尕斯油田位于青海省柴达木盆地尕斯断陷，至今已注水开发20年。长期的注水开发和高含蜡量的油品导致管道结蜡严重，严重影响油气的渗流运输[1]。尕斯油藏地层水矿化度高(水型为CaCl2型，矿化度为94 000~180 000 mg/L)、地层平均温度为65 ℃，地层压力系数为1.042~1.077[2-4]。
目前，用于洗井的起泡剂常为液态，在使用时存在低温冻结、运输困难等问题，固体起泡剂可以解决上述问题。蒋泽银等[5]使用甜菜碱型起泡剂CT5-7CⅠ作为长宁页岩气田的泡排剂，效果良好，但其耐矿化度能力较低; 杨亚聪等[6]研发了一款新型氧化铵型抗油起泡剂，抗盐能力强，耐凝析油能力优良，但其加量较大(质量分数5%)，不利于大规模使用; Norio等[7]、许园等[8]研发了一种含氟表面活性剂，其降低表面张力能力较强，有良好的起泡、抗盐和耐凝析油能力，但含氟表面活性剂合成困难，价格昂贵，无法大规模使用。针对尕斯油田水高矿化度、凝析油分布广的特点，研发一种抗盐能力强、具有一定耐凝析油能力的固体起泡剂，以满足尕斯油田洗井的要求。本研究基于表面活性剂的结构与其抗盐性的理论基础，对8种常用的阳离子、两性离子及非离子表面活性剂进行了优选，筛选出其中耐高矿化度、耐油和耐温的组分进行复配，得到可同时满足耐盐、耐油和耐温要求的起泡剂，实验室测试效果良好，可以满足该井区洗井作业的要求。
阳离子表面活性剂2种：十四烷基三甲基溴化铵(1431)、十六烷基三甲基氯化铵(1631);两性表面活性剂4种：椰油酰胺丙基氧化铵(CAO)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)、十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)、月桂酰胺丙基甜菜碱(RFN-414);非离子表面活性剂2种：茶皂素、YN-1;稳泡剂：聚乙烯醇(PVA1799)、不同分子量聚乙二醇(PEG)、羟丙基胍胶(HPG); NaCl和CaCl2(代替矿化度); 航空煤油(代替凝析油)，尿素(固定剂)。
罗氏泡沫仪，动态泡沫分析仪(DFA100)，高速搅拌器，六速旋转黏度计，电子天平(精度为0.000 1 g)，滚子炉，磁力搅拌器，压缩机，烧杯(规格为200 mL)，量筒(规格为1 000 mL)。
韦伯搅拌法测定起泡剂的性能[9]。配制150 mL溶液，将溶液倒入高速搅拌机量筒中，设置转速为10 000 r/min，搅拌180 s。然后将泡沫倒入量筒(1 000 mL)中，记录泡沫体积和泡沫析出一半液体(即75 mL)所需的时间，该时间记为泡沫的半衰期(t1/2)。
用泡沫的最大体积(V0)和泡沫的半衰期(t1/2)计算泡沫强度FCL(Foan complex Index)，得到泡沫强度的近似值：FCL≈0.75V0t1/2。
尕斯N1-N2油藏采出水分析结果见表 1[2-4]，地层水为中性水，矿化度分布范围较大(94 000~180 000 mg/L)，水质组成主要以NaCl和CaCl2为主。
根据地层水的水质分析结果(见表 1)，计算出采出水中的NaCl质量浓度为85 g/L，CaCl2质量浓度为15 g/L，根据计算结果配制模拟水。
阴离子型起泡剂遇到高矿化度地层水时与水中的钙镁离子反应生成沉淀，严重影响起泡能力和泡沫稳定性; 阳离子类起泡剂溶解时释放阳离子，不受水中的钙镁离子影响; 两性离子起泡剂同时含有阴阳离子亲水基，耐盐能力优良; 非离子型起泡剂因不电离出离子，电解质对其影响较小[10]。由于尕斯油田水中含有大量的钙离子，阴离子起泡剂不适合该油藏; 阳离子、两性离子、非离子型起泡剂的抗电解质能力优良，可作为耐盐起泡剂。
