石油与天然气化工  2012, Vol. 41 Issue (3): 308-310
抗高温泡沫排水用起泡剂的研究与性能评价
熊颖1 , 贾静2 , 刘爽1 , 蒋泽银1 , 任宇1 , 吴文刚1 , 龙顺敏1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油西南油气田公司川中油气矿
收稿日期：2011-09-22
作者简介：熊颖(1981-)，四川内江人，2004年毕业于西南石油大学应用化学专业，2009年获西南石油大学应用化学专业博士学位，现在中国石油西南油气田公司天然气研究院从事油气田开发方面的工作液(剂)研究.
摘要：以分子结构上含有磺酸基团、主链碳链较长的甜菜碱为主要成分，复配少量具有协同作用的直链烷烃磺酸盐，研制出了一种抗高温起泡剂。该起泡剂能显著降低地层水的表(界)面张力，具有良好的表面活性，利于泡沫产生，且起泡能力、泡沫稳定性以及携液能力均较好，在150 ℃下具有良好的热稳定性，表现出了较强的抗高温能力。采用高温气井泡沫排水室内模拟实验装置, 较真实地模拟了高温气井的泡沫排水过程，评价了该起泡剂在150 ℃下的泡沫动态性能。模拟实验结果表明：该起泡剂在150 ℃下仍具有良好的泡沫携液能力。
关键词：泡沫排水    积液    起泡剂    高温    
Research and performance evaluation of a high temperature resistant foaming agent for drainage
Xiong Ying1 , Jia Jing2 , Liu Shuang1 , et al     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. Central Sichuan Oil and Gas District, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Suining 629000, Sichuan, China
Abstract: Taking the betaine of molecular structure containing sulfonic acid groups and longer main carbon chain as the main component, compounded with a small amount of straight chain paraffin sulphonate having synergistic active effect, a high temperature foaming agent was developed. The foaming agent can significantly reduce the surface tension and interfacial tension of the formation water, and has good surface activity being favor of foaming. The foamability, foam stability and carrying liquid ability of foaming agent are all preferable, it has good thermal stability at 150 ℃, and shows a strong resistance ability to high temperature. The lab simulation experiment device with high temperature gas well foaming agent for drainage can simulate high temperature gas well foam drainage process factually. The experiment evaluated the foam dynamic performance of foaming agent at 150℃. The simulation results show that the foaming agent still has good liquid carrying capacity at 150℃.
Key words: foam drainage    liquid loading    foaming agent    high temperature    

对于有水气藏，随着天然气的不断采出，地层能量及带液能力逐渐降低，井底常出现积液，使得气井产能急剧下降，甚至造成气井提前报废，严重影响气井正常生产[1-2]。对于气井井底积液的清除，最简单常用的方法就是进行泡沫排水作业，稳定有水气井生产[3-4]。目前，川渝地区井底温度在150 ℃左右的高温气井逐年增多，出水快、自身不能有效携液，导致井底积液。由于高温对泡沫的消泡作用、高温下非离子起泡剂的浊点问题、起泡剂与地层水高温下的配伍性问题以及起泡剂高温下的热降解问题等，使得许多起泡剂对高温气井失效。因此，有必要开展抗高温起泡剂研究，解决高温气井的积液难题。

1 抗高温起泡剂研制

表 1是各种类型起泡剂的优缺点及适用温度范围。从表 1可以看出，现有起泡剂的抗高温能力差(≤120 ℃)，不能满足井底温度在150 ℃左右高温气井的泡沫排水要求。为此，本实验研制出了一种复配型抗高温起泡剂。该起泡剂以两性离子表面活性剂为主，复配了少量与其具有协同作用的阴离子表面活性剂。

表 1    常用起泡剂的优缺点与适用温度范围

所含的两性离子表面活性剂为一种分子主链的碳链较长(大于12个C)，且含有磺酸基团的甜菜碱。甜菜碱结构使得该起泡剂具有良好的起泡能力，抗盐能力强；磺酸基团的引入使得该起泡剂的抗高温能力得到了提高；而较长碳链的引入使得泡沫液膜具有一定粘度，液膜强度得到提高，改善了泡沫在高温下的稳定性，从而进一步提高该起泡剂的抗高温能力。

复配的少量阴离子表面活性剂为一种直链烷烃结构的磺酸盐。磺酸盐基团与两性离子表面活性剂所带的正电荷存在静电吸引作用，且两种表面活性剂的碳氢链还存在一定的疏水相互作用，使得二者在液/气界面层排列更加紧密，吸附量更大，表面活性更高，且形成泡沫后，表面活性剂在液膜上的紧密排列也使得液膜强度增强，因此泡沫稳定性得到了进一步提高。

本实验通过复配研制出的这种抗高温起泡剂无毒，pH值为6~8，密度为1.0 g/cm3~1.1 g/cm3，热降解温度＞200 ℃。

2 抗高温起泡剂泡沫性能
2.1 表面活性

表 2为抗高温起泡剂的表(界)面张力。从表 2可以看出，地层水的表(界)面张力较高，不利于泡沫产生。加入抗高温起泡剂后，其表(界)面张力大幅降低，有利于克服表面能做功，使得起泡容易。抗高温起泡剂分子在液/气界面上吸附，定向排列，亲水基团指向液相，亲油基团指向气相，使得大部分液/气界面被表面活性剂分子/气界面所取代，在创造单位面积的新界面时所需要能量较小，即降低了地层水的表(界)面张力。

