新型高效泡排劑LYB-1的研制及其性能評(píng)價(jià)

摘 要

摘要：目前，我國多數(shù)氣田已進(jìn)入開采中后期，多數(shù)氣井已出現(xiàn)井底積液的情況，普通泡沫排水劑難以滿足現(xiàn)階段天然氣開采的需求。為此，通過正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化得到泡排劑的最佳配比，研制
摘要：目前，我國多數(shù)氣田已進(jìn)入開采中后期，多數(shù)氣井已出現(xiàn)井底積液的情況，普通泡沫排水劑難以滿足現(xiàn)階段天然氣開采的需求。為此，通過正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化得到泡排劑的最佳配比，研制出了一種新型高效氣井泡排劑——LYB-1。室內(nèi)試驗(yàn)主要采用羅氏-邁爾斯評(píng)價(jià)方法，借助現(xiàn)場取得的地層水和凝析油對(duì)該泡排劑的起泡能力、攜液能力、耐溫能力、抗油能力、抗甲醇能力、緩蝕能力以及與地層水的配伍性等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該泡排劑與地層水具有良好的配伍性能和緩蝕性能，不僅具有優(yōu)良的耐溫能力、抗凝析油能力，而且具有較強(qiáng)的抗甲醇能力，是一種環(huán)保型的泡排劑。
關(guān)鍵詞：泡排劑；甲醇；凝析油；緩蝕性能；配伍性；研制；評(píng)價(jià)；環(huán)境保護(hù)
    我國氣田不少已進(jìn)入開采中后期，多數(shù)氣井都出現(xiàn)了井底積液現(xiàn)象，有些氣井積液后產(chǎn)量急劇下降，甚至被積液淹死[1]。為了提高氣田的采收率，采用了多種方法來消除井底積液，包括泡沫排水采氣、井下節(jié)流排水采氣、優(yōu)選管柱排水采氣、柱塞氣舉排水采氣和增壓抽吸排水采氣等。其中泡沫排水法因投資小、見效快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)已成為解決井底積液的有效措施之一。泡沫排水采氣技術(shù)是通過將泡排劑注入氣井中，井底液體與泡排劑接觸后，借助天然氣流的攪動(dòng)，生成大量的含水泡沫，隨氣流從井底攜帶到地面，從而達(dá)到增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和延長其自噴期的目的[2]。泡沫排水采氣技術(shù)的關(guān)鍵在于泡排劑的性能，即在一定的甲醇含量、地層溫度、凝析油含量下，要求泡排劑具有盡可能高的起泡能力和攜液能力。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
   羅氏-邁爾斯(Ross-Miles)泡沫儀、泡排劑UT-11B、泡排劑HY-3G、泡排劑HY-5G、工業(yè)甲醇、凝析油、氣田地層水(礦化度4.7×104mg/L，CaCl2型)等。
1.2 評(píng)價(jià)方法
    實(shí)驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6465—2000《泡沫排水采氣用起泡劑評(píng)價(jià)方法》和GB/T 7462—1994《發(fā)泡力的測定》對(duì)泡排劑的起泡能力和攜液能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 泡排劑研究
2.1.1單一表面活性劑篩選
    為了研究單一表面活性劑對(duì)地層水的起泡能力和攜液能力，用傾注法測定了室內(nèi)自制表面活性劑L-1和L-2以及市面銷售的表面活性劑十二烷基本磺酸鈉(ABS)、α-烯基磺酸鈉(AOS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽(AES)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、辛基酚聚氧乙烯10醚(OP-10)、甜菜堿和銨鹽的起泡能力和攜液能力，并記錄了0s、30s、3min和5min的泡沫高度及15min的泡沫攜液量(表1)。實(shí)驗(yàn)泡排劑溶液濃度為0.5%，總液體量為200mL，地層水礦化度為4.7×104mg/L，水型為CaCl2型，實(shí)驗(yàn)溫度為30℃。
    由表1可知，樣品L-1、L-2、銨鹽和甜菜堿具有良好的起泡能力和攜液能力，其他樣品的起泡能力和攜液能力相對(duì)較差。樣品銨鹽泡沫穩(wěn)定性最好，明顯優(yōu)于其他樣品。

