高溫對泡沫排水劑性能的影響

摘 要

摘要：隨著越來越多的深層氣藏被發(fā)現(xiàn)，其埋藏深、地溫梯度高和產(chǎn)出地層水的問題，已經(jīng)影響到氣藏開發(fā)中后期甚至開發(fā)初期氣井的正常生產(chǎn)，降低了氣藏最終采收率。針對該類氣藏特點，對
摘要：隨著越來越多的深層氣藏被發(fā)現(xiàn)，其埋藏深、地溫梯度高和產(chǎn)出地層水的問題，已經(jīng)影響到氣藏開發(fā)中后期甚至開發(fā)初期氣井的正常生產(chǎn)，降低了氣藏最終采收率。針對該類氣藏特點，對溫度造成泡排劑性能變化作了初步的研究和探討，從溫度對泡沫穩(wěn)定性、表面活性劑的起泡性、表面活性劑膠團聚集數(shù)的影響三個方面闡述了溫度對泡排劑性能的影響；指出溫度對泡排劑的影響主要表現(xiàn)在對主要成分表面活性劑的起泡性能、穩(wěn)泡性能以及分子結(jié)構(gòu)三個方面；提出了高溫下具有優(yōu)良性能的泡排劑要選擇熱力學(xué)穩(wěn)定性好的、親水基團盡量位于分子鏈的中段、分子量不宜過大而且具有低表面張力的離子型表面活性劑的認識；進而研制了在高溫條件下適用的泡沫排水劑——KFSY。實驗結(jié)果驗證了該泡沫排水劑在高溫條件下的良好起泡和穩(wěn)泡性能。
關(guān)鍵詞：溫度；泡沫排水劑；表面活性劑；分子結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；排水；采氣；研究
    泡沫排水采氣技術(shù)是四川氣田應(yīng)用最為成熟、效果最好的排水工藝[1～2]。隨著勘探的不斷發(fā)展和深入，越來越多的深層氣藏被發(fā)現(xiàn)，例如大慶油田的火山巖氣藏，四川盆地的飛仙關(guān)組、長興組氣藏等。該類氣藏都存在埋藏深、地溫梯度高的特點，還存在產(chǎn)出地層水的問題，這影響到氣藏開發(fā)中后期甚至開發(fā)初期氣井的正常生產(chǎn)，以至降低氣藏的最終采收率[3]。針對上述氣藏的特點，對溫度造成泡排劑性能變化進行了研究和探討。對于泡沫排水劑來說，最關(guān)心的是“起泡力”和“泡沫穩(wěn)定性”。因此研究溫度對泡沫排水劑性能的影響實際就是研究溫度對主要成分表面活性劑的影響和影響程度。
1 溫度對泡沫穩(wěn)定性的影響
    由于泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，溫度升高對泡沫穩(wěn)定性有較大影響。前人已就溫度對泡沫穩(wěn)定性的影響作了一定的研究。
    由表1可看出，隨溫度升高，泡沫質(zhì)量下降，半衰期明顯縮短，體系穩(wěn)定性變差。
    泡沫破壞的過程，主要是隔開氣體的液膜由厚變薄，直至破裂的過程。因此，泡沫的穩(wěn)定性主要決定于排液的快慢和液膜的強度。以下從影響液膜厚度和表面膜強度兩個方面來分析影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素。
表1 溫度對泡沫性能的影響表
不同溫度下的泡沫參數(shù)
起泡劑
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：基液為含質(zhì)量分數(shù)0.5%發(fā)泡劑的水溶液體系。
1.1 溫度對表面張力的影響
    泡沫生成時，液體表面積增加，體系的能量也相應(yīng)增加；泡沫破壞時，體系的能量則相應(yīng)下降。同一物質(zhì)的表面張力因溫度不同而不同。溫度升高時，物質(zhì)膨脹，分子間的距離增大，同時分子的熱運動也加劇，導(dǎo)致分子間的吸引力減弱，故表面張力降低。當(dāng)溫度升高到接近臨界溫度時，氣-液界面逐漸消失，表面張力趨于零。
    從能量觀點考慮，低表面張力對于泡沫的形成比較有利(就是說，生成相同總表面積的泡沫，可以少做功)，但不能保證泡沫有較好的穩(wěn)定性。只有當(dāng)表面膜有一定強度、能形成多面體的泡沫時，低表面張力才有助于泡沫的穩(wěn)定。根據(jù)Laplace公式，液膜交界處與平面膜之間的壓差與表面張力成正比，表面張力低則壓差小，因而排液速度較慢，液膜變薄較慢，有利于穩(wěn)定[4]。
1.2 溫度對表面黏度、溶液黏度的影響
