泡沫排水用起泡剂的应用进展*

田雨露，王纪伟，李加玉

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206；2.中国石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014）

随着气井进入中后期开采阶段，产量全面递减，井底压力降低，气体流速小于临界携液流速，产出水不能及时被排出，积聚在井底，严重时会导致气井水淹停产。例如我国涪陵页岩气田某区块，截至2020年底该区块因井筒积液，急需采取排水措施的井数比例达80%［1］。起泡剂排水采气是通过套管或油管将起泡剂注入井筒，起泡剂与井筒积液混合后，通过气流的搅拌作用生成大量低密度含水泡沫，气流将泡沫带至地面，从而减少井筒内积液［2］。起泡剂排水采气工艺的成本较低、设备简单、见效显著、操作便捷，是国内外气田常用且经济可行的重要方法之一。

在美国、墨西哥、加拿大等国家，起泡剂排水采气技术均有较为广泛的应用，且取得了良好的经济效益。美国Alliance页岩气田80口井采用了泡沫排水技术，实现了产气量增加29%［3］。近年来，起泡剂排水采气技术也在国内长庆气田、苏里格气田、涪陵页岩气田等诸多气田被成功应用，积累了很多宝贵的经验。中国石化川西气田9口井开展起泡剂排水采气工艺，累计增产295×104m3［4］。目前，起泡剂种类较多、性能各异，笔者对起泡剂的作用机理与种类、常用起泡剂及新型起泡剂的性能与应用现状进行了详细的调研，综述了不同类型起泡剂的特征与适用性等。

1 起泡剂作用机理及种类

1.1 作用机理

起泡剂的主要成分是表面活性剂，泡沫是一种分散体系，其中不溶性气体被液体所包围，故许多气泡被液体间隔开。然而，气相是不连续的分散相，液相是连续的分散相，泡沫形成的必要条件是气相和液相的相互接触，而稳定泡沫的形成，除了气相和液相外，还需要起泡剂的参与［5］。起泡剂的疏水基伸向气相内部，亲水基伸向液相内部，故而形成吸附膜。起泡剂可有效降低气液表面张力，使吸附膜收缩而形成球体，最终形成气泡。排水采气工艺能否成功应用的关键取决于起泡剂的起泡性能和稳泡性能。起泡性能是指泡沫的数量、泡沫体积和泡沫高度，而稳泡性能是指泡沫的持续时间［6］，取决于环境因素和泡沫性质。

泡沫是热力学意义上的不稳定体系，因为泡沫具有较大的气液界面表面积和表面自由能，而表面自由能具有自发地向能量低的方向转移，故泡沫会逐渐破碎，直到气液分离。目前，泡沫的不稳定机理通常有两种：液体排液机理和气体扩散机理。①液体排液机理：Yeongbeom 等［7］认为多个气泡交界区为Plateau边界区，根据Laplace方程，泡沫液体内的压力比Plateau边界区内的压力大，在这种压差的驱使下，液体自液膜流向Plateau 边界区，故液膜逐渐变薄，最终泡沫破碎。②气体扩散机理：Ailar等［8］认为无论采用何种方法起泡，泡沫的大小总是不均的，依据Laplace方程可知，小气泡的压力较大，其中的气体会通过液膜，扩散到大气泡中，故小气泡变小，最终泡沫破碎。从两种泡沫的不稳定机理可知，泡沫的稳定性最终还是取决于液膜的性质，高黏度且富有弹性的液膜，往往可以形成稳定的泡沫。

1.2 起泡剂种类

常用起泡剂按形态可分为固态和液态2 种类型，其中，固态起泡剂主要有泡棒、酸棒和滑棒等，气井排水常用的起泡剂大多数为液态起泡剂。常用起泡剂按离子性质可分为非离子型、离子型和两性离子型3 种类型。近几年，随着人们对特殊常规气藏及非常规气藏的勘探和开发，针对一些特殊新类型如耐温型、抗盐型、耐酸碱型、抗H2S类型、抗凝析油类型等起泡剂的攻关研究也已经逐步提上日程。新型起泡剂既弥补了常用起泡剂性能上的不足，也解决了价格昂贵的问题［9］。另外，高效低成本类、环保可回收类起泡剂也逐步得到人们的重视。

