排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展*

2023-09-01王超

化学工程师 2023年8期

王超

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西榆林 718599）

气井泡沫排水是单井提产的一项关键举措，其排液原理是通过油套管将泡排剂打入井筒，泡排剂与井筒积液接触后，利用自身的起泡性能，将气层上方的积液转变为低密度含水气泡。由气流通过生产油管携带至井口而采出，进而实现排水采气。当前泡沫排水采气已在国内各个气田中广泛应用，且获取了一定的经济效益[1]。但由于相关技术条件的制约，不同泡排剂或多或少都存在一定的缺陷和不足，目前，国内关于泡排剂应用的系统性报道不多[2]。

1 传统泡排剂技术体系

1.1 阴离子泡排剂

阴离子泡排剂具有制作流程简易、投入成本低及危害程度低等特点，加之水溶性和起泡性能强，经过多年的革新和发展，目前已实现工业化普及和应用。Abdulrauf 等[3]以磺酸基团、直链烷烃为主剂，获取了耐温型阴离子泡排剂，该试剂在130℃的高温下仍可保持优异的起泡性能。屈鸣等[4]制备了阴离子磺酸盐泡排剂，经研究表明，将其与长链烷基溴化铵复配后，可显著增大泡排体系的半衰期，同时大幅提升泡排剂的耐久性。综合来看，阴离子泡排剂在起泡效果、抗温、耐久性等方面都存在较大的优势，但由于体系中富含易与储层中的Ca2+、Mg2+作用生成沉淀，起泡性能锐减。

1.2 阳离子泡排剂

相比阴离子泡排剂，阳离子泡排剂的研究历程较短，相关的研究和报道不多，多见于高矿化度气藏。周永锋等[5]提出了新型铵盐阳离子泡排剂，通过对其性能的研究得出，泡排剂的最优起泡浓度为2.0g·L-1，且具备良好的缓蚀性和耐盐性。Saeid 等[6]以Na2CO3、丙二胺及C3H8O 为原料，制备了双酰胺基阳离子泡排剂，经性能评价实验表明，在25℃下，质量浓度仅为0.5g·L-1便可大幅提升体系的起泡性。阳离子泡排剂的核心材料主要为有机胺衍生盐，兼具灭菌抗盐等多项功能。但由于极性阳离子极易受体系pH 值的影响，一旦用量过度便会加剧油水乳化，需严格把控泡排剂的加注量。此外，受制备原料稀缺、合成工艺繁杂及投入成本高等因素的影响，极大限制了其工业化应用的步伐，在国内各大气田中活跃度不高。

1.3 两性离子泡排剂

两性离子泡排剂兼具阴、阳离子泡排剂的双重优势，能够结合体系的pH 值，灵活发挥自身的阴、阳离子性能。同时，该类型泡排剂具有很强的吸附性，能够大量捕获邻近的电荷，形成一层致密的电子层，可有效防止泡沫发生破裂，大大提升其耐久性。Ner 等[7]以多聚甲醛、酚磺基为原料，制备了甜菜碱双性离子泡排剂，经研究发现，该泡排剂虽耐温性好、半衰期长，但由于制备工艺复杂，加之对反应条件的要求苛刻，应用性价比不高。马腾飞等[8]为解决高温、高盐气井排采难度大的问题，研制了Gemini两性离子泡排剂，研究发现，在温度为180℃、矿化度为25g·L-1的环境下，起泡体积和半衰期高达1780mL 和632s，可有效满足高温、高盐困难气井的泡排施工要求。两性离子泡排剂不仅耐温性强、适用范围广，且无毒、不易发生分解，在排水采气应用方面优势性显著，但仍面临制备成本高、起泡性能差等技术壁垒，距大规模推广和应用仍有相当长的一段路要走。

1.4 非离子泡排剂

非离子泡排剂能够高比例溶解于冷水中，呈胶束状存在。且起泡特性不受盐度、pH 值的影响，具有耐腐蚀、强自适应性及难乳化等特点，受到业内诸多专家和学者的关注。刘泽晖等[9]为研究盐度对非离子泡排剂的影响，开展了相关实验，得出当体系中的盐度增加时，非离子泡排剂的泡沫液膜也相应变厚，进而包裹更多的盐离子，大幅提升体系的稳定性。李居龙等[10]制备了聚氧乙烯基型非离子泡排剂，发现该泡排剂在冷水中不易分解，半衰期基本不受地层水盐度的影响，但温度过高时起泡性能和半衰期显著下降。非离子泡排剂虽抗盐耐腐性强，但却存在起泡性能低、不耐高温等难题，因此，其多与其他抗温型起泡剂联合使用。