阳离子型起泡剂主要为有机胺衍生盐类[10]，两性离子型起泡剂常见的有甜菜碱类、烷基氧化胺类等，非离子型起泡剂常用的有聚氧乙烯醚类、烷基糖苷类等。郑继龙[11]研究了起泡剂亲水基团和疏水链长对起泡剂性能的影响，提出含有酰胺基的亲水基团和疏水链长为14的起泡剂性能优于其他起泡剂。在模拟水中分别加入质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的阳离子型起泡剂1431、1631、两性离子型起泡剂CAO-30、RFN-414、CAB、BS-12和非离子型起泡剂茶皂素、YN-1，用韦伯法测定起泡剂的性能，结果见图 1。
从图 1可知：在相同的质量分数下，起泡力排序为：两性离子型起泡剂>阳离子型起泡剂>非离子型起泡剂; 在泡沫稳定性方面：非离子型起泡剂>两性离子型起泡剂>阳离子型起泡剂。通过实验的对比发现：两性离子甜菜碱型和两性离子氧化胺型的起泡剂发泡能力优于有机胺衍生盐类，也优于非离子类起泡剂。根据实验结果，结合经济、原料来源等因素，选定CAB、CAO-30和YN-1作为耐盐组分。
实验发现单一类型的起泡剂存在缺陷，CAB和CAO-30为两性离子起泡剂，具有良好的发泡力，但泡沫稳定性差; YN-1为非离子起泡剂，具有良好的泡沫稳定性，但发泡能力弱。单一的起泡剂无法满足在工程上的使用(起泡剂质量分数不高于0.3%)。表面活性剂复配具有协同增效作用，可增强起泡剂的起泡力和泡沫稳定性，满足在工程上的使用要求。
控制起泡剂的总质量分数为0.3%，将CAO-30、CAB和YN-1按一定比例复配，测定复配体系表面张力和泡沫性能，结果见表 2。
从表 2可知，CAB与YN-1的复配效果最佳，在保持起泡能力的同时，提高了泡沫的稳定性。甜菜碱型两性离子起泡剂CAB与烷基糖苷非离子起泡剂YN-1组合具有协同增效作用。
控制起泡剂的总质量分数为0.3%，将CAB和YN-1按不同质量比(0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0)复配，复配体系泡沫性能见图 2。
从图 2可知，随着CAB质量分数的增加，复配体系的泡沫体积增大，但泡沫的稳定性下降，结合图 2(b)，确定CAB与YN-1的最佳质量比为4:6。
复配体系能够在一定质量分数下提升起泡剂的泡沫性能，复配后的起泡剂泡沫强度依然为中等泡沫流体，且泡沫的稳定性较差，其半衰期仅有9 min，无法满足工程上的使用。赵洪凯、杨波、郭程飞、Behnam等[12-15]使用聚丙烯酰胺、纳米粒子和聚乙烯醇等作为稳泡剂，稳泡效果良好。分别在复配体系中加入质量分数为0.06%的PVA1799、PEG200、PEG400、PEG1000、PEG6000、超细羟丙基胍胶(HPG)，测定起泡剂的泡沫性能，结果见图 3。
从图 3可知，添加的聚合物稳泡效果有限，PEG6000效果最好。但在实验过程中发现，随着聚合物分子量的增大，泡沫体积减少，泡沫稳定性逐步提升。在体系中加入HPG，起泡剂溶液的黏度大幅上升，泡沫体积有所下降，泡沫稳定性迅速上升，在相同浓度下，添加HPG的体系泡沫稳定性优于其他稳泡剂。
在复配体系中分别加入溶液质量分数为0.02%、0.04%、0.06%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.22%的HPG作为稳泡剂，测定起泡剂的泡沫性能，结果见图 4。
从图 4可知，随着HPG质量分数的增加，泡沫的强度不断增加; 在HPG质量分数大于0.16%时，泡沫流体成为高强度泡沫流体; 随着HPG质量分数的增大，泡沫的稳定性逐步增强，但泡沫体积渐渐减小; 当HPG质量分数大于0.12%时，泡沫体积低于600 mL。综合泡沫体积和泡沫稳定性两个因素，确定HPG质量分数为0.10%。
