排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展.pdf

化学工程师Sum335No.8ChemicalEngineerDO1:10.16247/ki.23-1171/tq.20230876综述2023年第8 期排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展*王超（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西榆林7 18 599）摘要：本文详细介绍了传统气田泡排剂的体系概况，着重综述了抗H2S、抗凝析油等新型泡排剂在气田开发中的应用进展，剖析对比了不同泡排剂的技术优缺点，并指出其在理论、技术、经济及实用性等领域面临的挑战，最后提出了从国际合作、学科交叉及理论实践并举3个方面出发，共同推进泡沫排采技术产业化推广和规模化应用的建议。关键词：排水采气；传统泡排剂；抗凝析油泡排剂；纳米颗粒泡排剂；技术优势中图分类号：TQ314/TE39Research progress of bubble discharge agent for drainage gas production in gas field development*(The First Gas Production Plant,PetroChina Changqing Oilfield Branch,Yulin 718599,China)Abstract:In this paper,the system of traditional bubble discharge agents in gas fields is introduced in detail,and the application progress of anti-Hzs and anti-condensate foaming discharge agent in gas field development isemphatically reviewed.The technical advantages and disadvantages of different foaming discharge agents areanalyzed and compared,and the challenges in the fields of theory,technology,economy and practicality are alsopointed out.Finally,some suggestions are put forward to promote the industrialization and large-scale application offoam drainage technology from three aspects:international cooperation,interdisciplinary and theory and practice.Key words:drainage gas production;traditional foaming discharge agenti anti-condensate foaming dischargeagent;nanoparticle foam discharge agent;technical advantages文献标识码：AWANGChao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人井筒，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111。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12 1。1传统泡排剂技术体系1.1阴离子泡排剂收稿日期：2 0 2 2-10-2 4基金项目：中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司科研技术攻关项目（DEYQC-2019-380)作者简介：王超（1994-）,男，陕西西安人，汉族，助理工程师,2 0 16 年毕业于西安工程大学测控技术与仪器专业，大学本科，目前主要从事气田开发及增产领域的工作。阴离子泡排剂具有制作流程简易、投人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13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141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SO，易与储层中的Ca2+、M g 2 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15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2.0gL-1,且具备良好的缓蚀性和耐盐性。Saeid等16 12023年第8 期以Na2CO3、丙二胺及CH:O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2 5下，质量浓度仅为0.5gL-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丙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 1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18 1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18 0、矿化度为2 5gL-1的环境下，起泡体积和半衰期高达1780mL和6 32 s，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191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 1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高高分子聚合物泡排剂王超：排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展*77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112 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17 8 gL-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113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1141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15I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8 2%。