表 2    抗高温起泡剂的表(界)面张力

2.2 起泡能力、泡沫稳定性和携液能力

起泡剂的起泡能力、泡沫稳定性采用倾注法(Ross-Miles法)测定，携液能力采用SY/T 5761-1995《排水采气用起泡剂CT5-2》中规定的携液能力测定装置测定。图 1是抗高温起泡剂的起泡能力，图 2是抗高温起泡剂的泡沫稳定性，图 3是抗高温起泡剂的携液能力。从图 1~图 3可以看出，随着抗高温起泡剂质量浓度的增大，其起泡能力、泡沫稳定性以及携液能力均有不同程度提高，且增大到一定浓度后逐渐趋于稳定。由于抗高温起泡剂质量浓度提高，增加了泡沫表面膜的吸附量，使得表面活性剂分子更加紧密排布，液膜表面粘度和弹性得到提高，降低了液膜的排液速率，使得泡沫稳定性增强，携液能力提高，改善了泡沫性能。同时，实验中发现泡沫流在被举升过程中未出现明显的滑脱现象，进一步表明抗高温起泡剂具有良好的泡沫排水性能。高温气井A地层水的起泡剂浓度为2.0 g/L、高温气井B的地层水起泡剂浓度为1.0 g/L时，泡沫排水性能较好。

图 1     抗高温起泡剂的起泡能力（90 ℃)

图 2     抗高温起泡剂的泡沬稳定性(90 ℃)

图 3     抗高温起泡剂的携液能力（90 ℃)

2.3 热稳定性

井底的高温条件对起泡剂的性能具有一定影响。本实验参照SY/T6465-2000《泡沫排水采气用起泡剂评价方法》，采用高温高压反应釜对抗高温起泡剂进行了150 ℃高温老化24h，重新评价了抗高温起泡剂的起泡能力、泡沫稳定性以及携液能力，从而考察了抗高温起泡剂的热稳定性。

从表 3可以看出，抗高温起泡剂在150 ℃下老化24 h后，其泡沫排水性能均未有显著降低(携液能力还略有提高)，表明抗高温起泡剂在井底的高温条件下未发生降解失效，具有良好的热稳定性。

表 3    抗高温起泡剂的热稳定性

2.4 高温气井泡沫排水模拟实验

本实验采用高温气井泡沫排水室内模拟实验装置(专利号：ZL201020570755.2[6])进行高温泡沫排水模拟实验。该装置可以在150 ℃下直接测试抗高温起泡剂的泡沫动态性能(以携液率表示)。图 4是高温气井泡沫排水室内模拟实验装置示意图。图 5是抗高温起泡剂在150 ℃下的泡沫动态性能。

图 4     高温气井泡沬排水室内模拟实验装置示意图 (1-模拟高温井筒；2、12-顶座；3-泡沫连接弯管；4-进气口；5、14-底座；6-气体分散头; 7-温度传感器; 8、15-出液口；9-温控加热设备; 10-气体计量设备; 11-泡沐接收器；13-出气口；16-回压调节阀；17-回压调节阀进气口；18-回压调令阀加压口；19-阀门；20、23、25、27、28、30、32-减压阀；21-回压调节阀出气口；22-通风橱；24、26、29-压力表；31-放空处)

图 5     抗高温起泡剂在150 ℃下的泡沬动态性能

实验时，模拟高温井筒(1)中的起泡剂试液在井筒底部的气流冲击下产生泡沫，通过泡沫连接弯管(3)进入泡沫接收器(11)中，并与消泡剂接触而消泡，模拟泡沫排水过程中的起泡、泡沫举升和消泡过程。其中，泡沫接收器(11)、泡沫连接弯管(3)和模拟高温井筒(1)处于同一密闭系统，通入高压气体对该密闭系统进行加压，从而实现起泡剂试液在高温下不沸腾，可在高温下对泡沫排水过程进行模拟，测试出抗高温起泡剂的泡沫动态性能。

从图 5可以看出，抗高温起泡剂能在150 ℃高温下携带出积液，并且随着起泡剂浓度的增大，其携液率不断上升，达到一定程度后趋于稳定。高温气井A的抗高温起泡剂浓度为2.5 g/L、高温气井B的抗高温起泡剂浓度为1.0 g/L时，其携液率达60%以上，可满足现场施工要求。

3 结论

(1) 采用分子结构上含有磺酸基团、主链碳链较长的一种甜菜碱为主剂，复配少量与其具有协同作用的直链烷烃磺酸盐，研制出了一种抗高温起泡剂。

(2) 该起泡剂能显著降低地层水的表(界)面张力，且起泡能力、泡沫稳定性以及携液能力均较好，在150 ℃下老化24 h后其基本性能未有明显降低，热稳定性好。模拟实验表明，该起泡剂在150 ℃下仍具有良好泡沫动态性能(携液率大)。

参考文献
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熊颖, 刘友权, 蒋泽银, 等.高温气井泡沫排水室内模拟实验装置: 中国, ZL201020570755.2[P]. 2011-04-27. http://cprs.patentstar.com.cn/Search/Detail?ANE=9HEE9CHA9HFE6GAA9CGB9BIA9FBC9DGH9EFA9HCH5AAA9AHD
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