雅克拉采氣廠耐溫抗鹽甜菜堿型泡排劑的研發(fā)

孫同成

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

在天然氣井開(kāi)采過(guò)程中，邊水、底水的推進(jìn)會(huì)導(dǎo)致井筒內(nèi)不斷積水，進(jìn)而造成油氣井的井底出現(xiàn)嚴(yán)重積液的現(xiàn)象[1]。

目前雅克拉采氣廠90%以上的氣井均出現(xiàn)井底積液現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了油氣田的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。排水采氣的工藝方法有優(yōu)選管柱排水采氣、泡沫排水采氣、氣舉排水采氣等，在眾多的排水采氣工藝方法中，最常用的處理方法是向氣井中添加泡排劑進(jìn)行泡沫排水采氣[2]。泡沫排水采氣是針對(duì)產(chǎn)水氣田開(kāi)發(fā)而研究的一項(xiàng)助采工藝技術(shù)，具有成本低、操作方便、適用井身范圍大、不影響氣井正常生產(chǎn)、廉價(jià)高效等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。制備一種在高溫、高礦化度的苛刻工況條件下仍具有良好泡沫性能的泡排劑尤為重要。

本文研究了雅克拉采氣廠的現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)，并對(duì)氣藏情況進(jìn)行深入的了解，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研制出了一種抗高礦化度且具有較好的耐溫性能的高效氣井泡排劑11-TUBSNa，并考察了不同條件下泡沫的穩(wěn)定性，深入研究了泡沫排水采氣機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 評(píng)價(jià)方法

實(shí)驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn) SY/T 6465—2000 《泡沫排水采氣用泡排劑評(píng)價(jià)方法》和 GB/T 7462—1994 《發(fā)泡力的測(cè)定》對(duì)泡排劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。ROSS-Miles法(所用儀器稱為羅氏-邁爾斯泡沫儀)在1941年發(fā)明后，被長(zhǎng)期作為評(píng)價(jià)泡排劑發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)時(shí)，使200mL試液從高900 mm、內(nèi)徑2.9 mm的毛細(xì)管中自由流下，沖擊盛放在刻度管中的同種試液后產(chǎn)生泡沫，在刻度管內(nèi)發(fā)生泡沫活動(dòng)，以200 mL試液流經(jīng) 0 min和5 min時(shí)的泡沫柱高度分別代表泡排劑的發(fā)泡能力和泡沫的穩(wěn)定性。

1.2 雅克拉采氣廠現(xiàn)場(chǎng)水樣分析

現(xiàn)場(chǎng)水樣中Ca2+、Na+含量較高，總礦化度為17.4萬(wàn)左右。如表1所示，由于地層水的礦化度大小對(duì)泡沫性能影響很大，針對(duì)雅克拉采氣廠地層水樣礦化度高的特點(diǎn)，要求所制備的泡排劑必須有特別好的抗鹽性能，才能夠很好地抑制Ca2+、Mg2+等對(duì)起泡高度和穩(wěn)泡能力的影響。

表1 現(xiàn)場(chǎng)水樣礦化度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 泡排劑的優(yōu)選

為研究表面活性劑之間的復(fù)配效果，將合成的三種甜菜堿類表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)復(fù)配體系的泡沫性能，最后獲得6種配方(表2)。其中1、2、3 號(hào)是單一的表面活性劑，而 4、5、6 號(hào)樣品是以三種表面活性劑作為主劑，以SDBS作為助劑，按照1.0∶1.2的比例進(jìn)行復(fù)配得到的樣品。

表2 泡排劑主劑、助劑及復(fù)配比

對(duì)不同配方的泡排劑進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，三種復(fù)配后的泡排劑相較于成分單一的泡排劑，起泡能力和穩(wěn)泡能力都具有顯著的提高。一方面是因?yàn)樘鸩藟A與陰離子表面活性劑復(fù)配后通常能夠起到協(xié)同效應(yīng)，使體系泡沫穩(wěn)定性提高。另一方面是由于SDBS含有磺酸基，具有更好的耐溫抗鹽效果。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明三種復(fù)配后的泡排劑耐鹽性均顯著提升，其中樣品4的性能最為優(yōu)異，故后續(xù)泡沫性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)均用樣品4進(jìn)行。

圖1 六種樣品在現(xiàn)場(chǎng)水樣中的衰變曲線

2.2 抗鹽性能評(píng)價(jià)

研究Ca2+、Mg2+對(duì)復(fù)配體系泡沫性能的影響結(jié)果如圖2所示，其中圖1(a)為不同濃度鹽溶液中泡沫的衰變曲線，圖1(b)為不同鹽溶液濃度下對(duì)應(yīng)的起泡高度和泡沫半衰期。從圖1(a)中可以看出，隨著無(wú)機(jī)鹽濃度升高，泡沫的衰變曲線逐漸變緩，即對(duì)應(yīng)著圖b中泡沫的半衰期時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。當(dāng)鹽濃度為3.2 mol/L時(shí)，泡沫的衰變曲線出現(xiàn)了平臺(tái)區(qū)，泡沫半衰期達(dá)到最大值，繼續(xù)增大鹽濃度，泡沫穩(wěn)定性降低。這是由于甜菜堿和季銨表面活性劑形成復(fù)配體系的協(xié)同作用，甜菜堿表面活性劑分子中的磺酸根親水頭基能與Ca2+、Mg2+形成配合物，在氣液界面形成吸附層導(dǎo)致相互作用加強(qiáng)，分子之間的電性排斥力減弱，使吸附在氣液界面的分子數(shù)量增多，泡沫液膜變的更厚，泡沫更穩(wěn)定。進(jìn)一步提高鹽濃度，這種作用會(huì)被破壞，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性下降。

