摘要：目前，我国多数气田已进入开采中后期，多数气井已出现井底积液的情况，普通泡沫排水剂难以满足现阶段天然气开采的需求。为此，通过正交设计实验法优化得到泡排剂的最佳配比，研制出了一种新型高效气井泡排剂——LYB-1。室内试验主要采用罗氏-迈尔斯评价方法，借助现场取得的地层水和凝析油对该泡排剂的起泡能力、携液能力、耐温能力、抗油能力、抗甲醇能力、缓蚀能力以及与地层水的配伍性等进行了系统的研究与分析。试验结果表明，该泡排剂与地层水具有良好的配伍性能和缓蚀性能，不仅具有优良的耐温能力、抗凝析油能力，而且具有较强的抗甲醇能力，是一种环保型的泡排剂。
关键词：泡排剂；甲醇；凝析油；缓蚀性能；配伍性；研制；评价；环境保护
我国气田不少已进入开采中后期，多数气井都出现了井底积液现象，有些气井积液后产量急剧下降，甚至被积液淹死[1]。为了提高气田的采收率，采用了多种方法来消除井底积液，包括泡沫排水采气、井下节流排水采气、优选管柱排水采气、柱塞气举排水采气和增压抽吸排水采气等。其中泡沫排水法因投资小、见效快、操作简便等优点已成为解决井底积液的有效措施之一。泡沫排水采气技术是通过将泡排剂注入气井中，井底液体与泡排剂接触后，借助天然气流的搅动，生成大量的含水泡沫，随气流从井底携带到地面，从而达到增产、稳产和延长其自喷期的目的[2]。泡沫排水采气技术的关键在于泡排剂的性能，即在一定的甲醇含量、地层温度、凝析油含量下，要求泡排剂具有尽可能高的起泡能力和携液能力。
1 实验部分
1.1 实验仪器与药品
罗氏-迈尔斯(Ross-Miles)泡沫仪、泡排剂UT-11B、泡排剂HY-3G、泡排剂HY-5G、工业甲醇、凝析油、气田地层水(矿化度4.7×104mg/L，CaCl2型)等。
1.2 评价方法
实验按照标准SY/T 6465—2000《泡沫排水采气用起泡剂评价方法》和GB/T 7462—1994《发泡力的测定》对泡排剂的起泡能力和携液能力进行评价。
2 实验结果与讨论
2.1 泡排剂研究
2.1.1单一表面活性剂筛选
为了研究单一表面活性剂对地层水的起泡能力和携液能力，用倾注法测定了室内自制表面活性剂L-1和L-2以及市面销售的表面活性剂十二烷基本磺酸钠(ABS)、α-烯基磺酸钠(AOS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)、十二烷基磺酸钠(SDS)、辛基酚聚氧乙烯10醚(OP-10)、甜菜碱和铵盐的起泡能力和携液能力，并记录了0s、30s、3min和5min的泡沫高度及15min的泡沫携液量(表1)。实验泡排剂溶液浓度为0.5%，总液体量为200mL，地层水矿化度为4.7×104mg/L，水型为CaCl2型，实验温度为30℃。
由表1可知，样品L-1、L-2、铵盐和甜菜碱具有良好的起泡能力和携液能力，其他样品的起泡能力和携液能力相对较差。样品铵盐泡沫稳定性最好，明显优于其他样品。
2.1.2复合配方研究
为进一步研究单一表面活性剂之间的复配效果，找出最佳的优化配比，选择单一表面活性剂起泡能力和携液能力较好的L-1(A)、甜菜碱(B)、铵盐(C)和L-2(D)进行优化实验。在优化实验中，采用正交设计实验方法，选取4因素3水平，正交表L9(34)对实验方案进行优化研究，然后采用直观分析法对测定的数据进行处理，可得到LYB-1型泡排剂的最佳配比，实验结果见表2。实验泡排剂溶液浓度为0.5%，总液体量为200mL，地层水矿化度为4.7×104mg/L，水型为CaCl2型，试验温度为30℃。