复配起泡剂的最终配方为：m(CAB): m(YN-1): m(HPG)=6:9:5。
用DFA100分析仪从微观观察HPG对泡沫稳定性的影响，结果见图 5。在起泡20 s时，未加HPG的起泡剂每1 mm2平均有14.457个泡沫，而加了HPG的起泡剂上每1 mm2平均有19.750个泡沫。说明加入HPG可产生更多细小的泡沫，降低了单一气泡的比表面积，从而增强了泡沫的稳定性。
为了便于起泡剂的存储和运输及解决低温使用结冻的问题，使用尿素作为固定剂，将起泡剂固化成型制成固体起泡剂。
用模拟水将固体起泡剂配制成质量分数为0.3%的溶液，在常温下测试起泡剂在煤油(代替凝析油)质量分数为10%~30%时的泡沫性能，结果见图 6。
从图 6可知：加入凝析油会降低起泡剂的起泡能力，当油质量分数从10%增加到30%时，泡沫体积从640 mL降至550 mL，发泡能力小幅度降低，但泡沫的稳定性大幅提高; 当油质量分数为10%时，泡沫半衰期为27 min(较不含油溶液泡沫半衰期大幅增长)，当油质量分数达到30%时，泡沫半衰期增加到44 min，同时，泡沫强度达到高强度泡沫流体，说明该起泡剂的耐油能力良好。
用含油质量分数为10%的模拟水配制质量分数为0.3%的起泡剂溶液，使用滚子炉测试起泡剂溶液在60~110 ℃(尕斯油田的井温为65 ℃)的泡沫性能，结果见图 7。
由图 7可知，起泡剂的泡沫性能受温度影响较大，在高于80 ℃时，起泡剂的泡沫性能迅速下降。由于起泡剂中的主要组分YN-1为非离子起泡剂，其浊点温度约为80 ℃，在高于该温度时，部分YN-1从溶液中脱出，起泡剂溶液的组分含量发生变化，从而降低了起泡剂的泡沫性能。该起泡剂的最大耐温能力为80 ℃。
用六速旋转黏度计模拟洗井过程[16]，称取2 g油泥涂抹于滤纸上，将滤纸绑在旋转筒上，倒入250 mL的泡沫。保持量筒温度为65 ℃，使用600 r/min的转速清洗筒壁上的油泥，分别清洗5 min、10 min、15 min、20 min和25 min，清洗结束后，将滤纸晾干，称量晾干后的滤纸质量，结果见图 8。
由图 8可知，随着清洗时间的延长，从筒壁上清洗下来的油污质量随之增大，当清洗时间为10 min时，2 g油泥被清洗下1.77 g，随着清洗时间的增加，油泥清洗下的质量小幅度变化，基本维持在1.8 g左右，说明该质量已经达到了泡沫的最大清洗能力。该起泡剂的最大清洗油污能力可达到90%。
使用罗氏泡沫仪检测固体起泡剂的泡沫性能，在地层水和模拟水中分别添加质量分数为0.3%(有效含量)的起泡剂，在凝析油质量分数为20%、温度为65 ℃下检测其泡沫性能，结果见表 3。
由表 3可知，起泡剂在模拟水和地层水中起泡高度相近，3 min后泡高也近似，携液量相同，说明起泡剂在地层水中能够发泡，且泡沫性能良好。
(1) 通过使用韦伯搅拌法对8种起泡剂进行耐盐性能筛选，最终筛选出了CAO-30(两性离子氧化铵型)、CAB(两性离子甜菜碱型)、YN-1(非离子烷基糖苷型)3种起泡剂，并对3种起泡剂进行复配，确定的最佳复配质量比为：m(CAB): m(YN-1)=2:3，其泡沫性能优于单一的起泡剂。
(2) 对6种稳泡剂进行筛选，优选出HPG的稳泡效果最佳，并确定其最佳加量为溶液质量分数的0.1%，此时起泡剂的泡沫体积660 mL，泡沫半衰期17 min。复配起泡剂的最佳复配质量比为：m(CAB): m(YN-1): m(HPG)=6:9:5。
(3) 使用尿素作固定剂将复配起泡剂制成固体起泡剂，并对起泡剂进行性能评价。结果显示，固体起泡剂与地层水配伍性良好、最大耐凝析油体积分数为30%，最高耐温为80 ℃，具有一定的清洗油污能力。
2022, Vol. 51 Issue (3): 98-104
2022, Vol. 51 Issue (3): 98-104