川西老區(qū)中淺層新型泡排藥劑研發(fā)與應(yīng)用

李祖友 ，唐 雷，殷鴻堯，馮玉軍

1.中國(guó)石化西南油氣分公司采氣一廠，四川 德陽(yáng) 618000；2.四川大學(xué)高分子研究所，四川 成都610000

引言

隨著川西老區(qū)中淺層氣藏能量不斷衰竭，大部分氣井已進(jìn)入低壓、低產(chǎn)期，氣井自然攜液能力持續(xù)下降導(dǎo)致井筒普遍存在積液，泡沫排液是目前最經(jīng)濟(jì)有效的穩(wěn)產(chǎn)工藝技術(shù)[1-3]，但近年來(lái)泡排工藝措施效果不斷變差，分析主要有以下3 方面原因：（1）沙溪廟組氣藏氣井普遍產(chǎn)凝析油，含量5.00%～71.00%，凝析油的存在使泡排劑產(chǎn)生的泡沫迅速衰變，導(dǎo)致起泡能力及攜液能力降低，影響泡排工藝技術(shù)效果[3-5]；（2）隨著氣井能量不斷降低，產(chǎn)量低于攜泡臨界流量的氣井日益增多，且多層合采井下層水淹較普遍，導(dǎo)致泡排效果逐漸變差[2-3]；（3）氣井生產(chǎn)后期，井筒普遍存乳化液污染，乳化液黏度高、含凝析油、蠟等有機(jī)物，導(dǎo)致泡排劑幾乎不起泡，難以返排[6-8]。針對(duì)上述原因造成的生產(chǎn)異常，前期開(kāi)展了藥劑參數(shù)、加注工藝、助排方式等技術(shù)優(yōu)化，但無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。因此，有必要開(kāi)展新型泡排劑研發(fā)，建立新型泡排工藝技術(shù)，針對(duì)性解決高含凝析油氣井泡排效果差、低壓低產(chǎn)井泡排低效、積液與乳化污染并存導(dǎo)致氣井生產(chǎn)異常等難題，支撐老區(qū)氣藏穩(wěn)產(chǎn)。

1 新型泡排藥劑研發(fā)

針對(duì)凝析油消泡問(wèn)題，在明確消泡機(jī)理的基礎(chǔ)上，優(yōu)選陰離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑及氟碳表面活性劑，研發(fā)了抗含50%凝析油的CHSB-SDS-PFBS 三元表面活性劑體系泡排劑SCU-2。優(yōu)選亞硝酸鹽和銨鹽的反應(yīng)體系，研制了自生能量型泡排劑SCU-3，提高了產(chǎn)量低于攜泡臨界流量及多層合采井下層水淹氣井的泡排效果。優(yōu)選酸和表面活性劑復(fù)配，研制了具有溶垢、溶有機(jī)質(zhì)、降黏、發(fā)泡等多重性能的凈化與排液一體化藥劑SCU-6，解決了井筒積液與乳化污染雙重難題。

1.1 高抗凝析油泡排劑SCU-2

1.1.1 凝析油成分分析

選取川西中淺層氣藏不同氣井中的3 個(gè)凝析油樣品進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明，凝析油主要為飽和烷烴，其次有一定量不飽和烴及微量表面活性劑（表1）。

表1 凝析油成分分析Tab.1 Composition analysis of condensate

1.1.2 凝析油消泡機(jī)理

凝析油主要成分為低碳烷烴，低碳烷烴遇泡沫液膜會(huì)滲入其中，導(dǎo)致泡沫遇油消泡，是影響泡沫穩(wěn)定的主要因素。油在泡沫表面鋪展可以用Harkins 提出的鋪展系數(shù)S，Robinson 和Woods 根據(jù)熱力學(xué)原理提出的進(jìn)入系數(shù)E來(lái)預(yù)估[9]

