高溫高壓條件下泡排劑PP-F13發泡性及穩定性評價

郭程飛，付德奎，高 強，劉瀟瀟，紀妍妍

(中國石化中原油田 普光分公司采氣廠，四川 達州 636155)

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高溫高壓條件下泡排劑PP-F13發泡性及穩定性評價

郭程飛，付德奎，高 強，劉瀟瀟，紀妍妍

(中國石化中原油田 普光分公司采氣廠，四川 達州 636155)

使用改進氣流法，對泡排劑PP-F13在高溫高壓條件下的發泡能力、穩定性及攜液能力開展了實驗評價。結果表明，高壓有利于泡沫性能，隨著壓力的增大，泡沫穩定性顯著提高，20 MPa的泡沫半衰期較常壓增幅為199.14%，并且壓力高于10 MPa后，泡沫穩定性提高幅度不大；而隨著溫度的增加，泡沫穩定性大幅度降低。壓力與溫度對泡沫的發泡性影響都不大。穩泡劑能夠改善泡排劑的高溫穩定性，其中無機穩泡劑SiO2穩泡能力優于有機穩泡劑HPAM及CMC，適用于高溫氣藏條件。當壓力10 MPa、溫度120 ℃時，含SiO2復合泡沫體系的泡沫半衰期是相同條件下無穩泡劑泡沫體系的3.59倍，達到1 295 s。高溫高壓動態攜液實驗表明，氣流速度較低時，SiO2穩泡劑對泡排劑攜液能力作用小，但隨著氣流速度的增大，SiO2復合泡沫體系攜液能力較無穩泡劑泡沫體系有顯著提高。

泡排劑；泡沫穩定性；發泡能力；攜液能力

郭程飛，付德奎，高強，等.高溫高壓條件下泡排劑PP-F13發泡性及穩定性評價[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2016，31(6)：87-91,113.

GUO Chengfei,FU Dekui,GAO Qiang,et al.Evaluation of foaming performance and stability of foam drainage agent PP-F13 at high-temperature and high-pressure[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):87-91,113.

引 言

由于工藝簡單、適應性廣且成本低廉，泡沫排水已經廣泛應用于各類氣田，成為氣井排水采氣最有效的工藝之一，取得了較好的技術經濟效益[1-3]。對于見水氣井，泡排劑能夠在井底氣流的攪動下生成泡沫，減小積液對井底的回壓作用，并攜帶井底積液至井口，實現氣井排水[4]。泡沫排水工藝主要受到氣藏條件和泡排劑性質兩方面的影響。泡排劑研發工作已取得較大進展，研制出一批耐溫、抗鹽、耐高含凝析油的泡排劑[5-8]。目前常壓條件下泡排劑評價方法主要有氣流法、Ross-Miles法、Waring Blender法、打孔法等[9-10]，這些評價方法對于高溫氣藏(氣藏溫度高于100 ℃)的現場應用效果不佳，甚至失效。而已有報道的泡排劑或起泡劑高溫高壓評價方法采用的是改進的吳茵攪拌法[11-12]，它不能準確模擬井底氣流擾動發泡方式，這與氣藏實際也不相符。

在前期工作中使用Waring Blender法對大量耐溫、抗鹽型泡排劑進行初篩與復篩，得到泡沫性能理想的泡排劑PP-F13，在此基礎上，本文使用改進的氣流法研究高溫高壓氣藏條件下泡排劑PP-F13的泡沫性能，評價了其在氣流攪動條件下的發泡性、泡沫穩定性以及攜液能力，為高溫高壓氣藏條件下泡沫排水技術的推廣應用提供可借鑒的研究思路和研究方法。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

泡排劑為抗鹽陰離子復配表面活性劑PP-F13，有效物含量30%，實驗室自制；發泡氣體為N2(純度99.5%)。模擬地層水礦化度93 070 mg/L，離子組成(mg/L)為：Na+35 033、Ca2+1 263、Mg2+211、Cl-53 019、SO42-1 177、HCO3-2 367。試劑NaCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3，分析純，成都科龍化工試劑廠。穩泡劑：SiO2，納米級，粒徑(30±5)nm，四川西亞試劑；部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，相對分子量600×104，水解度25%，法國艾森；CMC羧甲基纖維素鈉，分析純，成都市科龍化工試劑廠。尾氣處理使用煤油作為消泡劑。

