭用起泡劑及類型見表1。

表1 泡沫篩選用起泡劑及類型

2.1 濃度篩選

將初選的9 種起泡劑配制成濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%泡沫體系各200 mL， 在常溫常壓條件下采用Warning Blender 攪拌法來評價(jià)泡沫體系性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 泡沫體系濃度初選泡沫綜合指數(shù)

從圖2 可看出，9 種起泡劑的泡沫綜合指數(shù)受濃度影響的程度各有不同。在濃度篩選實(shí)驗(yàn)中，起泡劑HN 和NB 99 的泡沫綜合指數(shù)波動(dòng)較大，受濃度影響明顯，特別是在濃度0.1%～0.3%時(shí)，泡沫綜合指數(shù)上升較快；而起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 的泡沫綜合指數(shù)濃度變化相對穩(wěn)定且值較大，說明這5 種起泡劑的泡沫性能好于其他4 種起泡劑，因此，篩選出這5 種起泡劑進(jìn)行下一步的礦化度篩選。 另外，由圖2 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，所有起泡劑在濃度低于0.2%時(shí)， 泡沫綜合指數(shù)增幅明顯；而在濃度高于0.2% 時(shí)，泡沫綜合指數(shù)增幅較緩，綜合考慮成本等因素，選擇泡沫體系濃度為0.2%時(shí)進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 礦化度評價(jià)

結(jié)合吉林油田的高溫低鹽油藏條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的礦化度取值范圍涵蓋該油田各層位的礦化度。 配制濃度為0.2% 的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 在不同礦化度條件下采用Warning Blender 攪拌法評價(jià)泡沫體系性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 泡沫體系礦化度初選泡沫綜合指數(shù)

由圖3 可知，在吉林油田地層水的礦化度范圍內(nèi)，起泡劑LW 的泡沫綜合指數(shù)比其他4 種起泡劑的泡沫綜合指數(shù)高， 表明起泡劑LW 在這個(gè)礦化度范圍中的性能最優(yōu)。起泡劑LW 在水溶液中的分子是無規(guī)則分布的，在臨界膠束濃度以上形成膠束，能顯著降低界面張力，并增加膠束相的黏度。 而鹽的加入有利于起泡劑LW 形成更規(guī)則的膠束，無機(jī)鹽增溶在膠束柵欄中，改變了膠束的聚集形態(tài)或起泡劑分子的極性， 使起泡劑LW 的黏度升高，泡沫膜更堅(jiān)韌，延長析液半衰期。

2.3 耐溫性能評價(jià)

吉林油田油藏溫度為97 ℃， 設(shè)定6 個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度值為70、80、90、100、110 和120 ℃， 配制濃度為0.2% 的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 分別通過水浴鍋恒溫至實(shí)驗(yàn)的6 個(gè)溫度點(diǎn)， 在不同溫度條件下采用Warning Blender 攪拌法評價(jià)泡沫體系性能。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

何良諸心里悲哀，礦工和家屬們，要求太低了。何良諸在人堆里，看見了駝子。駝子一氣喝下兩碗肉湯，又起身，歪歪趔趔地去舀湯，勺子刮得夸嚓夸嚓響，把碎骨頭撈進(jìn)碗。駝子見何良諸瞅他，陰陽怪氣道：“我咋聞著生人味了?！?/p>

分析可知，5 種起泡劑隨溫度升高泡沫綜合指數(shù)呈下降趨勢。 其中，起泡劑AP 的泡沫綜合指數(shù)下降幅度明顯， 而起泡劑LW 的泡沫綜合指數(shù)下降較平穩(wěn)。 總體來說，溫度對泡沫穩(wěn)定性的影響較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在四方面：溫度升高，分子間作用力減小，液相黏度隨之減??；溫度升高， 氣液界面上表面活性劑的定向吸附層松弛，導(dǎo)致表面黏度下降，降低泡沫穩(wěn)定性；溫度升高使液膜蒸發(fā)增大，液膜逐漸變薄，泡沫容易破裂，導(dǎo)致析液半衰期縮短； 表面活性劑在氣液界面形成一層堅(jiān)固的泡膜，使液膜的黏性和彈性增大，但溫度升高時(shí)，表面吸附量減少，泡沫穩(wěn)定性降低。

圖4 泡沫體系溫度初選泡沫綜合指數(shù)

2.4 遇油消泡性能評價(jià)