聯(lián)立式（1）和式（2），可得

進(jìn)入系數(shù)E表征油滴進(jìn)入泡沫液膜的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)E＞0 時(shí)，油滴將會(huì)進(jìn)入泡沫液膜；鋪展系數(shù)S表征原油在泡膜表面的鋪展能力，S＞0 時(shí)，原油在泡沫液膜表面鋪展，將引起界面性質(zhì)改變，影響泡沫液膜穩(wěn)定性。泡沫溶液的氣水表面張力一般為30 mN/m，而表面活性劑油水界面張力一般為10-1～103mN/m，因此，當(dāng)泡沫遇油后，按能量分布最小原則，表面活性劑分子會(huì)自動(dòng)從氣水界面向油水界面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致氣水界面表面活性劑分子數(shù)量減少，表面張力提高，泡沫穩(wěn)定性變差乃至破裂[9-10]。

采用共聚焦熒光顯微鏡進(jìn)一步觀察了凝析油對(duì)泡沫的影響，發(fā)現(xiàn)油遇泡沫時(shí)，油進(jìn)入并在泡膜表面鋪展，將原本吸附在液膜表面的起泡劑分子排擠出去，同時(shí)在液膜通道形成小油滴，使部分起泡劑分子轉(zhuǎn)移至油滴表面，二者共同作用導(dǎo)致氣液界面膜黏彈性下降，最終導(dǎo)致泡沫破裂（圖1）。

圖1 共聚焦熒光顯微鏡泡沫照片F(xiàn)ig.1 Foam shape in confocal fluorescence microscope

1.1.3 高抗凝析油泡排劑研發(fā)

（1）研發(fā)思路

根據(jù)凝析油消泡機(jī)理，提高起泡劑的耐油性，可從起泡劑的分子結(jié)構(gòu)入手。常用的起泡劑分子是兩親結(jié)構(gòu)，一端是非極性的烴基（親油鏈），另一端是親水性較強(qiáng)的極性端（親水鏈）[11-12]。一般情況下，起泡劑的親油鏈為正構(gòu)飽和烴，且鏈足夠長(zhǎng)為好。親油基團(tuán)在泡沫上定向排列時(shí)親油鏈之間橫向引力增加，穩(wěn)定性好。在親油基選定的基礎(chǔ)上，親水基的親水性越強(qiáng)，形成泡膜的排液速率越慢，泡沫越穩(wěn)定。碳鏈長(zhǎng)的起泡劑親油性好，而碳鏈短的起泡劑親水性好[13-14]。因此，在篩選耐油性的起泡劑時(shí)，選用碳鏈長(zhǎng)度適中的分子骨架或在較長(zhǎng)的碳鏈上引入多種親水基團(tuán)和憎油基團(tuán)，形成親水親油性能具有一定分布的多組分構(gòu)成的起泡劑體系，從而提高起泡劑對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，保證井筒深部的泡沫穩(wěn)定性[15-17]。

（2）陰離子和兩性離子表面活性劑的復(fù)配

當(dāng)陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配后，陰離子表面活性劑上面的陰離子頭基與兩性離子表面活性劑上面的陽(yáng)離子頭基結(jié)合，使表面活性劑在泡沫液膜上排布的更加緊密，這樣當(dāng)油滴接觸到泡沫液膜時(shí)，會(huì)形成穩(wěn)定的假乳液膜。因此，陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑在有油存在的情況下也具有良好的起泡與穩(wěn)泡能力[18]。

椰油酰胺丙基羥磺基甜菜堿CHSB 具有良好的耐油性和耐鹽能力，而十二烷基硫酸銨SDS 是產(chǎn)量和用量都很大的一種陰離子型表面活性劑[19]。因此，高抗凝析油泡排劑SCU-2 中的主劑配方采用CHSB 和SDS 進(jìn)行復(fù)配。

