雅克拉采气厂耐温抗盐甜菜碱型泡排剂的研发

2023-03-20孙同成

化工管理 2023年7期

孙同成

(1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011；2. 中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011)

0 引言

在天然气井开采过程中，边水、底水的推进会导致井筒内不断积水，进而造成油气井的井底出现严重积液的现象[1]。

目前雅克拉采气厂90%以上的气井均出现井底积液现象，严重影响了油气田的开发和生产。排水采气的工艺方法有优选管柱排水采气、泡沫排水采气、气举排水采气等，在众多的排水采气工艺方法中，最常用的处理方法是向气井中添加泡排剂进行泡沫排水采气[2]。泡沫排水采气是针对产水气田开发而研究的一项助采工艺技术，具有成本低、操作方便、适用井身范围大、不影响气井正常生产、廉价高效等优点[3-4]。制备一种在高温、高矿化度的苛刻工况条件下仍具有良好泡沫性能的泡排剂尤为重要。

本文研究了雅克拉采气厂的现场水质，并对气藏情况进行深入的了解，通过室内实验研制出了一种抗高矿化度且具有较好的耐温性能的高效气井泡排剂11-TUBSNa，并考察了不同条件下泡沫的稳定性，深入研究了泡沫排水采气机理。

1 实验部分

1.1 评价方法

实验按照标准 SY/T 6465—2000 《泡沫排水采气用泡排剂评价方法》和 GB/T 7462—1994 《发泡力的测定》对泡排剂的性能进行评价。ROSS-Miles法(所用仪器称为罗氏-迈尔斯泡沫仪)在1941年发明后，被长期作为评价泡排剂发泡能力和泡沫稳定性的标准。试验时，使200mL试液从高900 mm、内径2.9 mm的毛细管中自由流下，冲击盛放在刻度管中的同种试液后产生泡沫，在刻度管内发生泡沫活动，以200 mL试液流经 0 min和5 min时的泡沫柱高度分别代表泡排剂的发泡能力和泡沫的稳定性。

1.2 雅克拉采气厂现场水样分析

现场水样中Ca2+、Na+含量较高，总矿化度为17.4万左右。如表1所示，由于地层水的矿化度大小对泡沫性能影响很大，针对雅克拉采气厂地层水样矿化度高的特点，要求所制备的泡排剂必须有特别好的抗盐性能，才能够很好地抑制Ca2+、Mg2+等对起泡高度和稳泡能力的影响。

表1 现场水样矿化度

2 实验结果与讨论

2.1 泡排剂的优选

为研究表面活性剂之间的复配效果，将合成的三种甜菜碱类表面活性剂进行复配，通过反复实验，评价复配体系的泡沫性能，最后获得6种配方(表2)。其中1、2、3 号是单一的表面活性剂，而 4、5、6 号样品是以三种表面活性剂作为主剂，以SDBS作为助剂，按照1.0∶1.2的比例进行复配得到的样品。

表2 泡排剂主剂、助剂及复配比

对不同配方的泡排剂进行优选，结果如图1所示。

从图1可以看出，三种复配后的泡排剂相较于成分单一的泡排剂，起泡能力和稳泡能力都具有显著的提高。一方面是因为甜菜碱与阴离子表面活性剂复配后通常能够起到协同效应，使体系泡沫稳定性提高。另一方面是由于SDBS含有磺酸基，具有更好的耐温抗盐效果。以上实验结果证明三种复配后的泡排剂耐盐性均显著提升，其中样品4的性能最为优异，故后续泡沫性能评价实验均用样品4进行。