    決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素在于液膜的強度，在實驗上即以表面黏度為其量度。表面吸附膜的強度越大，表面黏度越大，泡沫的壽命也就越長。表面膜的強度與表面吸附分子間的相互作用有關(guān)，相互作用大者膜強度亦大。若液體本身的黏度較大，則液膜中的液體不易排出，液膜厚度變小的速度較慢，從而延緩了液膜破裂時間，增加了泡沫的穩(wěn)定性。溫度升高，物質(zhì)膨脹、分子間的距離增大、分子的熱運動加劇、分子間的相互作用減弱，故表面黏度、溶液黏度均降低。
    總之，溫度對液體或溶液黏度的影響是不可忽視的。因此，要維持或加強泡沫的穩(wěn)定性，不僅要尋找能夠提供具有低表面張力的表面活性劑，而且還要通過加入一些添加劑來增強表面活性劑溶液體系的黏度、增加液膜的厚度、提高液膜的強度。由于液膜的厚度增加，必然會增加泡沫的含水率，對于排水采氣工藝來說，就是泡沫排水劑的攜水性能得到進一步加強。
2 溫度對表面活性劑起泡性的影響
    表面活性劑的分子鏈在高溫高壓環(huán)境下有可能產(chǎn)生斷裂、卷曲，從而破壞表面活性劑的表面活性，降低表面活性劑的起泡性能。而且一旦表面活性劑分子鏈發(fā)生斷裂、卷曲，對表面活性劑性能的影響是決定性的，且是不可逆的(圖1)。
 
    泡沫是一種分散體系，氣體是分散相(不連續(xù)相)，液體是分散介質(zhì)(連續(xù)相)。由于氣體與液體的密度相差很大，故液體中的氣泡總是很快上升至液面，形成氣泡聚集物。
    從化學(xué)結(jié)構(gòu)上考慮，表面活性劑是一種兩親分子，分子的親油部分一般由碳氫原子團(烴基)，特別是由長鏈的碳氫基構(gòu)成。親油基團的差別主要表現(xiàn)在碳氫鏈的結(jié)構(gòu)上，差別較小。親水基團的原子團種類繁多，所以表面活性劑性質(zhì)的差異，除與碳氫基(以及其他親油基)的大小、形狀有關(guān)外，主要還與親水基團的不同有關(guān)；親水基團的結(jié)構(gòu)變化遠較親油基團為大，因而表面活性劑的分類，一般以親水基團的結(jié)構(gòu)為依據(jù)。
    因此，在確定泡排劑中起泡作用的表面活性劑時，應(yīng)選用分子鏈結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、鏈段較短和分子量較低的表面活性劑。分子鏈結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的表面活性劑不易在高溫高壓下發(fā)生斷裂，不會使表面活性劑失去表面活性。鏈段較短和分子量較低的分子不易發(fā)生卷曲，可避免黏度過大，造成井底堵塞。
3 溫度對表面活性劑膠團聚集數(shù)的影響
    表面活性劑在溶液中往往形成一種締合膠體，即在一定濃度以上許多分子締合成膠團。膠團在溶液中一般是以棒狀膠團的模型存在，模型隨溫度和濃度的變化而變化，棒狀膠團可能形成棒狀膠團的六角束、層狀膠團等。由于聚集數(shù)的增多，會使溶液的黏度增大，而黏度增大雖說可能會增加液膜厚度，但是會造成液體流動性降低，且可能會在井底高溫高壓條件下形成有機垢。
    通過研究發(fā)現(xiàn)，溫度增加對于離子型表面活性劑在水溶液中的膠團聚集數(shù)沒有太多影響，但是溫度升高卻總是使非離子表面活性劑的聚集數(shù)增加，而且往往增加很多，特別是在接近表面活性劑溶液的濁點時。
4 高溫下具有良好起泡、穩(wěn)泡能力的泡沫排水劑研制
    根據(jù)表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)特點，在研制過程中選擇了碳氫鏈較短，只有12個烷基的直鏈結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑、12個烷基的直鏈結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑和有18個烷基的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的陰離子表面活性劑作為泡排劑的主劑來對比[5]，其實驗結(jié)果見表2。
    通過表2可以看出，上表所選的3種表面活性劑在高溫實驗后表面張力的變化不大，但是黏度和聚集數(shù)都有一定的上升，這和筆者對聚集數(shù)(分子量)、黏度的分析是一致的。特別是12烷基非離子的表面活性劑溶液，在高溫后出現(xiàn)了渾濁，變成了乳白色的溶液，可能是接近濁點了，分子的聚集數(shù)也大幅上升。由于分子量的變化，黏度都有一定程度的上升。起泡力和穩(wěn)泡力以12烷基直鏈結(jié)構(gòu)為最好，另外兩種都下降了。