从表2可知，泡沫的携液量都在150mL以上，其携液能力(携液能力=泡沫携带出的液体体积/总泡排剂溶液的体积×100%)[3]都在75%以上。因此，以起始泡高(0s)为考察指标进行分析，样品L-2(D)是影响实验结果的最主要因素，单一表面活性剂L-1(A)。甜菜碱(B)和铵盐(C)次之，最佳因素水平组合为A3B3C1D3。由于该配比不在原设计的试验方案中，为验证该配比的真实性，以该配比进行起泡能力和携液能力的测定，结果测得该配比的起始泡高度为265mm，携液量为176.5mL。与表2中的8号试验结果相比，可证明该配比是9次试验中最优的。因此通过正交设计实验确定泡排剂LYB-1的最佳质量配比为L-1(A)：甜菜碱(B)：铵盐(C)：L-2(D)=5：3：3：8。
2.2 泡排剂LYB-1的各项性能评价
在采用泡沫排水采气技术时，要求泡排剂具有一定的耐温能力、缓蚀能力、抗凝析油能力、抗甲醇能力和与地层水配伍性良好等。因此，需要对所研制出来的LYB-1型泡排剂进行各项性能评价。
2.2.1耐温能力
通常温度升高，泡排剂溶液的黏度降低，泡沫易破裂，致使泡沫起泡能力和携液能力变差。为了评价该泡排剂的耐温能力，用地层水配制0.5%泡排剂溶液，测定了该泡排剂在不同温度下的起泡能力和携液能力(图1)。
由图1中曲线可知，随温度的升高，泡排剂LYB-1的起始泡高、3min泡高和5min泡高均逐渐降低，但30s泡高首先增加，在70℃时达到最大值275mm，然后逐渐降低。在90℃时，泡沫的起始泡高仍能达到113mm，3min后降低到62mm。这是由于温度较高时，液膜的水分蒸发加快，液膜之间的排斥力减弱，致使液膜强度降低，泡沫稳定性下降[4]。从图2中可以看出，随温度的升高，其携液能力逐渐降低。在30℃时，泡沫的携液量为176.5mL，在90℃时，其携液量降低到119.8mL，这表明泡排剂LYB-1具有良好的耐温能力。
2.2.2抗凝析油能力
在天然气开采过程中，井底积液经常含有一定量的凝析油，但由于凝析油具有较强的消泡作用，易使泡沫性能变差[5]。因此，要求泡排剂具有一定的抗凝析油能力。如图3所示，30℃时测定了该泡排剂溶液浓度为0.5%在含有不同浓度凝析油的地层水中的起泡能力和携液能力。
从图3可以看出，在30℃时，不含凝析油地层水的泡沫起泡性能最好，起始泡高最高为265mm，5min后降到215mm。但随着凝析油含量的增加，凝析油的消泡作用逐渐增强，泡沫高度均逐渐降低。当凝析油含量达到上限20%时，泡沫的起始泡高仍能达到116mm，3min后降低到10mm，但仍能满足天然气开采的要求。由图2可以看出，随着凝析油含量的增加，泡沫携液量都逐渐减少，当凝析含油量为20%时，泡沫携液量仍能达到103.6mL。以上数据表明泡排剂LYB-1具有良好的抗凝析油能力。
2.2.3抗甲醇能力
向气井中注入甲醇，既可以起到防冻的作用，又可以防止井内管柱和集输流程的水合物堵塞，从而在一定程度上影响了液体泡排剂在气井使用的成功率。因此，要求泡排剂具有一定的抗甲醇能力。如图4所示，30℃时测定了该泡排剂溶液浓度为0.5%在含有不同浓度甲醇的地层水中的起泡能力和携液能力。