為了確定CHSB 和SDS 的最佳復(fù)配比例，按照不同比例對(duì)CHSB 和SDS 進(jìn)行復(fù)配，CHSB：SDS比例分別為0：10、2：8、4：6、6：4、8：2 和10：0。用羅氏泡沫儀測(cè)定了各種復(fù)配比例下的起泡高度和半衰期。結(jié)果表明，CHSB 與SDS 比例4：1 時(shí)，起泡高度和半衰期最大（圖2，表2），由此確定為最佳復(fù)配比例。

表2 不同CHSB 與SDS 比例下的泡沫半衰期Tab.2 Statistics of foam half-life under different ratios of CHSB and SDS

圖2 不同CHSB 與SDS 比例下的最大泡沫高度Fig.2 Statistics of maximum foam height under different ratios CHSB and SDS

（3）三元表面活性劑體系

氟碳表面活性劑，具有一個(gè)既憎水又憎油的氟碳鏈（可以是直鏈或支鏈），可以大幅度降低表面張力，同時(shí)可以根據(jù)需求改變它的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度，提高熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性[20]。為進(jìn)一步提高藥劑性能，在CHSB-SDS 二元表面活性劑體系中引入氟碳表面活性劑PFBS，建立了CHSB-SDS-PFBS 三元表面活性劑體系。

為了確定體系中氟碳表面活性劑的濃度，測(cè)試了氟碳表面活性劑濃度為1%、2%、3%和4%，泡排劑濃度為5%時(shí)，不同凝析油含量下的起泡高度及半衰期，結(jié)果如圖3 所示，可以看出，當(dāng)泡排劑中氟碳表面活性劑含量為3%時(shí)，起泡高度和半衰期最大，綜合性能最佳。由此確定了三元表面活性劑體系中各藥劑比例，同時(shí)加入增黏劑、穩(wěn)泡劑等其他助劑，研發(fā)形成了高抗凝析油泡排劑SCU-2。

圖3 不同氟碳表面活性劑濃度泡排劑的泡沫性能圖Fig.3 Foaming performance of foaming agent with different fluorocarbon surfactant concentration

1.1.4 藥劑性能評(píng)價(jià)

（1）SCU-2 表面張力評(píng)價(jià)

圖4 為不同藥劑濃度下高抗凝析油泡排劑SCU-2 與常規(guī)泡排劑XHY-4A 的表面張力對(duì)比，由圖4 可以看出，相同藥劑濃度下SCU-2 泡排劑的表面張力均低于XHY-4A，最低可降至26.73 mN/m，攜液能力增強(qiáng)[21]。

圖4 表面張力測(cè)定結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of surface tension measurement results

（2）SCU-2 泡沫綜合性能評(píng)價(jià)

對(duì)比凝析油作用下SCU-2 與XHY-4A 泡沫微觀形態(tài)，并在不同凝析油含量、溫度80°C、礦化度4×104mg/L 的條件下，對(duì)SCU-2 與XHY-4A泡排劑的起泡高度、半衰期及攜液量進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖5所示，由圖5 可以看出，隨凝析油含量的升高，XHY-4A 的起泡高度持續(xù)下降，而SCU-2 的起泡高度則先上升后下降，當(dāng)凝析油含量為50% 時(shí)，起泡高度為580mm；隨凝析油含量的升高，SCU-2 的半衰期最高為950 s，而XHY-4A的半衰期最高僅為210 s；隨凝析油含量的升高，XHY-4A 的攜液量從160 mL 下降至70 mL，而SCU-2 的攜液量從165 mL 升至181 mL 后，再降至172 mL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SCU-2 的抗凝析油能力遠(yuǎn)優(yōu)于XHY-4A，抗凝析油含量達(dá)50%，藥劑最佳使用濃度為0.3%～0.5%。

圖5 SCU-2 與XHY-4A 在不同凝析油含量條件下泡排性能對(duì)比Fig.5 Comparison of foam drainage performance of SCU–2 and XHY–4A under different condensate oil content conditions

1.2 自生能量型泡排劑SCU-3

1.2.1 反應(yīng)體系優(yōu)選

自生能量型泡排工藝技術(shù)是通過(guò)先后向井筒加注兩種藥劑，藥劑與井內(nèi)積液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成熱量和氣體，將積液轉(zhuǎn)化為泡沫帶出井筒[22-23]。