2 常用起泡剂

2.1 非离子型起泡剂

非离子型起泡剂在气井泡沫排水中应用较为普遍，常用的有聚氧乙烯醚类、多元醇类、脂肪酸醇酰胺类、烷基糖苷类起泡剂。非离子型起泡剂一般是由酚和醇经聚氧乙基化合反应而得，在冷水中易溶解，且受地层水矿化度和化学因素影响较小，不易乳化，抗电解质能力强，且泡沫性质基本不受pH的影响，因此得到了突飞猛进的发展［10］。Abdulrauf等［11］研究发现，当矿化度大于30 g/L时，随矿化度的增大，非离子型起泡剂的泡沫液膜厚度增加，使其稳定性能增强。Wang 等［12］认为非离子型起泡剂在溶液中不发生解离，矿化度对泡沫的半衰期影响甚微。尽管非离子型起泡剂抗盐、抗电解质能力强，但他起泡能力差，使用范围受浊点影响，而且加热时溶解度、浊点均降低，起泡能力变弱［13］。

2.2 离子型起泡剂

离子型起泡剂包括阴离子型、阳离子型两种类型。相对非离子型起泡剂，离子型起泡剂亲水基的水化能力强，其周围可以形成较厚的水化膜，进而将液膜中的自由水转化为束缚水，致使水的流动性变差，液膜强度增大、稳定性增强［14］。阴离子型起泡剂的合成工艺简单、来源广、种类多，价格适中、危害程度小、宜工业化生产［15］。阴离子型起泡剂的水溶性好、起泡能力佳，但抗电解质能力差，遇到高矿化度地层水时会与水中的Ca2＋、Mg2＋等多价阳离子反应生成沉淀，导致泡沫稳定性明显变差，严重影响起泡剂的起泡能力和稳定性［16］。Saeid 等［17］研究发现，在高矿化度地层水中，当质量分数为0.5%时，阴离子型起泡剂的泡沫体积和半衰期达到最大。另外，在高温条件下，阴离子型起泡剂的起泡能力会快速下降。阳离子型起泡剂主要是含氮的有机胺衍生盐类，其起泡稳定性能较强，并具有良好的缓蚀性、杀菌性、耐油性和耐盐性。但阳离子型起泡剂在水溶液中会解离出极性阳离子，故受pH影响较大，而且当使用量过多时易产生油水乳化问题，因此其使用条件苛刻。另外，阳离子型起泡剂的合成原料来源少、价格高、不宜工业化生产，故矿场使用很少［18］。

2.3 两性离子型起泡剂

两性离子型起泡剂是较为特殊的一种起泡剂，其自身同时携带两种阳、阴离子亲水基，可以依据外界环境的酸碱度特征而显现出与之相适应的阳离子性能或阴离子性能。同时，泡沫液膜中异种电荷互相吸引，并富集于液膜表面，形成离子双电子层，可以有效地防止液膜变薄和破裂［19］。两性离子型起泡剂常见的有：氨基羧酸类、亚氨基酸类、甜菜碱类、咪唑啉类、烷基氧化胺类等。该类型起泡剂对不同的环境均具有较强的适应性，其亲水基有较好的水溶性，溶解度受电解质、pH的影响较小，而且耐温性好、生物降解好、毒性低、不易发生分解反应［20］。Mina 等［21］研究发现在60 ℃下，质量分数为0.25%的双壬基酚磺基甜菜碱两性离子型起泡剂的泡沫体积高达1056 mL，泡沫半衰期高达722 s。赖小娟等［22］认为甜菜碱Gemini两性离子型起泡剂M-66的耐盐性好、与地层水配伍性好，在清水和250 g/L 的矿化度水中的携液体积分别达89%、65%。两性离子型起泡剂的缺点是合成成本高，起泡性能低于阴离子型起泡剂和阳离子型起泡剂，故矿场很少使用［23］。

3 新型起泡剂

3.1 耐温型起泡剂

在高温条件下，分子间作用力变小，液体表面黏度降低、排液增加，气体膨胀、液体蒸汽压增加、液膜变薄，泡膜内的气体更容易穿透薄膜，泡沫更容易破裂［24-25］。一种空间网状结构的缓慢释放型起泡剂在90 ℃的水中完全溶解时间高达51 h，温度从60 ℃升至100 ℃，起泡剂的起泡高度和携液体积分别从120 mm 和77%降至105 mm 和56%，起泡剂耐温已达90 ℃［26］。武俊文等［27］在合成的特殊梳状结构Gemini起泡剂基础上，加入改性后的纳米粒子充当稳泡剂，制备了耐温150 ℃的高效起泡剂，该起泡剂利用特殊的梳状结构，可在气液界面形成致密结构，增强泡沫的稳定性，加入的稳泡剂可有效阻止泡沫的聚并。龚浩研等［28］将椰油酰胺丙基甜菜碱、椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱以及主要活性物复配形成网状分子结构，制备了一种耐温性新型起泡剂，起泡剂的耐温达180 ℃。