1.2 實驗儀器

高溫高壓氣井泡沫排水模擬裝置如圖1所示，分為3個部分：①氣體與液體注入流程，包括高壓氣瓶、減壓閥、流量計、手搖泵；②高溫高壓評價裝置，包括加熱套(常溫至150 ℃)、耐壓玻璃管(常壓至20 MPa，管徑2 cm，高度150 cm)、可視化窗口、泡沫發生器以及溫壓控制系統，江蘇海安石油科研儀器有限公司生產；③尾氣處理流程，利用煤油對產出泡沫進行消泡，并可通過消泡池質量的變化計算泡沫攜液量及攜液速度。

圖1 高溫高壓氣井泡沫排水模擬裝置Fig.1 Simulation device for foam drainage in high-temperature and high-pressure gas well

1.3 實驗方法

(1)對不同溫度和壓力條件下泡排劑發泡性及穩定性評價，研究溫度和壓力對泡排劑性能的影響；泡排劑溶液有效物質量分數為0.2%，200 mL，模擬地層水配制。實驗步驟為：先將泡排劑溶液泵入耐壓玻璃管中，加熱至實驗溫度；再注入氮氣發泡并加至所需壓力；最后關閉閥門，觀察記錄泡沫體積與泡沫半衰期。

(2)開展穩泡劑對泡排劑性能影響實驗，研究不同穩泡劑應用效果，泡排劑溶液有效物質量分數為0.2%，穩泡劑質量分數為0.1%，200 mL，模擬地層水配制。實驗步驟同(1)。

(3)開展高溫高壓條件下泡排劑攜液能力實驗。實驗步驟為：將200 mL、0.2%泡排劑+0.1%穩泡劑溶液泵入耐壓玻璃管中，加熱至實驗溫度；連接回壓閥，設置壓力為10 MPa；注入氮氣發泡，直至系統壓力為10 MPa；繼續注氣并控制氣體流量[13]，氣體流量為1～16 L/min(或氣體流速0.013～0.210 m/s)；記錄單位時間內出口端流出液體的質量，再換算成體積流量，計算攜液速度。

2 實驗結果與分析

2.1 壓力對泡排劑泡沫性能的影響

圖2反映了壓力對泡排劑PP-F13泡沫體積和泡沫半衰期的影響。實驗溫度100 ℃。

圖2 壓力對泡排劑泡沫體積和泡沫半衰期的影響(溫度100 ℃)Fig.2 Effect of pressure on foaming volume and foam half-life time of PP-F13 (100 ℃)

由圖2可知，隨著壓力的增加，泡沫體積和泡沫半衰期均增大，說明高壓有利于泡排劑的發泡性和穩定性。對于泡排劑的發泡性，隨著壓力增加，泡沫體積由常壓條件下的1 850 mL增加至1 MPa下的1 880 mL；壓力繼續增大，泡排劑的發泡性能平穩增加，當壓力為10 MPa時，泡沫體積為2 275 mL；繼續增大壓力，泡沫體積緩慢增加至20 MPa條件下的2 350 mL。壓力對泡排劑的發泡性能有利，這是由于壓力越高，氣體對泡排劑溶液做功越多，能夠克服生成泡沫的Gibbs表面功，因而泡沫體積越大；此外，由于壓力的增加，形成的泡沫直徑相對較小，單位體積內的泡沫數量增加，單個泡沫形成的液膜質量減小，使得在注入氮氣過程中，泡沫能穩定增加，形成的泡沫不易被注入的氣體吹破，間接增強了發泡能力。但泡沫體積隨著壓力增加，其增幅不大，20 MPa條件相對于常壓，泡沫體積僅增加了27.02%。

泡沫半衰期受到壓力影響較大，尤其在低壓條件下泡沫半衰期變化幅度較大。由圖2可知，1 MPa時的泡沫半衰期由常壓條件下的234 s增加到425 s，增幅81.62%；隨著壓力的進一步增加，泡沫半衰期增幅減緩，15 MPa時的泡沫半衰期相對于1 MPa條件增幅為57.64%；當壓力高于15 MPa后，泡沫半衰期隨壓力的增加幅度進一步減緩，20 MPa相對于15 MPa增幅僅為4.48%，20 MPa相對于常壓增幅達到199.14%。常壓條件下泡沫半衰期較小，主要由于在100 ℃時，外界壓力與水飽和蒸汽壓相等(實驗條件下礦化水的沸點接近100 ℃)，因而發生了嚴重的蒸發，破壞了泡沫體系的平衡。使得泡沫體系水分蒸發、表層液膜破裂，形成的泡沫極不穩定。當壓力為1 MPa時，遠高于100 ℃條件下的飽和蒸汽壓，泡沫表面不再劇烈蒸發；同時由于壓力的增加單個泡沫體積減小，單個泡沫液膜質量下降，泡沫強度增加，因而穩定性也大大提高。此外，由圖2可知，壓力高于10 MPa后，泡沫體積和泡沫半衰期變化不大，因此選擇壓力10 MPa作為實驗條件。