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，呕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。782.1抗H2S型泡排剂多数下古气藏都富含一定浓度的H2S,H,S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人缓蚀剂的方法,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116 1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 1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8 5%，应用后仅1个月增产气即可达8.510 m。总体来看，抗Hzs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 1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，引该泡排剂后，2 口单井的月平均气量增加了38%。瞿超超等1191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2 0 0 0 mgL-1,泡沫高度便可高达12.6 cm。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*、O H-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12 0 1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,携液量仍可长期王超：排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展*2023年第8 期保证16 5mL以上，腐蚀速率可降至0.0 0 1mma以下。任屹等12 1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12 2 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(2 3提出了一种微生物泡排剂，在6 6 0 gL-1、150 的高盐高温环境下，泡沫高度可达8 2 mm,将其与发酵液进行联合使用后，泡沫的高度可增至130 mm，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!2 41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2 51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2023年第8 期泡排剂的稳定性和耐久性。熊春明等12 6 1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12 7 1将改性接枝后的纳米SiO2粒子引人到普通泡排剂中,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Tab.1 Comparison of technical characteristics of foaming discharge agents for different drainage gas production泡排剂类型传统泡排剂阴离子泡排剂阳离子泡排剂两性离子泡排剂非离子泡排剂高分子聚合物泡排剂复合型泡排剂新型泡排剂抗H2S型泡排剂抗凝析油泡排剂耐酸碱型泡排剂耐盐耐温型泡排剂抗甲醇型泡排剂纳米颗粒固态泡排剂4结语现阶段，我国已形成了多种适用于不同储层类型的气井泡沫排水采气技术，在气田开发领域中的应用已初具规模。但仍存在传统泡排剂适用范围有限、新型泡排剂实用性低、研发成本高等技术瓶颈，有许多关键技术需要突破。建议从不同角度出发,多管齐下，共同推进我国泡沫排水采气技术的有序发展。（1)加强国内外合作，充分借鉴国外先进的泡排技术,取长补短，构建适合本国气田现状的泡排技术体系。（2)深化多学科融合，集成有机化学、材料学及微观分子学等多门学科，研发多功能型泡排剂以满足不同气田开发现场的需要。（3)理论与实践并举,加强对泡排剂的理论分析和实用评价，室内实验和现场实践两手抓，共同推进我国泡沫排采工艺迈向新的高峰。王超：排水采气用泡排剂在气田开发中的研究进展*表1不同排水采气用泡排剂技术特点对比优点制作流程简易、投人成本低生物降解性强、灭菌适用范围广、无毒抗盐、耐腐性强抗矿化度能力强可克服不同泡排剂的局限性解决气井中H2S的负面效应弥补常规泡排剂遇凝析油失效的缺陷应用范围广自适应强有效辅助气井冬季正常生产兼具抗温、抗盐、抗油等多重优势1李祖友，唐雷，殷鸿尧，等.川西老区中浅层新型泡排药剂研发与应用J.西南石油大学学报（自然科学版),2 0 2 2,44(3):17 6-18 7.2田雨露，王纪伟，李加玉，泡沫排水用起泡剂的应用进展J.油田化学，2 0 2 1,38（2）：36 8-37 3.3Abduirauf R.Sequential storage and in-situ tracking of gas in geo-logical formations by a systematic and cyclic foam injection-A usefulapplication for mitigating leakage risk during gas injectionJ.Jour-nal of Natural Gas Science and Engineering,2019,62(1):1-124屈鸣，侯吉瑞，闻宇晨，等.阴非阴离子型起泡剂协同增强泡沫耐盐性J.油田化学，2 0 19,36（3):50 1-50 75 周周永锋，罗溪梅，林起，等.