在綜合評價(jià)泡沫體系時(shí)，還應(yīng)考慮泡沫體系的抗油性能。 在油藏溫度97 ℃條件下，采用吉林油田黑96 區(qū)塊油藏脫水原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 配制濃度為0.2%的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 通過水浴鍋恒溫至實(shí)驗(yàn)溫度97℃，采用Warning Blender 攪拌法起泡，然后將泡沫分別倒入裝有含油量為5%、10%、15%和20%的量筒， 通過記錄起泡體積和析液半衰期，計(jì)算出泡沫綜合指數(shù)來評價(jià)泡沫體系性能。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 油泡交替實(shí)驗(yàn)泡沫綜合指數(shù)

從圖5 可知，篩選的5 種起泡劑起泡后與原油接觸，泡沫綜合指數(shù)略有波動(dòng)，但幅度不大。 這是因?yàn)榕菽c原油的接觸面上， 氣泡破裂后被原油包裹形成大油泡，延緩了油泡接觸面上氣泡的破裂與再生。而泡沫與原油交替后泡沫綜合指數(shù)明顯大于泡沫體系單一起泡時(shí)的泡沫綜合指數(shù)，說明泡沫與原油充分接觸后，原油將泡沫形成的小氣泡進(jìn)行包裹，使液膜增厚。在高溫條件下，堅(jiān)韌的液膜抑制了氣泡破裂，一定程度上延長了泡沫析液半衰期。 其中，LW 泡沫體系的綜合泡沫指數(shù)值相對最高。

結(jié)合對泡沫體系的濃度、礦化度、溫度及遇油消泡性能的篩選， 實(shí)驗(yàn)最終篩選出起泡劑LW 為適合吉林油田油藏條件的泡沫體系主劑。

3 復(fù)配

將篩選出的起泡劑LW 分別與陰離子起泡劑AN、陽離子起泡劑CA、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 以10 個(gè)不同質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，模擬吉林油田油藏條件進(jìn)行復(fù)配體系的篩選，泡沫綜合指數(shù)與質(zhì)量比關(guān)系見圖6。

圖6 復(fù)配實(shí)驗(yàn)泡沫綜合指數(shù)

3.1 陰離子表面活性劑復(fù)配

由圖6 可知，LW/AN 復(fù)配體系的泡沫綜合指數(shù)增幅不明顯，表明LW/AN 復(fù)配體系協(xié)同作用較弱。 該現(xiàn)象可能是因?yàn)殛庪x子起泡劑AN 分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)和苯環(huán)相連， 增大了空間位阻以及體相的分子交換阻力，而且表面排列的分子較松散，降低了復(fù)配體系的泡沫綜合指數(shù)。 但是，起泡劑LW 與陰離子起泡劑AN 分子之間存在的相互作用，在一定程度上增大了氣液界面上分子排列的密度，使復(fù)配體系的泡沫性能優(yōu)于單一的陰離子起泡劑AN 或起泡劑LW。這是因?yàn)殛庪x子起泡劑AN 的分子在泡沫中做定向排列，形成了表面擴(kuò)散雙電層，當(dāng)兩液膜靠近到一定程度時(shí)， 帶有相同電荷的離子排斥，防止液膜變薄，液膜強(qiáng)度保持在一定水平，使復(fù)配泡沫體系的綜合泡沫指數(shù)保持在一個(gè)較高值。

3.2 陽離子表面活性劑復(fù)配

由圖6 可知， 起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質(zhì)量比在1∶9～3∶7 和7∶3～9∶1 之間復(fù)配體系的泡沫綜合指數(shù)大幅上升，超過了1 200 min·mL，說明起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 具有較強(qiáng)的協(xié)同增效作用， 構(gòu)成混合膜的吸附分析密度增加，混合膜中的分子間作用增強(qiáng)。 而當(dāng)起泡劑LW 和陽離子起泡劑CA 質(zhì)量比相當(dāng)時(shí)， 復(fù)配體系的泡沫綜合指數(shù)大幅下降， 且低于單純的起泡劑LW泡沫體系與陽離子起泡劑CA 泡沫體系。

分析原因，陰陽離子表面活性劑之間存在較強(qiáng)的靜電吸引作用，減小了氣液界面上表面活性劑的靜電排斥作用，使表面活性劑的排列更緊密，形成了一定的亞層富集，表面黏彈性上升，優(yōu)化了復(fù)配體系的泡沫性能。 但是，當(dāng)起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質(zhì)量接近時(shí)，在表面上與體相中所分布的物質(zhì)量比大致相同，此時(shí)表面的起泡劑LW 分子與陽離子起泡劑CA 分子接近于交替排列，分子間排列最緊密、作用力也最強(qiáng)。 在體相中，表面活性劑分子不易于形成亞表面層富集，但易于形成穩(wěn)定的膠束，所以導(dǎo)致表面黏彈性變差。 當(dāng)泡沫液膜變薄時(shí)，表面排列的表面活性劑中親水基團(tuán)的電性中和，水化半徑變小，兩個(gè)表面排列的表面活性劑分子靜電排斥作用顯著減小，不能有效地阻止液膜變薄或破裂。 因此，當(dāng)起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質(zhì)量相當(dāng)時(shí)， 復(fù)配體系的泡沫性能較差。

