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第 2 9 卷第 1 l 期 天然气工业 高温对泡沫排水剂性能的影响 李 农 。 蒋华全。 曹世 昌。 缪海燕 罗远平。 谢 惠勇 1 ． 西南石油大学 2 ． 中国石油西南油气 田公司勘探开发研究院 3 ． 中国石油西南油气 田公司重庆气矿 4 ． 中国石化西南油气分公 司勘探开发研究院 李 农 等． 高 温 对 泡 沫排 水 剂 性 能 的影 响． 天 然 气 工 业 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 1 1 ) ： 7 7 — 7 9 ． 摘 要 随着越来越多的深层 气藏被发现， 其埋藏深、 地温梯度高和产 出地 层水 的f ．- j 题 ， 已经影响到气藏开发 中后 期甚 至 开 发初 期 气 井 的 正 常生 产 ， 降 低 了气 藏最 终 采 收 率 。针 对 该 类 气 藏 特 点 ， 对 温 度 造 成 泡 排 剂 性 能 变 化 作 了初步 的研究和探讨， 从温度 对泡沫稳定性、 表面活性剂 的起泡性、 表 面活性剂胶团聚集数的影响三个方面阐述 了温度对泡排剂性能的影响； 指 出温度对泡排剂的影响主 要表 现在 对主要成分表面 活性 剂的起泡性能、 稳泡性能 以及 分子结构三个方面 ； 提 出了高温下具有优 良性能 的泡排 剂要选 择热力学稳定性好 的、 亲水基 团尽 量位 于分 子 链的中段 、 分 子量不宜过 大而且具有低表面张力的离子型表 面活性剂的认识； 进 而研制 了在高温条件 下适 用的泡 沫排水剂一 一 KF S Y。实验结果验证 了该泡沫排水剂在高温条件下 的良好起泡和稳泡性能。 关键词 温度 泡沫排水剂 表面活性剂 分子结构 稳定性 排水 采气 研究 DOI ： l 0 ． 3 7 8 7 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 1 ． 0 2 4 泡沫排 水 采气 技 术是 四川 气 田应 用最 为 成熟 、 效果 最好 的排 水 工 艺l 1 ] 。随着 勘探 的不 断 发 展 和 深入 ， 越来越 多的深层气藏 被发 现 ， 例 如 大庆油 田的 火 山岩气藏 ， 四川 盆 地 的 飞仙关 组 、 长 兴 组 气 藏等 。 该类 气藏都存在埋 藏深 、 地 温梯 度高 的特 点 ， 还 存在 产 出地 层水 的 问题 ， 这影 响 到气 藏 开发 中后 期 甚 至 开 发初 期气 井 的正 常生 产 ， 以至降 低气 藏 的最 终 采 收率 ] 。针对上 述气 藏 的特 点 ， 对 温度 造 成 泡 排剂 性能 变 化进 行 了研 究 和探 讨 。对 于泡 沫 排 水 剂 来 说 ， 最关 心的是“ 起泡 力 ” 和 “ 泡 沫 稳 定性 ” 。因此 研 究温度 对泡沫排水 剂性能 的影 响实际 就是研 究 温度 对主要 成分表面 活性剂 的影 响和影 响程度 。 度 和表面膜强度 两个方 面来分 析影 响泡沫 稳定 性 的 主要 因素 。 表 1 温度 对 泡 沫性 能的 影 响 表 不同温度下的 起泡剂 泡沫参数 A B C D E 注 ： 基液为含质量分数 0 ． 5 发泡剂的水溶液体系。 1 温度对泡沫稳定性的影响 1 ．1 温 度对表面 张力的影 响 由于泡 沫是 热力 学 不稳 定体 系 ， 温度 升 高对 泡 沫稳定性有 较大影 响 。前人 已就温 度对 泡沫 稳定 性 的影响作 了一定 的研究 。 由表 1可 看 出 ， 随温度 升 高 ， 泡沫 质量 下 降 ， 半 衰期 明显缩 短 ， 体系稳 定性变差 。 泡沫破 坏 的过 程 ， 主 要是 隔开 气 体 的液膜 由厚 变薄 ， 直至破 裂的过程 。因此 ， 泡沫 的稳 定性 主要 决 定 于排液 的快慢 和液膜 的强度 。以下从影 响 液膜 厚 泡 沫生成时 ， 液体表面 积增加 ， 体 系的 能量也 相 应增加 ； 泡沫破坏 时 ， 体系 的能量 则相 应下 降 。