2.2 溫度對泡排劑泡沫性能的影響

圖3反映了溫度對泡排劑PP-F13發泡體積和泡沫半衰期的影響。

圖3 溫度對泡排劑泡沫體積和泡沫半衰期的影響(壓力10 MPa)Fig.3 Effect of temperature on foaming volume and foam half-life time of PP-F13 (10 MPa)

從圖3可以看出，泡沫體積隨著溫度增加先迅速增大后保持平穩，當溫度為100 ℃時為拐點，泡沫體積達到2 320 mL；而泡沫半衰期隨著溫度增加呈單調遞減變化，高于120 ℃后降幅減緩?？傮w而言，在10 MPa壓力條件下，泡沫體積略有增加，最大增幅僅為10.7%。而泡沫半衰期隨溫度的增加持續下降，溫度對泡沫穩定性影響較大，這是由于溫度越高，液膜表面黏度和表面彈性降低，因而穩定性持續降低。為此對泡排劑PP-F13進行改良，加入不同穩泡劑，提高泡沫穩定性。

2.3 穩泡劑對泡排劑泡沫性能的影響

分別選用有機型穩泡劑HPAM、CMC以及無機型穩泡劑SiO2分析穩泡劑對泡排劑PP-F13性能的影響。圖4、圖5分別給出了3種穩泡劑HPAM、CMC、SiO2以及無穩泡劑條件下泡排體系的泡沫體積和泡沫半衰期隨溫度變化規律。

從圖4可以看出，當溫度低于100 ℃，隨著溫度的增加，4個體系的泡沫體積均有增大，這可能與氣體受熱膨脹有關。但當溫度高于100 ℃后，4個體系的泡沫體積基本不變。值得注意的是，無穩泡劑和添加SiO2泡沫體系的泡沫體積大于其他2個添加有機穩泡劑的泡沫體積。分析認為，添加有機穩泡劑后，泡沫體系的視黏度增加，形成相同量的泡沫所需要的能量增大，因而降低了泡排劑的發泡性。此外，含HPAM穩泡劑的實驗組發泡性略低于含CMC的實驗組，也說明視黏度較大的HPAM實驗組對泡排劑的發泡性能影響相對較大。而無穩泡劑和添加SiO2泡沫體系泡沫體積相當，說明SiO2對泡排劑的發泡性影響不大。

圖4 不同溫度條件下穩泡劑對泡排劑泡沫體積的影響(壓力10 MPa)Fig.4 Effect of foam stabilizer and temperature on foaming volume of PP-F13 (10 MPa)

圖5 不同溫度條件下穩泡劑對泡排劑泡沫半衰期的影響(壓力10 MPa)Fig.5 Effect of foam stabilizer and temperature on foam half-life time of PP-F13 (10 MPa)

由圖5可知，隨著溫度的增大，4個體系的泡沫半衰期均下降。當溫度低于75 ℃時，添加穩泡劑的泡沫體系，泡沫半衰期明顯得到改善，并且有機體系HPAM和CMC略高于SiO2體系；高于75 ℃后，有機穩泡體系的泡沫穩定性下降幅度增大，但SiO2體系的泡沫半衰期下降幅度減緩。對于有機穩泡體系，主要是通過提高液相黏度來減緩泡沫排液速度，降低了泡沫的析液速度，同時由于穩泡劑與表面活性劑在氣液界面上的吸附，形成復合液膜[14]，使得泡沫強度增加，并且液膜變薄速度減緩，氣泡間的氣體交換速度也降低[15]，延長了泡沫半衰期。但HPAM和CMC的抗溫能力較差，隨著溫度的增加，降低了穩泡效果[16]，因此泡沫穩定性大幅度降低。對于SiO2體系，主要是通過納米級的SiO2固體粒子在泡沫界面膜上形成一層致密的殼層結構[17]，提高了液膜強度、減緩了界面膜的排液速度和氣體交換速度，達到增強泡沫穩定性的目的。此外SiO2固體粒子相對有機穩泡劑在泡沫表面上受到溫度的影響較小。但隨著溫度進一步增加，SiO2固體粒子布朗運動加快，破壞了殼層結構，因而泡沫半衰期有下降趨勢?？傊?，高溫條件下，無機穩泡劑SiO2對泡沫體系的穩定性更有利。