表3 為6 種反應(yīng)體系的產(chǎn)氣、產(chǎn)熱能力及安全性等因素對(duì)比分析，可以看出，亞硝酸鹽和銨鹽的反應(yīng)體系具較大優(yōu)勢(shì)，1 m3、3 mol/L 溶液可生成68.75 m3氣體、879 MJ 熱量，其產(chǎn)氣能力、產(chǎn)熱能力最佳。N2屬惰性氣體，可與一切基液配伍，而CO2泡沫只能與水、甲醇、乙醇等溶劑配伍，且CO2腐蝕是川西地區(qū)主要腐蝕類型之一[24-25]。因此，確定自生能量型泡排工藝技術(shù)的反應(yīng)體系為N2反應(yīng)體系，見(jiàn)式（4）

表3 自生能量型反應(yīng)體系優(yōu)選Tab.3 Optimization of autogenous energy type reaction system

從價(jià)格和水溶性兩方面考慮，選取NH4Cl+NaNO2與CO(NH2)2+NaNO2兩種體系，在酸性環(huán)境中測(cè)量這兩種體系的起泡能力與穩(wěn)泡能力，結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出，NH4Cl+NaNO2體系產(chǎn)生的泡沫量?jī)?yōu)于CO(NH2)2+NaNO2體系，因此，確定NH4Cl+NaNO2作為主反應(yīng)體系，亞硝酸鈉與氯化銨作為主反應(yīng)劑。

表4 兩種反應(yīng)體系下起泡能力與穩(wěn)泡能力對(duì)比Tab.4 Comparison of foaming ability and foam stabilizing ability under two reaction systems

1.2.2 催化劑優(yōu)選

圖6 3 種酸催化下起泡高度Fig.6 Maximum foam height under three acid catalysis

根據(jù)上述藥劑對(duì)比，優(yōu)選氯化銨（A1 劑）與亞硝酸鈉（A2 劑）為自生氮?dú)怏w系，乙酸（B 劑）為催化劑，輔以起泡劑和穩(wěn)泡劑和其他添加劑，研制了自生氣泡排劑SCU-3。基于不同A（A1，A2）、B 劑比例反應(yīng)后最大泡沫高度（圖6）及發(fā)熱溫度（圖7），確定藥劑最佳使用比例為A：B=4：1。

圖7 不同比例下自生能量型泡排劑的發(fā)熱溫度Fig.7 Heating temperature of autogenous energy foaming agent under different proportions

1.2.3 藥劑最佳使用濃度

在A：B=4：1 的基礎(chǔ)上，分析主劑A 在不同濃度下攜液能力。當(dāng)主劑A 濃度50%時(shí)，泡排劑攜液率達(dá)98%，效果最優(yōu)，因此，確定A 劑最佳使用濃度為50%，B 劑最佳使用濃度為12.5%（表5）。

表5 自生能量型泡排劑最佳使用濃度優(yōu)選Tab.5 Optimization of optimum concentration of autogenous foaming agent

1.2.4 藥劑性能評(píng)價(jià)

（1）SCU-3 表面張力評(píng)價(jià)

表6 為表面張力測(cè)試結(jié)果，可以看出，藥劑濃度5% 時(shí)，SCU-3（A1）的表面張力為27.58 mN·m-1，較常規(guī)泡排劑表面張力33 mN·m-1下降了16%；SCU-3（A2）的表面張力28.31 mN·m-1，較常規(guī)泡排劑表面張力33 mN·m-1下降了14%，攜液能力更強(qiáng)。

表6 SCU-3（A1）和SCU-3（A2）表面張力測(cè)試Tab.6 Surface tension test of SCU–3(A1)and SCU–3(A2)

（2）SCU-3 泡沫性能評(píng)價(jià)