同一 物质 的表面 张力 因 温度 不 同 而不 同 。温度 升 高 时 ， 物质膨胀 ， 分子 间的距 离增大 ， 同 时分子 的热 运动 也 加剧 ， 导致分 子 问 的 吸引 力减 弱 ， 故 表 面 张力 降低 。 当温度升 高到 接 近 临界 温度 时 ， 气一 液 界 面逐 渐 消 失 ， 表面 张力 趋于零 。 从 能 量观 点考 虑 ， 低 表面 张力 对 于泡 沫 的形成 作者简介 ： 李农 ， 1 9 7 4年生 ， 高级工程师 ， 硕士 ； 从事泡沫排水采气技术研究工作 地址 ： ( 6 1 0 0 5 1 ) 四川省成都市府青路一 段 1号 。 电话 ： ( 0 2 8 ) 8 6 0 1 5 5 5 3 。 E — ma i l ： l i n o n g t t @s i n a ． c o rn 7 7 天然气工业 2 0 0 9 年 l 1 月 比较有 利 ( 就 是 说 ， 生成 相 同总表 面 积 的泡 沫 ， 可 以 少做功 ) ， 但不 能保证泡 沫有 较好 的稳 定 性 。只有 当 表面膜有 一定强 度 、 能形 成 多面体 的 泡沫 时 ， 低 表 面 张力才有 助于泡 沫 的稳 定 。根据 L a p l a c e公式 ， 液膜 交界 处 与平 面 膜之 间 的压 差 与 表面 张 力成 正 比 ， 表 面张力低 则压差 小 ， 因而排 液速度 较 慢 ， 液膜 变 薄较 慢 ， 有 利于稳 定_ 4 ] 。 1 ． 2温度对 表面黏 度、 溶液 黏度的 影响 决 定 泡沫 稳定 性 的关 键 因素在 于液膜 的强 度 ， 在 实验上 即以表面 黏度为其 量 度 。表 面 吸 附膜 的强 度越 大 ， 表 面黏度越 大 ， 泡沫 的寿命 也 就越 长 。表 面 膜 的强 度 与表 面 吸 附分 子 问 的相互 作 用有 关 ， 相互 作 用大者膜 强 度 亦 大 。若 液 体 本 身 的 黏度 较 大 ， 则 液 膜 中的液 体不易 排 出， 液 膜厚 度变 小 的速 度较 慢 ， 从 而 延 缓 了 液膜 破 裂 时 间 ， 增 加 了泡 沫 的稳 定 性 。 温 度升高 ， 物 质膨 胀 、 分 子 问 的距 离 增 大 、 分 子 的 热 运 动加剧 、 分子 间的 相 互作 用 减 弱 ， 故 表 面 黏度 、 溶 液 黏度均 降低 。 总之 ， 温 度 对 液体 或 溶液 黏 度 的影 响是 不 可 忽 视的 。因此 ， 要维 持或加 强泡 沫 的稳定 性 ， 不 仅要 寻 找能 够 提供 具 有低 表 面张 力的 表面 活 性剂 ， 而 且 还 要通 过加入一些 添加 剂来增 强表 面 活性 剂溶 液体 系 的黏 度 、 增加 液膜 的厚 度 、 提 高 液膜 的强 度 。 由于液 膜 的厚度增 加 ， 必然 会增加 泡 沫的含 水 率 ， 对 于 排 水 采气 工 艺来 说 ， 就是 泡沫 排 水 剂 的携 水性 能 得 到进 一 步加强 。 2 温度对表面活性剂起泡性的影 响 表 面活性剂 的分子链 在 高温 高压环 境 下有 可 能 产生 断裂 、 卷 曲 ， 从 而破 坏 表 面 活性 剂 的表 面 活 性 ， 降低 表面活性 剂的起 泡性 能 。而 且一 旦 表 面活性 剂 分子链 发生 断裂 、 卷 曲 ， 对表 面 活性剂 性 能 的影 响是 决定 性 的 ， 且 是不可 逆 的( 图 1 ) 。 叠珏 发 生 断 裂 计 分予链 发， 抓曲 皿 皿} 图 1 分 子 链 发 生断 裂和 扭 曲圈 泡沫是一种分散体 系， 气体是分散相 ( 不 连续 相) ， 液 体是分散 介质 ( 连续 相) 。由 于气体 与 液体 的 7 8 密度 相 差很 大 ， 故 液 体 中 的气 泡 总 是很 快 上升 至 液 面 ， 形成气 泡聚集 物 。 从 化 学结 构 上 考虑 ， 表 面活 性 剂是 一 种两 亲 分 子 ， 分 子 的亲油部 分一般 由碳 氢 原子 团 ( 烃基 ) ， 特 别 是 由长链 的碳氢 基构成 。