高温对泡沫排水剂性能的影响

摘 要

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问题，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
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问题，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——KFSY。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
    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[1～2]。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[3]。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。
1 温度对泡沫稳定性的影响
    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
不同温度下的泡沫参数
起泡剂
A
B
C
D
E
20℃
起始高(mm)
79.17
62.00
82.26
77.27
78.87
半衰期(s)
6.04
5.22
10.36
11.19
6.77
60℃
起始高(mm)
82.56
81.48
78.87
78.57
81.25
半衰期(s)
3.89
5.31
3.46
4.73
2.33
80℃
起始高(mm)
80.26
79.45
77.27
80.77
77.94
半衰期(s)
2.86
3.60
2.36
3.99
1.82
注：基液为含质量分数0.5%发泡剂的水溶液体系。
1.1 温度对表面张力的影响
    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，导致分子间的吸引力减弱，故表面张力降低。当温度升高到接近临界温度时，气-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Laplace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间的相互作用有关，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、分子间的距离增大、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)。
 
    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12个烷基的直链结构的阴离子表面活性剂、12个烷基的直链结构的非离子表面活性剂和有18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[5]，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(分子量)、黏度的分析是一致的。特别是12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12烷基直链结构为最好，另外两种都下降了。
表2 实验结果表
项目
12个烷基(阴离子)
18个烷基(阴离子)
12个烷基(非离子)
25℃
120℃条件12h后
25℃
120℃条件12h后
25℃
120℃条件12h后
表面张力(10-5N)
29
20
30.1
30.2
29.8
30.2
黏度(MPa·s)
1.013
1.019
1.018
1.033
1.012
1.03
聚集数(分子量)
66
82
93
231
85
524
起泡力(mm)
200
210
200
140
200
120
稳泡力(mm)
180
170
160
70
180
65
    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KFSY。选择5000m左右气水同产井A的模拟地层水，对KFSY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：KFSY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KFSY起泡性能比较表   mm
条件(120℃，12h)
罗氏泡高(实验温度：80℃)
配方
A井模拟地层水+KFSY(浓度为3%)
1
2
平均
高温处理前
起始泡高
250
250
250
3min后泡高
200
190
195
高温处理后
起始泡高
240
240
240
3min后泡高
150
150
150
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：
    1) 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：中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，1999.
[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：中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，2001.
[3] 杨川东.采气工程[M].北京：石油工业出版社，2000.
[4] 赵国玺.表面活性剂物理化学[M].北京：北京大学出版社，1984.
[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，1995.
 
(本文作者：李农1，2 蒋华全3 曹世昌3 缪海燕2 罗远平3 谢惠勇4 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)