圖2 Mg2+、Ca2+鹽對(duì)泡排劑樣品4泡沫性能的影響研究

Na+、K+對(duì)復(fù)配體系泡沫性能的影響如圖3所示，圖3(a)為不同濃度鹽溶液中泡沫的衰變曲線，圖3(b)為不同濃度下對(duì)應(yīng)的起泡高度和泡沫半衰期。從圖中可以看出，相比于 Ca2+、Mg2+鹽對(duì)體系的影響，Na+、K+對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響更大。主要表現(xiàn)為，泡沫的衰變曲線隨著鹽濃度的增大斜率逐漸變大。在稍低濃度鹽溶液時(shí)，曲線的變化程度較緩，而當(dāng)鹽濃度大于1.6 mol/L時(shí)，曲線斜率變化程度較大，相應(yīng)起泡的高度以及泡沫半衰期持續(xù)下降。這主要是因?yàn)橄噍^于Ca2+、Mg2+，Na+、K+更傾向于在液相中，當(dāng)表面活性分子形成雙電層結(jié)構(gòu)時(shí)，Na+、K+干擾了雙電層之間的靜電斥力，使液膜的排水速度加快，降低了泡沫的穩(wěn)定性。

圖3 Na+、K+鹽對(duì)泡排劑樣品4泡沫性能的影響研究

圖4為樣品4在不同鹽溶液中表面張力的柱狀圖。對(duì)于表面活性劑來(lái)說(shuō)，降低表面張力能力越強(qiáng)，表面活性劑在氣液界面的分布就越穩(wěn)定和密集，產(chǎn)生的泡沫也就越穩(wěn)定。從圖4中可以看出，在Na+、K+鹽中，隨著鹽濃度的升高，表面張力值持續(xù)上升，說(shuō)明Na+、K+對(duì)于表面活性劑降低表面張力的能力影響較大。造成這種現(xiàn)象的原因是Na+、K+干擾了表面活性劑分子在氣液界面的分布。而對(duì)于Ca2+、Mg2+鹽而言，在鹽濃度小于3.2 mol/L時(shí)，表面張力值變化不大，說(shuō)明體系具有較好的耐Ca2+、Mg2+鹽的作用。另外體系中分子所含有的親水頭基能與Ca2+、Mg2+形成配合物，使吸附在氣液界面的分子數(shù)量增大，有利于降低表面張力值，使泡沫更穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泡排劑樣品4的抗礦化度最高可達(dá)2.1×105mg/L。

圖4 泡排劑在不同鹽溶液中的表面張力

2.3 耐溫性能評(píng)價(jià)

研究溫度對(duì)泡沫性能的影響，攜液率是重要的參數(shù)。圖5為樣品4的攜液率曲線，σ/σ0表示的是瞬時(shí)電導(dǎo)率與停止通氣時(shí)電導(dǎo)率的比值，σ/σ0的比值越高，證明此時(shí)攜液量越大。當(dāng)σ/σ0的下降速度越快，表明析液速率越快，泡沫的攜液能力越差，泡沫穩(wěn)定性也相對(duì)較差。從圖中可以看出，在溫度低于70 ℃時(shí)，析液速率下降較慢，泡沫的穩(wěn)定性較好。當(dāng)溫度超過(guò)90 ℃時(shí)，電導(dǎo)率下降到0只需要1 500 s，說(shuō)明高溫對(duì)于體系的析液速率影響較大，但相比于單一的表面活性劑SDBS仍然有較好的攜液能力。這是因?yàn)閺?fù)配起泡劑的協(xié)同作用，使表面活性劑分子在液膜的排列更緊密，使液膜厚度更大，可以儲(chǔ)存更多的水分子，降低液膜析液速率，同時(shí)甜菜堿中的親水頭基間靜電斥力較弱，能使更多的水分子分布在頭基附近，使泡沫的攜液能力更強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明泡排劑最多能抗溫至120 ℃。

圖5 泡排劑樣品4的高溫?cái)y液曲線

3 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)起泡劑以及助劑的初選，得到 6 種配方。從耐溫抗鹽性能方面對(duì)這6種樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)，甜菜堿類表面活性劑11-TUBSNa和SDBS按照1.0∶1.2復(fù)配得到的泡排劑樣品4效果最好。

(2)通過(guò)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得到所研究的甜菜堿型泡排劑熱穩(wěn)定性好，耐溫最高可達(dá)120 ℃，抗礦化度可達(dá)2.1×105mg/L，具有較好的耐溫抗鹽能力，起泡性能、穩(wěn)泡性能均較好。