四种阳离子捕收剂的起泡性能与表面张力研究J.昆明理工大学学报（自然科学版）,2 0 2 0，45(3):39-44.6Saeid G,Sohrab S,Jorgede B.Using statistical analysis and labora-tory testing to evaluate the effect of magnetized water on the stabilityof foaming agents and foam concreteJ.Construction and BuildingMaterials,2019,207(2):28-40.7 Ner A,Sahrim A,Ruey S,et al.Effect of processing temperature andfoaming agent loading on properties of polylactic acid/kenaf fibercomposite foamJ.Materials Today,2019,7(2):601-606.8 马腾飞,周宇，李志勇，等.新型低伤害高性能微泡沫钻井液性能评价与现场应用J.油田化学，2 0 2 1,38（4)：57 1-57 9.(下转第96 页）79验验证阶段，与实际应用还有很长的距离。3技术特点对比近年来，国内外学者对泡沫排采技术开展了大量研究，泡排辅助排液法正朝着多元化模式发展，各种新型泡排技术蔚然成风，在推动气田开发排液增产领域发挥着举足轻重的作用12 8 1。不同泡排剂在适用范围、应用效果及经济性等层面各有特色,其各自的技术优缺点见表1。易形成沉淀制备原料稀缺、合成工艺繁杂制备成本高、起泡性能差起泡性能低、不耐高温耐温性差涵盖子技术较多合成工艺不成熟、适用范围有限多价格昂贵，推广应用难度大研发成本较高发展进程相对滞后需严格把控甲醇的浓度相关限制条件较多参考文献缺点96Tab.3Experimental data of continuous distillation process实验乙腈含水乙睛含量乙腈回收率萃取剂损失次数/%10.2720.2030.25由表3可见，连续精馏塔顶气态乙腈含量均高于9 9%，并经二氯甲烷萃取后回收，乙腈回收率均高于8 5%，萃取剂损失约15%。这是由于二氯甲烷汽化潜热小，大大降低了连续精馏分离乙腈和萃取剂的能耗。3结论本文探讨了萃取精馏技术在回收乙腈废水中的应用，选取二氯甲烷为萃取剂，选择离心萃取的方式,研究了连续精馏工艺中乙睛回收率、萃取剂的损失等。综合分析，萃取精馏技术能耗较低，节能环保，更适用于乙腈-水体系的分离。王欢等：新型萃取精馅回收废水中乙睛工艺技术表3连续精馏工艺实验数据/%/%99.58699.68899.3852023年第8 期参考文献1徐仁萍，乙睛回收新工艺J.天津化工，2 0 10,2 4（5)：35-37./%2穆光照.实用溶剂手册M.上海：上海科技出版社，1990.153李成帅等.萃取精馏隔壁塔三种等价模型分离乙腈水体系流17程模拟与优化J.天然气化工（c1化学与化工),2 0 2 1，46（3)：1894-99.4李忠杰.高纯乙腈精制工艺技术开发与应用J.石油化工,2 0 0 1,30(10):785-788.5许文友，乙腈水氟化钾及乙水碳酸钾液液相平衡数据的测定和关联J.化工学报，2 0 0 1,52（8）：7 42-7 456周金波.共沸混合物的间歇萃取精馏分离研究D.天津：天津大学化学工程研究所，2 0 0 57B.Vijaya Kumar Naidu,S.D.Bhat,M Sairam,et al.Comparison of thepervaporation separation of a water-acetonitrile mixture withzeolite-filled sodium alginate and poly(vinyl alcohol)-polyanilinesemi-interpenetrating polymer network membranes J.Journal ofApplied Polymer Science,2005,96(5):1968-1978.8 周金波，崔现宝,董炳利，等.间歇萃取精馏分离乙腈水体系J.化学工业与工程,2 0 0 9,2 6（6)：48 2-48 6.(上接第7 9页）9刘泽晖，陈蔚燕.非离子表面活性剂复配体系泡沫性的研究J.现代化工,2 0 2 2,42(2)：32 9-331;337.【10 李居龙，丁凤美,周翔,等.不同乙氧基链长香兰素基非离子表面活性剂的起泡性J.日用化学工业，2 0 19,49（7)：419-42 5.11董星彤，王向东，孙晓红，等.密度泛函理论在聚合物发泡领域中的应用研究进展J.中国塑料，2 0 2 1,35（7)：12 6-133.12Mina D R,Long X,Ali T,et al.Synergy of surface-treatednanoparticle and anionic-nonionic surfactant on stabilization ofnatural gas foamsJ.Colloid Surface A,2018,550:176-185.133王维恒，陆俊华，韩倩.二元复合型泡排剂cOG的研制及现场试验J.石油钻探技术,2 0 2 2,50（3)：119-12 4.14吴秋伯，郭东红，杨晓鹏，等.排水采气用起泡剂研究及应用进展J.精细与专用化学品，2 0 2 2,30（3)：1-6.15Wu J,Jia W,Zhang R,et al.The development and field test of highefficient foam unloading agent based on Gemini surfactant andnanomaterialsJ.Advances in Chemical Physics,2019,19(6):9-14.【16 蒋一欣，刘成，高浩宏，等.昭通国家级页岩气示范区泡沫排水采气工艺技术及其应用J.天然气工业，2 0 2 1,41(S1):164-170.17 文刘通，吴小丁，朱江，等.普光和元坝高含硫气田排水采气工艺实践J.石油机械，2 0 2 0,48（11)：8 4-8 9.183孙玉鹏，吴向阳，张颖，等.抗凝析油泡排剂SH-1的泡沫性能研究与应用J.应用化工，2 0 2 1,50（7)：18 6 7-18 6 9;18 7 4.【19 瞿超超，刘正中,殷鸿尧,等.新型排水采气用抗凝析油泡排剂J.石油学报,2 0 2 0,41(7):8 6 5-8 7 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