表2 實驗結(jié)果表
項目
12個烷基(陰離子)
18個烷基(陰離子)
12個烷基(非離子)
25℃
120℃條件12h后
25℃
120℃條件12h后
25℃
120℃條件12h后
表面張力(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
聚集數(shù)(分子量)
66
82
93
231
85
524
起泡力(mm)
200
210
200
140
200
120
穩(wěn)泡力(mm)
180
170
160
70
180
65
    根據(jù)上述理論研究結(jié)果，試制了一種在高溫下具有良好起泡和穩(wěn)泡能力的泡沫排水劑KFSY。選擇5000m左右氣水同產(chǎn)井A的模擬地層水，對KFSY型泡排劑進行了高溫處理前后起泡、穩(wěn)泡性能室內(nèi)評價實驗，其實驗數(shù)據(jù)見表3。實驗表明：KFSY型泡排劑在A井模擬地層水條件下，具有較強的起泡能和較好的熱穩(wěn)定性。
表3 高溫處理前后KFSY起泡性能比較表   mm
條件(120℃，12h)
羅氏泡高(實驗溫度：80℃)
配方
A井模擬地層水+KFSY(濃度為3%)
1
2
平均
高溫處理前
起始泡高
250
250
250
3min后泡高
200
190
195
高溫處理后
起始泡高
240
240
240
3min后泡高
150
150
150
5 結(jié)論
    根據(jù)以上對表面活性劑受溫度影響的機理初步分析和實驗的檢驗，得出了以下結(jié)論：
    1) 溫度升高可以降低溶液的表面張力，低表面張力對于泡沫的形成比較有利，但不能保證泡沫有較好的穩(wěn)定性。
    2) 表面吸附膜的強度越大，則表面黏度越大，泡沫的壽命也就越長。表面膜的強度與表面吸附分子間的相互作用有關(guān)，相互作用大者膜強度亦大。溫度升高，物質(zhì)膨脹、分子間的距離增大、分子的熱運動也加劇、分子間的相互作用減弱，故表面黏度、溶液黏度均降低。
    3) 溫度較高時，可能破壞表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)。
    4) 溫度升高使非離子表面活性劑的聚集數(shù)增加很多，從而增大溶液的黏度，造成液體流動性降低，且可能在井底高溫高壓條件下形成有機垢。
    通過研究發(fā)現(xiàn)，溫度增加對于離子型表面活性劑在水溶液中的膠團聚集數(shù)沒有太多影響，特別是在接近表面活性劑溶液的濁點時。
    基于以上的理論研究，提出了高溫條件下具有優(yōu)良性能的泡排劑的研究方向：
    1) 從表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)來看，要選擇熱力學(xué)穩(wěn)定性好的、親水基團盡量位于分子鏈的中段、分子量不要選擇過大的而且具有低表面張力的表面活性劑。分子鏈結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的不易在高溫高壓下發(fā)生斷裂，可以避免表面活性劑失去表面活性。較短鏈段和較低分子量不易發(fā)生卷曲，可以避免黏度過大造成井底堵塞。具有低表面張力可以使泡沫的液膜具有良好的強度，使泡沫的含水量更高，更利于排水采氣工藝的實施。
    2) 由于離子型表面活性劑的聚集數(shù)相對非離子型表面活性劑受溫度影響較小，因此盡可能選擇離子型表面活性劑作為泡排劑起泡部分的主劑，這樣可以避免由于流動性降低而在井底高溫高壓條件下形成有機垢，堵塞近井地區(qū)。
參考文獻
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[5] 王云峰，張春光，侯萬國.表面活性劑及其在油氣田中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1995.
 
(本文作者：李農(nóng)1，2 蔣華全3 曹世昌3 繆海燕2 羅遠平3 謝惠勇4 1.西南石油大學(xué)；2.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院；3.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦；4.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院)