2.4 泡排劑動態攜液規律

使用單獨泡排劑PP-F13和添加了無機穩泡劑SiO2的復合泡排體系，開展高溫(120 ℃)高壓(10 MPa)條件下氣體流速對泡排劑動態攜液規律的研究，氣體流速0.013～0.210 m/s，結果如圖6所示?？梢钥闯?，當氣流速度低于0.110 m/s時，隨著氣流速度的增大，單獨使用泡排劑與復配SiO2的泡排體系的攜液速度均增大；流速大于0.110 m/s后，二者的攜液速度均降低。這說明氣流速度較低時，有利于泡排劑排液；但氣流速度較大時，例如氣體流速為0.210 m/s時，氣體可能破壞了泡沫或發生氣體滑脫，因此攜液速度降低。

圖6 氣流速度對泡排劑攜液速度的影響(溫度120 ℃，壓力10 MPa)Fig.6 Effect of foam stabilizer and gas flow rate on liquid carrying capability of PP-F13 (120 ℃,10 MPa)

由圖6還能看出，當氣流速度較低，為0.013 m/s時，單獨使用泡排劑與復合體系的攜液速度分別為3.0 mL/min和3.3 mL/min，相差0.3 mL/min，二者攜液能力相當。而隨著氣流速度的增大，當氣體流速為0.110 m/s時，復合體系攜液速度可以達到20.7 mL/min，相當于氣液比為386 mL/mL，折算成現場參數，氣井日產氣量50 000 m3/d即可有129 m3/d的攜液量，這大大提高了氣井的排液能力。進一步分析，復合體系攜液速度與單一體系攜液速度差值增加，復合體系表現出更優良的攜液能力，這是由于SiO2粒子形成的致密殼層增加了泡沫強度，減少了氣流對泡沫的破壞作用。因此，對于高溫、高壓、高產液量的氣井，應當添加無機穩泡劑來改善泡排劑的泡沫穩定性及攜液能力，使泡排技術在高溫條件下發揮更好的作用。

3 結 論

(1)改進的氣流法能模擬高溫高壓條件下的泡排劑泡沫性能評價實驗，并能實現泡排劑動態攜液能力評價。

(2)隨著壓力的增大，泡沫穩定性相對于常壓有顯著增加；溫度對泡排劑發泡性影響不大，但高溫條件降低了泡排劑的泡沫穩定性。

(3)穩泡劑HPAM、CMC及SiO2能增加泡排劑的泡沫半衰期，提高泡沫穩定性；溫度高于75 ℃后，有機穩泡劑HPAM、CMC對泡沫的穩定能力低于SiO2，無機穩泡劑SiO2更適用于高溫條件。

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責任編輯：董 瑾

Evaluation of Foaming Performance and Stability of Foam Drainage Agent PP-F13 at High-temperature and High-pressure

GUO Chengfei,FU Dekui,GAO Qiang,LIU Xiaoxiao,JI Yanyan

(Gas Production Plant of Puguang Branch,Zhongyuan Oilfield Company of Sinopec,Dazhou 636155,Sichuan,China)

The foaming ability,the foam stability and the liquid carrying capacity of foam drainage agent PP-F13 are evaluated by using the improved air flow method under the condition of high temperature and high pressure in laboratory.The experimental results show that,with the increase of pressure,foam stability significantly increases,compared with normal pressure,the foam half-life increases by 199.14% at 20 MPa,but when the pressure is higher than 10 MPa,the improvement of the foam stability becomes small;with the increase of temperature,the stability of foam is greatly reduced.The effect of pressure and temperature on the foaming ability of PP-F13 is very small.Foam stabilizers can improve the high temperature stability of PP-F13,in which the foam stabilizing ability of inorganic foam stabilizer SiO2is better than that of organic foam stabilizer HPAM and CMC,and SiO2is suitable for high temperature gas reservoir condition.Under the condition of 10 MPa and 120 ℃,the foam half-life of the composite foam system containing SiO2is 3.59 times as long as that of the foam system without foam stabilizer,and it can reach 1 295 s.High temperature and high pressure dynamic liquid carrying experiments show that,when the air flow rate is low,the SiO2foam stabilizer has little effect on the liquid carrying capacity of foam system,but with the increase of the gas flow rate,the liquid carrying capacity of the composite foam system containing SiO2is significantly improved compared with the foam system without foam stabilizer.

foam drainage agent;foam stability;foaming capacity;liquid carrying capability

2015-12-07

郭程飛(1989-)，男，碩士，主要從事油氣集輸與處理研究。E-mail: 1029404819@qq.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.013

TE357.46；O648.2+4；TE39

1673-064X(2016)06-0087-05

A