图1 六种样品在现场水样中的衰变曲线

2.2 抗盐性能评价

研究Ca2+、Mg2+对复配体系泡沫性能的影响结果如图2所示，其中图1(a)为不同浓度盐溶液中泡沫的衰变曲线，图1(b)为不同盐溶液浓度下对应的起泡高度和泡沫半衰期。从图1(a)中可以看出，随着无机盐浓度升高，泡沫的衰变曲线逐渐变缓，即对应着图b中泡沫的半衰期时间逐渐延长。当盐浓度为3.2 mol/L时，泡沫的衰变曲线出现了平台区，泡沫半衰期达到最大值，继续增大盐浓度，泡沫稳定性降低。这是由于甜菜碱和季铵表面活性剂形成复配体系的协同作用，甜菜碱表面活性剂分子中的磺酸根亲水头基能与Ca2+、Mg2+形成配合物，在气液界面形成吸附层导致相互作用加强，分子之间的电性排斥力减弱，使吸附在气液界面的分子数量增多，泡沫液膜变的更厚，泡沫更稳定。进一步提高盐浓度，这种作用会被破坏，导致泡沫稳定性下降。

图2 Mg2+、Ca2+盐对泡排剂样品4泡沫性能的影响研究

Na+、K+对复配体系泡沫性能的影响如图3所示，图3(a)为不同浓度盐溶液中泡沫的衰变曲线，图3(b)为不同浓度下对应的起泡高度和泡沫半衰期。从图中可以看出，相比于 Ca2+、Mg2+盐对体系的影响，Na+、K+对泡沫稳定性的影响更大。主要表现为，泡沫的衰变曲线随着盐浓度的增大斜率逐渐变大。在稍低浓度盐溶液时，曲线的变化程度较缓，而当盐浓度大于1.6 mol/L时，曲线斜率变化程度较大，相应起泡的高度以及泡沫半衰期持续下降。这主要是因为相较于Ca2+、Mg2+，Na+、K+更倾向于在液相中，当表面活性分子形成双电层结构时，Na+、K+干扰了双电层之间的静电斥力，使液膜的排水速度加快，降低了泡沫的稳定性。

图3 Na+、K+盐对泡排剂样品4泡沫性能的影响研究

图4为样品4在不同盐溶液中表面张力的柱状图。对于表面活性剂来说，降低表面张力能力越强，表面活性剂在气液界面的分布就越稳定和密集，产生的泡沫也就越稳定。从图4中可以看出，在Na+、K+盐中，随着盐浓度的升高，表面张力值持续上升，说明Na+、K+对于表面活性剂降低表面张力的能力影响较大。造成这种现象的原因是Na+、K+干扰了表面活性剂分子在气液界面的分布。而对于Ca2+、Mg2+盐而言，在盐浓度小于3.2 mol/L时，表面张力值变化不大，说明体系具有较好的耐Ca2+、Mg2+盐的作用。另外体系中分子所含有的亲水头基能与Ca2+、Mg2+形成配合物，使吸附在气液界面的分子数量增大，有利于降低表面张力值，使泡沫更稳定。结合实验结果，泡排剂样品4的抗矿化度最高可达2.1×105mg/L。

图4 泡排剂在不同盐溶液中的表面张力

2.3 耐温性能评价

研究温度对泡沫性能的影响，携液率是重要的参数。图5为样品4的携液率曲线，σ/σ0表示的是瞬时电导率与停止通气时电导率的比值，σ/σ0的比值越高，证明此时携液量越大。当σ/σ0的下降速度越快，表明析液速率越快，泡沫的携液能力越差，泡沫稳定性也相对较差。从图中可以看出，在温度低于70 ℃时，析液速率下降较慢，泡沫的稳定性较好。当温度超过90 ℃时，电导率下降到0只需要1 500 s，说明高温对于体系的析液速率影响较大，但相比于单一的表面活性剂SDBS仍然有较好的携液能力。这是因为复配起泡剂的协同作用，使表面活性剂分子在液膜的排列更紧密，使液膜厚度更大，可以储存更多的水分子，降低液膜析液速率，同时甜菜碱中的亲水头基间静电斥力较弱，能使更多的水分子分布在头基附近，使泡沫的携液能力更强。实验证明泡排剂最多能抗温至120 ℃。