1.5 高分子聚合物泡排剂

高分子聚合物泡排剂中富含高相对分子质量亲水憎水基团，在高温、高盐环境下，仍能保持良好的泡沫稳定性。国内外研究者针对其开展了大量探究，如美国Calgon 研制的丙烯酰胺-聚氧乙烯醚共聚物，Alliance 气田开发的烯烃磺酸钠-甲酸复配型泡排剂等[11]。Mina 等[12]以BF3、乙醚为原料，聚合获取了共聚物泡排剂，经研究发现，该试剂的CMC 随体系盐度的上升而降低，表明该试剂具有较强的耐盐性。高分子聚合物泡排剂拥有独特的技术优势，被广泛应用于国内外各大气田。但也并非十全十美，经研究发现，当体系中的盐度大于178g·L-1时，该泡排剂的携液性能锐减，如何研发出更强的耐盐共聚物是该领域未来的主攻方向。

1.6 复合型泡排剂

人们通过大量实践经验得出，单一的泡排剂效果都不好，只有克服不同泡排剂的局限性，研发出复合型泡排剂才能有效发挥排液效果。王维恒等[13]针对磺酸盐耦合型泡排剂的泡沫性能进行了研究，发现与单一阴离子、非离子泡排剂相比，该试剂兼具良好的耐腐性与携液能力。吴秋伯等[14]针对高矿化度气井排液难度大的难题，优选了新型耦合型泡排剂，结果显示，复配后的复合泡排剂携液率提升了30%，排水效果得到显著提升。Wu 等[15]以n（胺丙基甜菜碱）∶n（月桂酰）=4∶1 为配方，合成了双元耦合型泡排剂，经性能评价实验得出，该泡排剂的配伍性远大于单一胺丙基甜菜碱泡排剂，缓蚀率高达82%。复合型泡排剂克服了不同单一泡排剂的缺陷，适用于高温、高盐等复杂储层环境的气井排水采气。但由于体系是多项泡排剂子技术的耦合，仍存在许多实际问题需要解决。

综合以上研究，传统泡排剂虽在不同领域各具特色，但实际应用过程中却存在不少受限因素和技术瓶颈，亟需研发新型泡排剂以满足现场排液的需求。

2 新型泡排剂在气田开发中的应用研究进展

随着国内常规气藏产能的不断衰减，人们逐渐将目光转移到致密气、页岩气等非常规气藏。非常规气藏地层非均质性强且储层致密，排采施工难度较大，迫切需要新型泡排剂以辅助气井提产稳产。当前已报道的新型排采泡排剂主要有抗H2S、抗凝析油、耐酸碱、抗甲醇、环保耐温抗盐及纳米颗粒固态泡排剂等。

2.1 抗H2S 型泡排剂

多数下古气藏都富含一定浓度的H2S，H2S 溶于地层水后呈强酸性，与井下管材长期接触后，会形成严重的电化学腐蚀。气田开发技术人员常采用加入缓蚀剂的方法，弱化H2S 造成的腐蚀问题。但国内常用的大多数缓蚀剂为油溶性试剂，具有较强的消泡作用，会逆向影响排水采气的效果。在此背景下，抗H2S 泡排剂应运而生，该泡排剂不仅具有很强的抗腐蚀性，还可与不同缓蚀剂进行配伍，最大化发挥自身的排液性能。

蒋一欣等[16]以稳泡剂、络合剂为引发剂，合成了一种高分子抗H2S 泡排剂，该泡排剂在高浓度H2S 体系中仍可保证较高的发泡性和强稳定性。刘通等[17]采用络合法制备了一种高分子泡排剂，将其应用于X-1 下古气井，结果表明，当泡排剂浓度达到1.6%时，携液率高达85%，应用后仅1 个月增产气即可达8.5×104m3。总体来看，抗H2S 泡排剂可在很大程度上解决下古气井中H2S 造成的负面效应。但由于受合成工艺不成熟、适用范围有限等因素的影响，后续仍需加强对抗H2S 泡排剂各项指标的补充和完善。

2.2 抗凝析油泡排剂

凝析油是气井开发中常见的一种产物，对于高含油气井，常规泡排剂基本无用武之地。原因在于凝析油与泡排剂接触后，会发生乳化效应而生成乳化液，使泡排剂的排液性能失效。孙玉鹏等[18]针对羧酸酯泡排剂的抗凝析油性能开展了研究，将其应用于川南页岩气田2 口高含油气井，结果显示，引入该泡排剂后，2 口单井的月平均气量增加了38%。瞿超超等[19]以甲醇、水杨酸及苯磺酸为主剂，制备了水杨酸盐泡排剂，经性能评价实验得出，在凝析油含量高达30%的体系中，泡排剂用量仅为2000mg·L-1，泡沫高度便可高达12.6cm。抗凝析油泡排剂可有效弥补常规泡排剂遇凝析油失效的技术短板，是当前排采用泡排剂的发展主流。

