新型高效泡排劑LYB-1的研制及其性能評價

摘 要

摘要：目前，我國多數氣田已進入開采中后期，多數氣井已出現井底積液的情況，普通泡沫排水劑難以滿足現階段天然氣開采的需求。為此，通過正交設計實驗法優(yōu)化得到泡排劑的最佳配比，研制
摘要：目前，我國多數氣田已進入開采中后期，多數氣井已出現井底積液的情況，普通泡沫排水劑難以滿足現階段天然氣開采的需求。為此，通過正交設計實驗法優(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。室內試驗主要采用羅氏-邁爾斯評價方法，借助現場取得的地層水和凝析油對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行了系統(tǒng)的研究與分析。試驗結果表明，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，而且具有較強的抗甲醇能力，是一種環(huán)保型的泡排劑。
關鍵詞：泡排劑；甲醇；凝析油；緩蝕性能；配伍性；研制；評價；環(huán)境保護
    我國氣田不少已進入開采中后期，多數氣井都出現了井底積液現象，有些氣井積液后產量急劇下降，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)點已成為解決井底積液的有效措施之一。泡沫排水采氣技術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，生成大量的含水泡沫，隨氣流從井底攜帶到地面，從而達到增產、穩(wěn)產和延長其自噴期的目的[2]。泡沫排水采氣技術的關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 實驗部分
1.1 實驗儀器與藥品
   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 評價方法
    實驗按照標準SY/T 6465—2000《泡沫排水采氣用起泡劑評價方法》和GB/T 7462—1994《發(fā)泡力的測定》對泡排劑的起泡能力和攜液能力進行評價。
2 實驗結果與討論
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地層水的起泡能力和攜液能力，用傾注法測定了室內自制表面活性劑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)。實驗泡排劑溶液濃度為0.5%，總液體量為200mL，地層水礦化度為4.7×104mg/L，水型為CaCl2型，實驗溫度為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復合配方研究
    為進一步研究單一表面活性劑之間的復配效果，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)進行優(yōu)化實驗。在優(yōu)化實驗中，采用正交設計實驗方法，選取4因素3水平，正交表L9(34)對實驗方案進行優(yōu)化研究，然后采用直觀分析法對測定的數據進行處理，可得到LYB-1型泡排劑的最佳配比，實驗結果見表2。實驗泡排劑溶液濃度為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)為考察指標進行分析，樣品L-2(D)是影響實驗結果的最主要因素，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計的試驗方案中，為驗證該配比的真實性，以該配比進行起泡能力和攜液能力的測定，結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號試驗結果相比，可證明該配比是9次試驗中最優(yōu)的。因此通過正交設計實驗確定泡排劑LYB-1的最佳質量配比為L-1(A)：甜菜堿(B)：銨鹽(C)：L-2(D)=5：3：3：8。
2.2 泡排劑LYB-1的各項性能評價
    在采用泡沫排水采氣技術時，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，需要對所研制出來的LYB-1型泡排劑進行各項性能評價。
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。為了評價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℃時達到最大值275mm，然后逐漸降低。在90℃時，泡沫的起始泡高仍能達到113mm，3min后降低到62mm。這是由于溫度較高時，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，泡沫的攜液量為176.5mL，在90℃時，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，井底積液經常含有一定量的凝析油，但由于凝析油具有較強的消泡作用，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，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，泡沫高度均逐漸降低。當凝析油含量達到上限20%時，泡沫的起始泡高仍能達到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，當凝析含油量為20%時，泡沫攜液量仍能達到103.6mL。以上數據表明泡排劑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，泡沫高度最高且穩(wěn)定。但隨著甲醇含量的增加，泡沫高度都出現了先降低后增加再降低的趨勢。甲醇含量從10%增加到30%時，泡沫高度都呈上升趨勢。當甲醇含量為30%時，起始泡高最高達到235mm，5min泡高降到25mm。這是由于甲醇含量達到一定值時，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，起始泡高仍能達到110mm，說明該泡排劑具有較強的起泡能力。當甲醇含量超過上限40%時，泡沫高度都隨之降低。這是由甲醇的分子結構所決定，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，在極短的時間內就發(fā)生破裂[7]。從圖2中可以看出，甲醇含量從10%增加到30%時，泡沫的攜液量從156.8mL增加到最大值165.2mL。當甲醇含量達到上限40%時，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使井底油管等金屬材料產生腐蝕。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N80鋼片的緩蝕能力。試驗結果表明，地層水對N80鋼片的腐蝕速率為0.2884mm/a，0.5%的泡排劑溶液對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，因而對井底油管具有一定的保護作用。
2.2.5泡排劑與地層水的配伍性試驗
    考慮到泡排劑能否和氣井地層水發(fā)生反應而產生沉淀，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，結果顯示泡排劑溶液均一透明，無沉淀產生和分層現象。從而說明該泡排劑與氣井地層水配伍性良好。
2.3 抗甲醇能力對比
    為了充分說明泡排劑LYB-1具有較強的抗甲醇能力，30℃時將該泡排劑與現場應用較多的泡排劑UT-118、HY-5G和HY-3G進行了對比，試驗結果見表3。表3數據表明，泡排劑LYB-1具有較強的抗甲醇能力，明顯優(yōu)于其他3種泡排劑。
 

3 結論
    1) 通過對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，通過正交設計實驗方法確定泡排劑LYB-1的最佳質量配比為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的抗甲醇能力。
4) 該泡排劑與現場應用較多的UT-11B、HY-5G和HY-3G泡排劑進行了抗甲醇能力對比，結果表明該泡排劑具有較強的抗甲醇能力，明顯優(yōu)于其他3種泡排劑。
參考文獻
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(本文作者：李謙定 盧永斌 李善建 李恒娟 西安石油大學化學化工學院)