2.1.2復(fù)合配方研究
    為進(jìn)一步研究單一表面活性劑之間的復(fù)配效果，找出最佳的優(yōu)化配比，選擇單一表面活性劑起泡能力和攜液能力較好的L-1(A)、甜菜堿(B)、銨鹽(C)和L-2(D)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，選取4因素3水平，正交表L9(34)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化研究，然后采用直觀分析法對(duì)測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到LYB-1型泡排劑的最佳配比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)泡排劑溶液濃度為0.5%，總液體量為200mL，地層水礦化度為4.7×104mg/L，水型為CaCl2型，試驗(yàn)溫度為30℃。
 

    從表2可知，泡沫的攜液量都在150mL以上，其攜液能力(攜液能力=泡沫攜帶出的液體體積/總泡排劑溶液的體積×100%)[3]都在75%以上。因此，以起始泡高(0s)為考察指標(biāo)進(jìn)行分析，樣品L-2(D)是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最主要因素，單一表面活性劑L-1(A)。甜菜堿(B)和銨鹽(C)次之，最佳因素水平組合為A3B3C1D3。由于該配比不在原設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案中，為驗(yàn)證該配比的真實(shí)性，以該配比進(jìn)行起泡能力和攜液能力的測定，結(jié)果測得該配比的起始泡高度為265mm，攜液量為176.5mL。與表2中的8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果相比，可證明該配比是9次試驗(yàn)中最優(yōu)的。因此通過正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定泡排劑LYB-1的最佳質(zhì)量配比為L-1(A)：甜菜堿(B)：銨鹽(C)：L-2(D)=5：3：3：8。
2.2 泡排劑LYB-1的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)
    在采用泡沫排水采氣技術(shù)時(shí)，要求泡排劑具有一定的耐溫能力、緩蝕能力、抗凝析油能力、抗甲醇能力和與地層水配伍性良好等。因此，需要對(duì)所研制出來的LYB-1型泡排劑進(jìn)行各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)。
2.2.1耐溫能力
    通常溫度升高，泡排劑溶液的黏度降低，泡沫易破裂，致使泡沫起泡能力和攜液能力變差。為了評(píng)價(jià)該泡排劑的耐溫能力，用地層水配制0.5%泡排劑溶液，測定了該泡排劑在不同溫度下的起泡能力和攜液能力(圖1)。
 

    由圖1中曲線可知，隨溫度的升高，泡排劑LYB-1的起始泡高、3min泡高和5min泡高均逐漸降低，但30s泡高首先增加，在70℃時(shí)達(dá)到最大值275mm，然后逐漸降低。在90℃時(shí)，泡沫的起始泡高仍能達(dá)到113mm，3min后降低到62mm。這是由于溫度較高時(shí)，液膜的水分蒸發(fā)加快，液膜之間的排斥力減弱，致使液膜強(qiáng)度降低，泡沫穩(wěn)定性下降[4]。從圖2中可以看出，隨溫度的升高，其攜液能力逐漸降低。在30℃時(shí)，泡沫的攜液量為176.5mL，在90℃時(shí)，其攜液量降低到119.8mL，這表明泡排劑LYB-1具有良好的耐溫能力。

2.2.2抗凝析油能力
   在天然氣開采過程中，井底積液經(jīng)常含有一定量的凝析油，但由于凝析油具有較強(qiáng)的消泡作用，易使泡沫性能變差[5]。因此，要求泡排劑具有一定的抗凝析油能力。如圖3所示，30℃時(shí)測定了該泡排劑溶液濃度為0.5%在含有不同濃度凝析油的地層水中的起泡能力和攜液能力。
 

   從圖3可以看出，在30℃時(shí)，不含凝析油地層水的泡沫起泡性能最好，起始泡高最高為265mm，5min后降到215mm。但隨著凝析油含量的增加，凝析油的消泡作用逐漸增強(qiáng)，泡沫高度均逐漸降低。當(dāng)凝析油含量達(dá)到上限20%時(shí)，泡沫的起始泡高仍能達(dá)到116mm，3min后降低到10mm，但仍能滿足天然氣開采的要求。由圖2可以看出，隨著凝析油含量的增加，泡沫攜液量都逐漸減少，當(dāng)凝析含油量為20%時(shí)，泡沫攜液量仍能達(dá)到103.6mL。以上數(shù)據(jù)表明泡排劑LYB-1具有良好的抗凝析油能力。
2.2.3抗甲醇能力
    向氣井中注入甲醇，既可以起到防凍的作用，又可以防止井內(nèi)管柱和集輸流程的水合物堵塞，從而在一定程度上影響了液體泡排劑在氣井使用的成功率。因此，要求泡排劑具有一定的抗甲醇能力。如圖4所示，30℃時(shí)測定了該泡排劑溶液濃度為0.5%在含有不同濃度甲醇的地層水中的起泡能力和攜液能力。
 