2.3 耐酸碱型泡排剂

酸碱度也是制约泡排剂性能的主要指标，pH 值过高或过低都会对其排采效果产生一定的不利影响。经大量实践证明，pH 值在6.8~8.0 之间时，泡排剂的排液性能最佳。原因是高浓度的H+、OH-离子会导致泡排剂的电离作用失效，大幅弱化其排液能力，故急需研发特定的泡排剂以适用于高酸、强碱气井的开发。郭秀鹏等[20]经化学复配制得了一种新型聚酯类泡排剂，该试剂在强酸环境下，携液量仍可长期保证165mL 以上，腐蚀速率可降至0.001mm·a-1以下。任屹等[21]以氧化胺、甜菜碱及烷基硫酸钠为原料，合成了一种耐酸碱型泡排剂，可适用于多种类型的酸性、碱性气田。耐酸碱型泡排剂可有效解决酸性、碱性气田排水条件苛刻的瓶颈，但由于研发成本较高，发展进程相对滞后，所以如何实现低成本化生产成为今后耐酸碱型泡排剂的主要研究方向。

2.4 耐盐耐温型泡排剂

地层水矿化度主要会对离子型泡排剂的性能产生影响，富含高浓度离子的地层水一旦与泡排剂接触，会显著降低其双电子层的斥力，打乱泡沫膜表面的电荷分布，加速泡沫变薄、甚至破裂。此外，高温储层也会导致非离子型泡排剂的浊点减少，大大弱化其耐久性。周侗等[22]制备了一种新型聚合物抗温抗盐泡排剂，在苏里格气田高矿化度气区的现场实验中发现，该泡排剂具有高盐高温适用性，应用后井均产量可增加36%。武俊文等[23]提出了一种微生物泡排剂，在660g·L-1、150℃的高盐高温环境下，泡沫高度可达82mm，将其与发酵液进行联合使用后，泡沫的高度可增至130mm，且过程中稳泡性能长期有效。抗温抗盐型泡排剂具有应用范围广、耐盐耐温、自适应强等多重优势，应用前景广阔。

2.5 抗甲醇型泡排剂

在冬季保供期，甲醇是有效保证气井生产的关键试剂，其对泡排剂性能的影响具有双面性。经研究表明，甲醇浓度为30%时，泡排剂的应用效果最好，而甲醇浓度过高或过低时，皆不利于发挥泡排剂性能的发挥。赖小娟等[24]以氧化铵、特种活性剂为引发剂，合成了一种新型泡排剂（FHG-1），经泡排剂性能评价得出，该试剂在含醇量低于30%的配液中仍具有良好的起泡性能，可有效应用于冬供期间气井的排液。Robson 等[25]采用正交实验法，对泡排剂进行最优化配比，得到了优异的抗醇型泡排剂（LYB-1），实验结果表明，LYB-1 不仅能够与地层水发生自适应配伍，同时兼具较强的抗油、抗甲醇性能。在排水采气领域，甲醇通常被列入不友好试剂的名单，研制出可与甲醇自适应配伍、经济高效的抗醇型泡排剂是未来该行业的主攻方向。

2.6 纳米颗粒固态泡排剂

纳米固体颗粒泡排剂是一种新兴的智能泡排技术，通过向常规泡排剂中加入纳米粒子进而形成固态泡排剂。其不仅可吸附于两相界面形成致密的“固体膜”，同时纳米颗粒还可起到防止气体扩散的作用，能够有效抑制泡沫的聚并和歧化，大幅改善常用泡排剂的稳定性和耐久性。熊春明等[26]开展了纳米粒子与传统泡排剂排液效果对比实验，结果发现，前者的耐温、耐盐、抗油等性能明显优于后者。张双双等[27]将改性接枝后的纳米SiO2粒子引入到普通泡排剂中，并应用于蜀南气矿开发现场，结果显示，固态泡排剂的起泡体积和半衰期大幅升高，且在高温高矿化度下仍能具备良好的稳定性和起泡性。从多方面考虑，纳米固体颗粒泡排剂都具备明显优势，但由于受相关技术条件的限制，该泡排体系尚处于实验验证阶段，与实际应用还有很长的距离。