3.2 抗盐型起泡剂

地层水矿化度会影响起泡剂的性能，尤其对离子型起泡剂影响特别大。地层水中的离子影响泡沫膜上的电荷分布，使双电子层之间的排斥力下降，泡沫膜变薄的速率加快，影响泡沫的稳定性。地层水矿化度对非离子型起泡剂也有一定的影响，在高矿化度水中，非离子型起泡剂的浊点降低，这样会因为产生新的物质而使得泡沫的稳定性下降［29］。

通过对比分析泡沫性能，优选起泡剂、稳泡剂和助剂，可复配出抗盐聚合型起泡剂。苏里格气田S75 井区抗盐泡排剂在矿场试验中的日均增气量35.2%［30］。赖崇伟等［31］采用复配方式得到了一种新型聚合物型抗盐起泡剂，该起泡剂在矿化度75 g/L下具有较好的泡沫性能，当地层水矿化度增至200 g/L、起泡剂质量分数小于1%时，泡沫高度仍达90 mm，携液体积仍达70%；起泡剂质量分数大于1%后泡沫高度则达190～250 mm，3 min后泡沫高度仍达210～350 mm，携液体积也达80%。Kuzielová等［32］在复配的基础上再植入生物菌株，制得一种生物菌株式起泡剂，抗盐可达650 g/L，在矿化度650 g/L 的条件下，泡沫高度可达83.5 mm；倘若在该起泡剂中再添加一种发酵液，泡沫的高度可增至129 mm，起泡剂的起泡能力和稳泡能力均大幅度增强。

3.3 耐酸碱型起泡剂

随着pH 的升高，起泡剂的起泡高度、泡沫稳泡性、泡沫携液量先增加后持平再减小，当pH维持在6.78～7.9时，起泡剂的性能最好，原因是在强酸、强碱溶液条件下，H+、OH-会影响起泡剂的电离作用［33］。因此，针对特殊类型的酸性、碱性气藏泡沫排水，需要研究特定的起泡剂。

针对具有酸性特征的储层，具有缓蚀作用的起泡剂较为适用。Naden等［34］合成了新型聚酯类起泡剂，当起泡剂质量浓度为1.5 g/L 时，在矿化度0～293 g/L 的地层水中的泡沫高度大于185 mm，3 min后泡沫高度大于165 mm，15 min 后携液量大于152 mL，腐蚀速率低于0.0076 mm/a，缓蚀率大于80%。在碱性介质中，Wang等［35］研制的异构长链烷基两性氧化胺起泡剂耐温85 ℃，抗盐160 g/L，携液体积58.3%，泡沫高度172 mm，现场气井应用中产气量增加26.7%。若要使泡沫在酸性和碱性环境中均较稳定，也可以采用化学复配的方式。周侗［36］以甜菜碱、十二烷基硫酸钠等为原料，复配得到复杂网状结构的耐酸碱型起泡剂的配伍性较好，适用于酸性、碱性等多种类型的气藏泡沫排水。

3.4 抗H2S型起泡剂

气井中若含有一定浓度的H2S，则会产生很强的腐蚀性。H2S腐蚀以电化学腐蚀为主，H2S溶于水中后易电离呈酸性，酸可使气井管壁形成电化学腐蚀，造成管壁减薄、局部点蚀穿孔等问题，故需要在含H2S的气井中加入缓蚀剂。缓蚀剂多数为油溶性的，而油溶性的物质又具有消泡作用，不利于泡沫形成，影响泡沫排水的效果［37］。因此，所研发的起泡剂需要具有抗缓蚀性能，或者起泡剂与缓蚀剂要具有配伍性。

刘竟成等［38］以烷基化两性咪唑啉衍生物、钙镁离子络合剂以及高分子稳泡剂为原料，经络合反应配制的高分子抗H2S 型起泡剂的起泡能力、泡沫稳定性均较好，与不含H2S时的测定结果相比，该起泡剂在饱和H2S水中的起泡能力和泡沫稳定性基本不变，在70 ℃、含H2S的水中，1 g/L起泡剂可以使N80钢级钢片的腐蚀速率下降93%。赵朝文等［39］采用同样的络合方法和原料，不同的配方得到了另一类高分子起泡剂，该起泡剂在含H2S 的池061-1 井中，当质量分数为1.5‰时，携液体积达82.75%，仅一个月就增产天然气7.5×104m3，取得了显著的增产效果，并且起泡剂发泡能力、携液率、与地层流体的配伍性好。

3.5 抗凝析油型起泡剂

对于含凝析油的气井，现有起泡剂的排液效果较差。随着凝析油含量的增加，起泡剂的起泡性能和稳泡性能均下降，对于油含量较高的井，采用普通起泡剂排液基本无效。普通起泡剂与凝析油在搅动的过程中会发生乳化作用，形成稳定的乳液，只有多余的未乳化的起泡剂才能与地层水发生起泡作用。此外，凝析油的强消泡作用会制约起泡剂的起泡性能，影响其携液能力，故排液效果很不理想［40］。