亲 油基 团 的差 别主 要 表现 在碳 氢链 的 结构 上 ， 差 别 较 小 。亲 水基 团 的原 子 团 种类 繁多 ， 所 以表面 活性 剂性 质 的差 异 ， 除 与碳 氢基 ( 以及其他 亲油基 ) 的大小 、 形状 有关 外 ， 主要 还 与亲 水 基 团 的不 同有 关 ； 亲 水 基 团 的结 构 变化 远较 亲油 基 团为 大 ， 因而 表面 活性剂 的分 类 ， 一 般 以亲水 基 团 的结构 为依据 。 因此 ， 在 确 定 泡排 剂 中起泡 作 用 的表 面 活 性剂 时 ， 应选 用分 子链结 构相对 稳定 、 链 段较 短 和分 子 量 较 低 的表面 活性剂 。分子链 结 构相 对稳 定 的表 面 活 性 剂 不 易在 高 温 高压 下 发 生断 裂 ， 不 会使 表 面 活性 剂 失 去表面 活性 。链段较 短 和分子 量 较低 的分 子 不 易发生 卷 曲 ， 可避免 黏度过 大 ， 造 成井底 堵塞 。 3 温度对表面活性剂胶团聚集数的影响 表面 活性 剂在 溶 液 中往 往 形成 一 种缔 合 胶 体 ， 即在 一定浓 度 以上许 多分子 缔 合成 胶 团 。胶 团在 溶 液 中一 般 是 以 棒状 胶 团 的模 型存 在 ， 模 型随 温度 和 浓 度 的变 化 而 变化 ， 棒 状 胶 团可 能 形 成棒 状 胶 团 的 六 角束 、 层状胶 团等 。 由于聚集 数 的增 多 ， 会 使 溶 液 的黏度增 大 ， 而黏度 增大虽 说 可能会 增 加液 膜 厚度 ， 但 是 会 造成 液 体 流动 性 降 低 ， 且可 能 会 在井 底 高 温 高压 条件下 形成有 机垢 。 通 过研 究 发 现 ， 温 度增 加 对 于离 子 型 表 面活 性 剂在 水 溶 液 中 的胶 团 聚集 数 没有 太 多 影 响 ， 但 是 温 度 升高却 总是 使 非 离 子 表 面 活性 剂 的 聚 集数 增 加 ， 而 且往 往 增 加很 多 ， 特 别 是 在接 近 表 面 活性 剂溶 液 的浊点 时 。 4 高温下具 有 良好 起泡 、 稳 泡 能力 的 泡 沫排 水 剂 研 制 根 据 表 面活 性 剂 的分 子 结构 特 点 ， 在 研制 过 程 中选 择 了碳 氢链较 短 ， 只有 1 2个 烷基 的直 链 结构 的 阴离子表 面活性 剂 、 1 2个 烷 基 的直 链 结构 的非离 子 表 面活 性 剂 和有 1 8个 烷 基 的 环状 结 构 的 阴离 子表 面活性 剂作 为泡 排 剂 的主 剂 来 对 比 ， 其 实 验结 果 见表 2 。 通 过表 2可 以看 出 ， 上 表 所选 的 3种 表 面活 性 剂在 高 温 实验 后 表 面张 力 的变 化 不 大 ， 但 是黏 度 和 聚集 数都 有 一 定 的上 升 ， 这 和笔 者 对 聚 集 数 ( 分 子 第2 9 卷第 1 l 期 天然气工业 量) 、 黏度 的分 析 是一 致 的 。特 别 是 1 2烷 基 非 离 子 的表面活性 剂溶液 ， 在 高温后 出现 了浑 浊 ， 变 成 了乳 白色 的溶 液 ， 可能是 接近浊点 了 ， 分 子 的聚集 数也 大 幅上升 。由于分 子 量 的变 化 ， 黏 度都 有 一定 程 度 的 上升 。起 泡力和稳 泡力 以 l 2烷基 直链 结构 为最 好 ， 另外 两种都下降 了。 表 2实验 结 果 表 1 2 个烷基( 阴 离子)1 8 个烷基( 阴离 子) i 2 个烷基( 非离子) 项目z s℃ 1 2 o"C： 后 ~z s℃ z s℃ 根 据上 述理 论研 究 结果 ， 试 制 了一 种在 高 温下 具有 良好起 泡 和稳 泡 能力 的泡 沫排水 剂 KF S Y。选 择 5 0 0 0 IT I 左 右 气水 同 产 井 A 的模 拟 地 层 水 ， 对 KF S Y型泡排 剂进 行 了高 温处 理 前 后起 泡 、 稳 泡 性 能 室 内 评 价 实 验 ， 其 实 验数 据 见 表 3 。