    從圖4可知，泡排劑溶液不含甲醇時(shí)，泡沫高度最高且穩(wěn)定。但隨著甲醇含量的增加，泡沫高度都出現(xiàn)了先降低后增加再降低的趨勢(shì)。甲醇含量從10%增加到30%時(shí)，泡沫高度都呈上升趨勢(shì)。當(dāng)甲醇含量為30%時(shí)，起始泡高最高達(dá)到235mm，5min泡高降到25mm。這是由于甲醇含量達(dá)到一定值時(shí)，可以降低表面活性劑溶液的表面張力，從而增加了泡沫的起泡能力和攜液能力[6]。甲醇含量為40%時(shí)，起始泡高仍能達(dá)到110mm，說明該泡排劑具有較強(qiáng)的起泡能力。當(dāng)甲醇含量超過上限40%時(shí)，泡沫高度都隨之降低。這是由甲醇的分子結(jié)構(gòu)所決定，甲醇分子間受力不平衡，在液膜表面上排列疏松，形成的新液膜極不穩(wěn)定，在極短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生破裂[7]。從圖2中可以看出，甲醇含量從10%增加到30%時(shí)，泡沫的攜液量從156.8mL增加到最大值165.2mL。當(dāng)甲醇含量達(dá)到上限40%時(shí)，泡沫的攜液量為152.2mL，其攜液能力仍能在75%以上，這充分說明泡排劑LYB-1抗甲醇能力極佳。
2.2.4緩蝕能力
    氣井的油管與地層水接觸后會(huì)使井底油管等金屬材料產(chǎn)生腐蝕。因此需要測定該泡排劑的緩蝕能力。在90℃下，用N8O油管鋼制成長約3cm、寬1.5cm、厚0.35cm的鋼片，放入地層水和0.5%泡排劑溶液中浸泡72h，采用掛片失重方法，測定0.5%泡排劑溶液和地層水對(duì)N80鋼片的緩蝕能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，地層水對(duì)N80鋼片的腐蝕速率為0.2884mm/a，0.5%的泡排劑溶液對(duì)N80鋼片腐蝕速率降低到0.0588mm/a，緩蝕率為79.6%，這表明泡排劑LYB-1具有優(yōu)良的緩蝕能力，因而對(duì)井底油管具有一定的保護(hù)作用。
2.2.5泡排劑與地層水的配伍性試驗(yàn)
    考慮到泡排劑能否和氣井地層水發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生沉淀，造成地層堵塞，影響排水效果。因此，要求泡排劑與氣井地層水具有良好的配伍性能。用地層水分別配制0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的泡排劑溶液，室溫下靜止48h后，結(jié)果顯示泡排劑溶液均一透明，無沉淀產(chǎn)生和分層現(xiàn)象。從而說明該泡排劑與氣井地層水配伍性良好。
2.3 抗甲醇能力對(duì)比
    為了充分說明泡排劑LYB-1具有較強(qiáng)的抗甲醇能力，30℃時(shí)將該泡排劑與現(xiàn)場應(yīng)用較多的泡排劑UT-118、HY-5G和HY-3G進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3數(shù)據(jù)表明，泡排劑LYB-1具有較強(qiáng)的抗甲醇能力，明顯優(yōu)于其他3種泡排劑。
 

3 結(jié)論
    1) 通過對(duì)9種單一表面活性劑起泡能力和攜液能力的研究，篩選出4種起泡能力和攜液能力較好的單一表面活性劑L-1、L-2、銨鹽和甜菜堿，通過正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法確定泡排劑LYB-1的最佳質(zhì)量配比為L-1：銨鹽：甜菜堿：L-2=5：3：3：8。
    2) 該泡排劑不但具有優(yōu)良的緩蝕能力，而且與地層水配伍性良好。
    3) 通過對(duì)該泡排劑的耐溫能力、抗凝析油能力及抗甲醇能力的研究與分析，充分說明了所研究出來的泡排劑具有良好的耐溫能力、抗凝析油能力和較強(qiáng)的抗甲醇能力。
4) 該泡排劑與現(xiàn)場應(yīng)用較多的UT-11B、HY-5G和HY-3G泡排劑進(jìn)行了抗甲醇能力對(duì)比，結(jié)果表明該泡排劑具有較強(qiáng)的抗甲醇能力，明顯優(yōu)于其他3種泡排劑。
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(本文作者：李謙定 盧永斌 李善建 李恒娟 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)