一般羧酸酯类化学药剂具有抗油特征，陈雅溪等［41］研究发现，羧酸酯起泡剂的泡沫高度为15.4 cm，3 min 后泡沫高度11.8 cm，携液量60 mL/15 min，耐温90 ℃，将其应用在川渝地区2口凝析油质量含量大于50%的气井中，平均单井产气量增加40%。张太亮等［42］以马来酸酐、十二醇、水杨酸摩尔比为1.2∶1∶1、甲基苯磺酸质量用量3%，复配得到的水杨酸盐型起泡剂，当凝析油质量分数达25%、起泡剂用量3000 mg/L 时，表面张力20.9 mN/m，泡沫高度12.6 cm。

4 存在问题与发展趋势

目前，针对耐温型、抗盐型、耐酸碱型、抗H2S类型、抗凝析油等新型起泡剂的研究已经颇为深入，并取得了一定的认识。近几年，随着天然气勘探与开发力度的加强，部分气田的开采条件越来越苛刻，因此，部分学者还依据气藏或气井的特殊需要，研制了耐Ba2+型起泡剂、低压低产气井起泡剂、抗醇型泡排棒等。蒋泽银等［43］针对高Ba2+气藏，研制了脂肪烃基高分子起泡剂，在7 口井的泡沫排水矿场试验结果显示气井平均产气量增加2.79×104m3/d。李小可等［44］针对川渝地区低压、低产气井泡沫排水，研制了碳酸氢盐型起泡剂，该起泡剂起泡能力强、泡沫稳定性好、携液能力强、配伍性好，泡沫高度9.6 cm。彭磊［45］针对含醇气井研制的树脂类泡排棒具有较好的抗醇性，将泡排棒应用在榆林气田泡沫排水，当油套压差小于2 MPa 时，携液体积为63%。

目前，气田使用的起泡剂量都比较大，投入成本较高，生产气井的深度几千米，如果起泡剂产生的泡沫的稳定性不好，泡沫还没达到井口就会破裂，导致原本携带的液体重新落回井底，不能达到泡沫排水的目的［46］。李佳欣等［47］合成了在井筒内可反应生成气体的碳酸盐型高效自生气起泡剂，该起泡剂对矿化度不敏感，携液体积可达53.5%，泡沫高度可达85 cm，半衰期增长10～19 min。瞿超超等［48］研究发现，无污染咪唑啉碳酸氢盐起泡剂质量分数为0.2%时，泡沫体积达1000 mL。

总的来说，新型起泡剂在一定程度上解决了气藏或气井的特殊需要，满足了其对温度、矿化度、酸碱性、抗H2S、抗凝析油、耐Ba2+型、低压低产、抗醇性等条件的要求。但一般情况下，新型起泡剂的合成过程较为苛刻，需严格控制各步的合成温度、合成时间，以及各成分的用量［49］。多数新型起泡剂的制备工艺不成熟、成本仍相对较高、适用范围不太明确，各项技术指标均需进一步落实和提高［50］。新型起泡剂一般气田应用较少，很多起泡剂的性能和稳定性还存在一定的争议性，部分起泡剂产生的泡沫的稳定性不好，泡沫还没达到井口就破裂，部分起泡剂的泡沫稳定性太好，导致泡沫进入分离器，给气体的集输带来影响，需要加入消泡剂进行处理。未来，随着人们对效益、环境的要求，国家大力倡导低碳绿色能源，开发利用价格低、环保的天然气。油田企业需要承担环境保护的重担，在实际的生产工作中既重视对绿色油田的建设需求，又要保证正常的经济收益，高效低成本类型起泡剂、环保可回收类型起泡剂也将成为攻关的热点。

5 结论

非离子型起泡剂抗盐性好，但起泡能力差；离子型中的阴离子型起泡剂价格适中，但抗盐性差；离子型中的阳离子型起泡剂抗盐性好，但不易工业化推广；两性型起泡剂性能较好，但合成成本较高。

对于高温、高盐、酸性或碱性、含H2S、含凝析油等条件较为苛刻的气井排水，新型起泡剂既弥补了性能上的不足，又解决了价格昂贵的问题，适用性较好；但存在制备工艺不成熟，气田应用较少，很多起泡剂的性能和稳定性，还存在一定的争议性等问题。随着石油行业的发展，以及对效益、环境的要求，高效低成本及环保可回收类型起泡剂等，是未来研究的热点。