实 验 表 明 KF S Y型泡排剂 在 A井 模 拟地 层 水 条件 下 ， 具有 较 强的起泡能 和较好 的热 稳定性 。 表 3 高 温 处 理前 后 KF S Y起 泡 性 能 比较 表mr f l 条 件 。罗 口 高 一 ．． 。 一 里．．。 ． 盔 ． ． ： ( I 2 O ℃ ， _ ( 实 验 温 度 叁 著 黼层 水 + 蝴浓 度 为薯 ‰ > 1 2 h ) ≯ 8 0 。 _- 『 ■■_ ■_ 两■ 5 结论 根据 以上对表 面活性剂 受温度 影 响的机 理初 步 分析 和实验的检验 ， 得 出 了以下结论 ： 】 )温度升 高可 以降低 溶液 的表 面 张力 ， 低表 面 张力 对于泡 沫 的形 成 比较 有利 ， 但 不 能保 证泡 沫 有 较 好的稳 定性 。 2 ) 表 面吸附膜 的强 度越 大 ， 则表 面黏 度越 大 ， 泡 沫的寿命也就越长。表面膜的强度与表面吸附分子 间的相互 作用 有 关 ， 相互 作 用大 者 膜强 度 亦 大 。温 度升高 ， 物 质膨 胀 、 分子 间 的距 离 增 大 、 分 子 的热 运 动也加剧 、 分子 间 的相 互作 用 减 弱 ， 故 表 面黏 度 、 溶 液黏度 均降低 。 3 ) 温 度 较 高 时 ， 可 能 破 坏 表 面 活 性 剂 的分 子 结构 。 4 ) 温度 升高使非 离子表 面活性 剂 的聚集 数增 加 很多 ， 从 而增 大 溶 液 的黏 度 ， 造成 液 体 流动 性 降低 ， 且可能 在井底高 温高压条件下 形成有机垢 。 通过 研究 发 现 ， 温度 增加 对 于离 子 型表 面活 性 剂在 水溶 液 中 的胶 团聚集 数 没有 太 多影 响 ， 特 别 是 在接近 表面活性剂溶 液 的浊点 时 。 基 于 以上 的理 论 研究 ， 提 出了高 温 条件下 具 有 优 良性 能的泡排剂 的研 究方 向 ： 1 ) 从 表面 活 性剂 的分 子 结 构来 看 ， 要选 择 热 力 学 稳定性好 的 、 亲水 基团尽量 位于 分子链 的中段 、 分 子量不要选 择过大 的而且具有 低表 面张 力 的表面 活 性剂 。分 子链 结构相 对稳定 的不易 在高 温高 压下 发 生断裂 ， 可 以避免 表 面 活性 剂 失去 表 面 活性 。较 短 链段 和较 低分 子 量不 易发 生 卷 曲 ， 可 以避 免黏 度 过 大造成井 底堵塞 。具 有低表 面张力 可 以使泡 沫 的液 膜具有 良好 的强度 ， 使 泡沫 的含水 量更 高 ， 更 利于 排 水 采气工 艺的实施 。 2 ) 由于离子型表 面活性 剂的 聚集数 相对 非离 子 型表 面活 性剂 受 温度 影响 较小 ， 因此尽 可 能选 择 离 子 型表 面 活性 剂作 为 泡排 剂起 泡部 分 的 主剂 ， 这样 可以避免由于流动性降低而在井底高温高压条件下 形成 有机垢 ， 堵 塞近井地 区 。 参 考 文 献 [ 1 ]龚瑜， 谢忠齐， 艾天敬 ， 等． 深井高温高矿化度泡沫排 水采 气技术研究[ R ] ． 成都 ： 中国石油两南油气 田公 司勘探开 发研 究 院 ， 1 9 9 9 ． E 2 ]李农 ， 谢忠齐， 鄢友军 ， 等． 深井高温高矿化度泡沫排水采 气技术的推广应 用[ R ] ． 成都 ： 中国石油两南油气 田公 司 勘探开发研究院， 2 0 0 1 ． [ 3 ]杨川东． 采气工程[ M] ． 北京 ： 石油工业出版社 ， 2 0 0 0 ． 1- 4 ]赵冈玺． 表 面活性剂物理 化学 [ M] ． 北 京 ： 北 京大学出版 社 ， 1 9 8 4 ． E 5 ]王云峰 ， 张春光 ， 侯万 国． 表面活性剂及其在 油气田中的 应用[ M] ． 北京 ： 石油工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． ( 修改 回稿 日期2 0 0 9 — 0 9 — 0 9 编辑 韩晓渝 ) 7 9