3.3 兩性離子表面活性劑復(fù)配

LW/AM 復(fù)配體系的協(xié)同增效作用明顯， 泡沫綜合指數(shù)增加。兩性離子起泡劑AM 水化能力以及陰離子基團(tuán)的結(jié)構(gòu)性能引起復(fù)配體系的泡沫綜合指數(shù)增加，兩性離子起泡劑AM 分子中的陰離子基團(tuán)位于最外端，起泡劑LW 分子與兩性離子起泡劑AM 分子的陽離子基團(tuán)相互吸引，使兩性離子起泡劑AM 分子的陰離子基團(tuán)突出，并裸露在體相中形成水化層；同時(shí)，還吸引體相中兩性表面活性劑，形成亞表面富集，可有效阻止泡沫液膜變薄或破裂，增加了復(fù)配體系的表面黏彈性。

兩性離子起泡劑AM 分子中含有陰離子和陽離子兩種親水基團(tuán)，分子間的靜電吸引作用較強(qiáng)。 但由于受分子結(jié)構(gòu)和空間位阻的影響， 起泡劑LW 與兩性離子起泡劑AM 分子間的靜電作用使分子的排列密度和規(guī)整程度強(qiáng)。 這些因素使得復(fù)配體系具有良好的泡沫性能。

3.4 非離子表面活性劑復(fù)配

LW/NO 復(fù)配體系在質(zhì)量比3∶7 時(shí)泡沫綜合指數(shù)最佳，可達(dá)1 900 min·mL，表明起泡劑LW 與非離子起泡劑NO 復(fù)配具有較好的協(xié)同作用，能提高泡沫性能。 這是由于非離子表面活性劑能夠通過氫鍵與H2O 和H3O+結(jié)合，使該類非離子表面活性劑分子帶有一定的正電性。 所以，在非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑的相互作用中，還存在與異電性表面活性劑之間類似的電性作用。

4 結(jié)論

a）在常溫常壓條件下， 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的9 種起泡劑AN、AP、LH、RD、HN、CY、LW、NB 95 和NB 99 的泡沫綜合指數(shù)受濃度影響的程度各不同。 其中，起泡劑HN 和NB 99受濃度影響泡沫綜合指數(shù)波動(dòng)較大。 而起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 在濃度變化的情況下泡沫綜合指數(shù)相對穩(wěn)定且值較大。 起泡劑在濃度低于0.2%時(shí)泡沫綜合指數(shù)增幅明顯，濃度高于0.2%時(shí)泡沫綜合指數(shù)增幅較緩，綜合考慮成本等因素，篩選出0.2%為合適的泡沫體系濃度。

b） 耐鹽性能評價(jià)中， 礦化度對起泡劑性能影響較大，耐鹽性能最好的是起泡劑LW。 鹽的加入有利于起泡劑LW 的泡沫綜合指數(shù)在高鹽條件下的穩(wěn)定。

c）溫度升高時(shí)，起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 生成的泡沫穩(wěn)定性有一定程度的降低， 而起泡劑LW 泡沫綜合指數(shù)下降則較平穩(wěn)。

d） 在高溫條件下，泡沫與原油充分接觸后，液膜增厚，延長了泡沫析液半衰期，增強(qiáng)了泡沫性能。

e）起泡劑LW 與陰離子起泡劑AN、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 復(fù)配具有良好的協(xié)同作用，能大幅提高泡沫性能， 復(fù)配體系的綜合泡沫指數(shù)明顯高于單一陰離子起泡劑AN、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 的綜合泡沫指數(shù)。 其中，起泡劑LW 與兩性離子起泡劑AM 在質(zhì)量比為9∶1 和起泡劑LW 與非離子離子起泡劑NO 在質(zhì)量比為3∶7 時(shí)，泡沫體系的綜合泡沫指數(shù)最佳。

f）起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 復(fù)配體系的質(zhì)量比在1∶9～3∶7 和8∶2～9∶1 具有協(xié)同增效作用，泡沫綜合指數(shù)較大。當(dāng)起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 復(fù)配體系的質(zhì)量比相當(dāng)時(shí)，其復(fù)配體系泡沫性能很差。 起泡劑LW 與少量陽離子起泡劑CA 復(fù)配有利于提高其泡沫綜合指數(shù)。

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