从图4可知，泡排剂溶液不含甲醇时，泡沫高度最高且稳定。但随着甲醇含量的增加，泡沫高度都出现了先降低后增加再降低的趋势。甲醇含量从10%增加到30%时，泡沫高度都呈上升趋势。当甲醇含量为30%时，起始泡高最高达到235mm，5min泡高降到25mm。这是由于甲醇含量达到一定值时，可以降低表面活性剂溶液的表面张力，从而增加了泡沫的起泡能力和携液能力[6]。甲醇含量为40%时，起始泡高仍能达到110mm，说明该泡排剂具有较强的起泡能力。当甲醇含量超过上限40%时，泡沫高度都随之降低。这是由甲醇的分子结构所决定，甲醇分子间受力不平衡，在液膜表面上排列疏松，形成的新液膜极不稳定，在极短的时间内就发生破裂[7]。从图2中可以看出，甲醇含量从10%增加到30%时，泡沫的携液量从156.8mL增加到最大值165.2mL。当甲醇含量达到上限40%时，泡沫的携液量为152.2mL，其携液能力仍能在75%以上，这充分说明泡排剂LYB-1抗甲醇能力极佳。
2.2.4缓蚀能力
气井的油管与地层水接触后会使井底油管等金属材料产生腐蚀。因此需要测定该泡排剂的缓蚀能力。在90℃下，用N8O油管钢制成长约3cm、宽1.5cm、厚0.35cm的钢片，放入地层水和0.5%泡排剂溶液中浸泡72h，采用挂片失重方法，测定0.5%泡排剂溶液和地层水对N80钢片的缓蚀能力。试验结果表明，地层水对N80钢片的腐蚀速率为0.2884mm/a，0.5%的泡排剂溶液对N80钢片腐蚀速率降低到0.0588mm/a，缓蚀率为79.6%，这表明泡排剂LYB-1具有优良的缓蚀能力，因而对井底油管具有一定的保护作用。
2.2.5泡排剂与地层水的配伍性试验
考虑到泡排剂能否和气井地层水发生反应而产生沉淀，造成地层堵塞，影响排水效果。因此，要求泡排剂与气井地层水具有良好的配伍性能。用地层水分别配制0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的泡排剂溶液，室温下静止48h后，结果显示泡排剂溶液均一透明，无沉淀产生和分层现象。从而说明该泡排剂与气井地层水配伍性良好。
2.3 抗甲醇能力对比
为了充分说明泡排剂LYB-1具有较强的抗甲醇能力，30℃时将该泡排剂与现场应用较多的泡排剂UT-118、HY-5G和HY-3G进行了对比，试验结果见表3。表3数据表明，泡排剂LYB-1具有较强的抗甲醇能力，明显优于其他3种泡排剂。
3 结论
1) 通过对9种单一表面活性剂起泡能力和携液能力的研究，筛选出4种起泡能力和携液能力较好的单一表面活性剂L-1、L-2、铵盐和甜菜碱，通过正交设计实验方法确定泡排剂LYB-1的最佳质量配比为L-1：铵盐：甜菜碱：L-2=5：3：3：8。
2) 该泡排剂不但具有优良的缓蚀能力，而且与地层水配伍性良好。
3) 通过对该泡排剂的耐温能力、抗凝析油能力及抗甲醇能力的研究与分析，充分说明了所研究出来的泡排剂具有良好的耐温能力、抗凝析油能力和较强的抗甲醇能力。
4) 该泡排剂与现场应用较多的UT-11B、HY-5G和HY-3G泡排剂进行了抗甲醇能力对比，结果表明该泡排剂具有较强的抗甲醇能力，明显优于其他3种泡排剂。
参考文献
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[4] 王显光，王琳，任立伟，等.新型阴-非离子型表面活性剂的泡沫性能[J].油田化学，2009，26(4)：357-361.
[5] 彭年穗.气井泡沫排液起泡剂CT5-2[J].天然气工业，1989，9(3)：45-49.
[6] 陈伟章，徐国财，张建国，等.阴离子表面活性剂溶液泡沫性能与静态力学模型研究[J].日用化学工业，2007，377(2)：71-75.
[7] 李强，田喜军，周玉荣，等.子洲-米脂气田泡沫排水采气技术研究与应用[J].石油化工，2010，29(4)：47-53.
(本文作者：李谦定 卢永斌 李善建 李恒娟 西安石油大学化学化工学院)
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