對(duì)比SCU-3 與原有藥劑XHY-16 的泡沫性能表明，當(dāng)反應(yīng)藥劑與催化劑比例為4：1 時(shí)，SCU-3最大起泡高度580 mm，半衰期39 min，而XHY-16最大起泡高度400 mm，半衰期2 min，SCU-3 性能較優(yōu)（圖8）。

圖8 SCU-3 與XHY-16 藥劑性能對(duì)比圖Fig.8 Performance comparison between SCU–3 and XHY–16

1.3 凈化與排液一體化藥劑SCU-6

1.3.1 乳化液成分分析

川西老區(qū)中淺層氣井普遍存在乳化，對(duì)87 個(gè)井站產(chǎn)液開(kāi)展黏度監(jiān)測(cè)，平均黏度2.98 mPa·s，最高60.5 mPa·s，高黏乳液導(dǎo)致泡排低效甚至無(wú)效，形成乳化與積液雙重污染。表7 為6 個(gè)不同氣井返排乳化液樣品分析結(jié)果，可以看出，乳化液中主要成分為水、凝析油及少量表面活性劑。

表7 乳化液成分分析Tab.7 Composition analysis of foam drainage emulsion

1.3.2 凈化與排液一體化藥劑研發(fā)

（1）藥劑研發(fā)思路

根據(jù)性質(zhì)降黏體系主要分為3 類：酸類、表面活性劑類、溶劑類[27-28]。酸性體系中的活潑H+可吸附在乳液液滴表面，形成一層陽(yáng)離子膜，使乳液滴間產(chǎn)生同電荷排斥，阻止液滴聚結(jié)，達(dá)到降低黏度的目的[29]。一些特殊表面活性劑具有很強(qiáng)的表面集聚趨勢(shì)，在排擠原有表面活性劑后所形成的新乳液穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于原乳液，導(dǎo)致乳液部分破乳[30]。對(duì)于高含油乳液而言，部分特殊溶劑的引入可加強(qiáng)原乳液中油的活性，從而降低乳液穩(wěn)定性[31]。

3 種降黏體系對(duì)川西中淺層乳化液降黏測(cè)試表明，酸液體系雖然對(duì)乳化液降黏幅度較小，但二次乳化后黏度反彈幅度也較?。槐砻婊钚詣┙叼ぷ饔妹黠@，但二次乳化后黏度反彈較大；川西中淺層乳化液含油量較低，溶劑類乳化液基本沒(méi)有降黏作用，且二次乳化后黏度增加明顯。

分析認(rèn)為，以酸體系與表面活性劑體系復(fù)合作用的體系，既增加降黏效率又增大降黏過(guò)程穩(wěn)定性，同時(shí)表面活性劑的起泡能力還有助于破乳降黏后的積液返排。因此，優(yōu)選酸和表面活性劑復(fù)配，以達(dá)到凈化與排液雙重效果。

（2）原理及功能

凈化與排液一體化藥劑SCU-6 由烴基甲氨基羧酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、全氟烷基氯化銨等構(gòu)成。烴基甲氨基羧酸具凈化、發(fā)泡能力；脂肪醇聚氧乙烯醚具極強(qiáng)的表面鋪展及滲透性能，能大幅度加快凈化速度[32]；全氟烷基氯化銨可有效降低表面張力、提高發(fā)泡效能[33]。藥劑通過(guò)溶垢等作用實(shí)現(xiàn)凈化、排液，凈化作用原理見(jiàn)表8。

表8 凈化與排液一體化藥劑凈化作用原理表Tab.8 Principle of purification and drainage integrated reagent purification

1.3.3 藥劑性能評(píng)價(jià)

（1）攜液能力評(píng)價(jià)

表9 為SCU-6 與常規(guī)泡排劑XHY-4A 攜液能力對(duì)比，結(jié)果表明，SCU-6 藥劑攜液能力與常規(guī)泡排劑相當(dāng)，能滿足氣井排液需求。

表9 兩個(gè)礦化度水樣中SCU-6 與XHY-4A 泡排藥劑性能對(duì)比Tab.9 Performance comparison of SUC–6 and XHY–4A foam drainage agent in two mineralized water samples

（2）降黏能力評(píng)價(jià)

圖9 為SCU-6 與常規(guī)凈化劑XJ-2 降黏能力實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出，隨藥劑濃度增加，兩種凈化劑對(duì)乳化液的降黏能力都有增強(qiáng)趨勢(shì)，而在同一藥劑濃度下SCU-6 對(duì)乳化液的黏度降低值高于XJ-2，具有較好凈化性能，最佳使用濃度為3%～4%。

圖9 乳液樣品中加入SCU-6 與XJ-2 降黏能力對(duì)比Fig.9 Comparison of viscosity reduction ability of SCU–6 and XJ–2 in emulsion samples

2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

SCU 系列藥劑應(yīng)用138 口井，有效率89.73%，增產(chǎn)天然氣774.00×104m3（表10）。其中，SCU-2藥劑應(yīng)用34 口井，增產(chǎn)天然氣84.37×104m3，有效率90.36%，效果明顯優(yōu)于XHY-4A 等泡排劑；SCU-3 藥劑應(yīng)用15 口井，增產(chǎn)天然氣92.26×104m3，有效率88.24%，除在常規(guī)泡排低效、下層水淹井應(yīng)用效果較好外，對(duì)水淹停產(chǎn)井也起到了較好復(fù)產(chǎn)效果，拓展了自生能量型泡排劑的應(yīng)用范圍。SCU-6 藥劑應(yīng)用89 口井，增產(chǎn)天然氣597.37×104m3，有效率87.42%，返排液黏度平均下降59.07%，在產(chǎn)液較小的乳化污染氣井中具有良好的凈化與排液效果。

表10 SCU 系列泡排劑應(yīng)用情況Tab.10 Statistical table of SCU series foaming agent application

以CX378 井為例，該井生產(chǎn)出現(xiàn)異常后，套壓從0.76 MPa 上漲至3.90 MPa，油套壓差持續(xù)增大，產(chǎn)氣量從0.22×104m3/d 下降為0。水淹后多次采取加泡排劑配合提噴帶液，均未有明顯效果，遂開(kāi)展SCU-3 型自生泡試驗(yàn)，根據(jù)井筒積液量?jī)?yōu)化藥劑加注參數(shù)，從油管加注SCU-3（A1）、SCU-3（A2）各50 kg，2 h 后再?gòu)挠凸芗幼 劑10 kg，關(guān)井反應(yīng)2 h 后開(kāi)展井口提噴作業(yè)，實(shí)施后排液0.8 m3，油套壓差由3.58 MPa 下降至0.34 MPa，氣井復(fù)活，日產(chǎn)氣0.2×104m3，累計(jì)增產(chǎn)74.67×104m3，效果顯著（圖10）。

圖10 CX378 井綜合采氣曲線圖Fig.10 Comprehensive gas production curve of Well CX378

3 結(jié)論

（1）高抗凝析油泡排藥劑SCU-2，完全能實(shí)現(xiàn)凝析油含量50%以內(nèi)產(chǎn)液氣井的排液，泡排性能優(yōu)于同類泡排藥劑。

（2）自生能量型泡排藥劑SCU-3，提高了常規(guī)泡排低效井、多層合采下層水淹井及水淹停產(chǎn)井的排液效果，泡排性能優(yōu)于同類泡排藥劑。

（3）凈化與排液一體化藥劑SCU-6，降黏能力優(yōu)于常規(guī)凈化藥劑、攜液能力與常規(guī)泡排相當(dāng)，解決了開(kāi)發(fā)后期氣井井筒乳化污染與積液雙重治理難題。

（4）新型SCU 系列藥劑，應(yīng)用138 口井564井次，增產(chǎn)天然氣774.00×104m3，措施有效率89.73%，凈化、排液效果好，拓展了泡排劑應(yīng)用范圍，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。