一種環保型氣井壓裂用起泡劑的研制與性能研究

雷自剛，李善建，劉婉

(1.西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065；2.石油管工程技術研究院，陜西 西安 710065；3.西安萬德能源化學股份有限公司，陜西 西安 710065)

起泡劑在地層泡沫壓裂、采氣、排水等工藝中有著廣泛的應用[1-2]。壓裂用氣井起泡劑要求其在高礦化度、酸化條件下具有優良的起泡性能和泡沫穩定性[3-4]。另外，化學品在注重油氣藏增產效果的同時，還應確保其在使用中安全、無毒、環保。

本文針對陜西延長石油氣井，研制一種環保耐酸抗鹽型起泡劑。通過對不同類型起泡劑篩選、復配得到一種具有良好泡沫性能、表面性能和配伍性能的環保型起泡劑，并通過偏光顯微鏡從微觀結構上對泡沫形貌進行分析，通過表面張力儀對復配體系表面性能進行分析、通過濁度計對復配體系穩定性進行分析，為現場應用提供了理論指導和可能性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)、椰油酰胺丙基氧化銨(CAO-30)、烷基酚聚氧乙烯醚-10(OP-10)、十二烷基硫酸鈉(K12)、十二烷基芐基氯化銨(1227)、十六烷基三甲基氯化銨(1631)、烷基糖苷(APG1214)均為化學純；鹽酸、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂均為分析純；自來水；蒸餾水實驗室自制。

GJ-3S數顯高速攪拌機；PC396秒表；DHG-9070電熱鼓風干燥箱；Sigma700全自動表面張力儀；BX51偏光顯微鏡；WGZ-2000濁度計。

1.2 實驗方法

1.2.1 標準溶液配制 標準鹽水配制方法參照《SY/T 5107—2005》，標準鹽酸為質量分數20%的鹽酸溶液。

1.2.2 標準加量 標準加量參照《Q/MRSY低傷害表面活性劑》，即蒸餾水和標準鹽水中起泡劑加量為0.3%，標準鹽酸中起泡劑加量為0.5%。

1.2.3 泡沫性能測定 起泡劑泡沫質量和半衰期測定方法參照《Q/MRSY低傷害表面活性劑》。

1.2.4 泡沫形貌測定 使用偏光顯微鏡從微觀結構對泡沫形貌和泡沫平均粒徑進行分析。

1.2.5 配伍性測定 使用濁度計對起泡劑配伍性能進行測定。

1.2.6 表面性能測定 使用全自動表面張力儀對起泡劑表面性能進行測定。

2 結果與討論

2.1 起泡劑的篩選

配制質量分數為0.1%的起泡劑溶液，測定不同起泡劑在蒸餾水中的泡沫質量和半衰期，結果見表1。

表1 不同起泡劑泡沫性能Table 1 Foam properties of different foaming agents

由表1可知，不同起泡劑的泡沫質量和泡沫穩定性呈現出明顯的差異，其中兩性型表面活性劑(CAB、CAO)、非離子型表面活性劑(APG)和陰離子型表面活性劑(K12、AES)均表現出良好的泡沫性能，但陽離子型表面活性劑(1227、1631)泡沫性能較差。影響起泡性能和泡沫穩定性的因素有表面張力、液膜強度以及表面活性劑的類型等，其中，液膜強度是影響泡沫性能的決定因素[5]。液膜強度可由表面粘度衡量，當液膜表面吸附有表面活性劑分子時，液膜表面黏度增大，減緩了膜上液體流動排出，從而使泡沫更加穩定，一般粘度較大的起泡劑具有良好的泡沫穩定性[6]；泡沫是氣體分散在液體中的熱力學不穩定體系，該體系具有較大的界面面積和較高的表面能，所以體系總是自發地朝著減少界面面積和降低表面能的方向進行，因此，低的表面張力有助于泡沫的生成[7-8]；另外，表面活性劑類型也會影響泡沫性能，當電性相同的表面活性劑分子吸附在液膜中時會因為同種電荷相斥導致吸附量減少和排列致密程度降低，不利于泡沫穩定性[9]。實驗中1631、1227和LAS因為其粘度小和同種電荷相斥，導致泡沫性能差。因此，在后續實驗中，將采用粘度較大、表面性能優良、泡沫性能良好的CAB和APG進行復配研究。

2.2 復配體系泡沫性能研究

按照不同質量配比將APG和CAB進行復配，研究標準加量下復配體系在蒸餾水、標準鹽水及標準鹽酸溶液中的泡沫性能，結果見圖1～圖3。

圖1 復配體系在蒸餾水中的泡沫性能Fig.1 Foam performance of the compound system in distilled water

圖2 復配體系在標準鹽水中的泡沫性能Fig.2 Foam performance of the compound system in the standard saline

圖3 復配體系在標準鹽酸中的泡沫性能Fig.3 Foam properties of composite systems in standard hydrochloric acid

由圖1～圖3可知，APG/CAB復配體系在蒸餾水、標準鹽水和標準鹽酸中均呈現出良好的泡沫性能。其中，在蒸餾水體系中，APG/CAB復配體系具有優異的泡沫性能，泡沫質量均>80%，半衰期均>9.5 min；在標準鹽水體系中，隨著APG/CAB比例的增加，泡沫性能逐漸增強并趨于穩定，當APG/CAB比例為5∶5時，泡沫質量可以達到80%，半衰期為11 min，說明起泡劑CAB耐鹽能力優于APG；在標準鹽酸體系中，隨著APG/CAB比例的增加，泡沫質量逐漸增加，泡沫半衰期逐漸減小。分析數據可知，CAB起泡性能更為優異，APG泡沫半衰期時間更長，泡沫更加穩定。這是因為CAB和APG都可以很好地降低表面張力，利于分散氣相的形成和穩定，CAB分子中含有酰胺基，改變了分子的性能，使其具有更好的泡沫穩定性和起泡性能；含有的羧基基團以及APG分子中的多個羥基基團可以和水分子形成氫鍵，有利于表面活性劑吸附在液膜上，排列更加緊密，降低膜的排液速率，有利于泡沫的形成和穩定。另外，APG粘度較大，增加了表觀粘度和提高了液膜強度，增加了泡沫穩定性。因此，APG/CAB復配體系質量配比為5∶5時，協同作用最強，在3種體系中均具有良好的泡沫性能。

2.3 復配體系加量研究

將APG和CAB按照1∶1的質量比進行復配，研究在蒸餾水、標準鹽水及標準鹽酸溶液中復配體系加量對泡沫性能的影響，結果見圖4～圖6。

圖4 復配體系在蒸餾水中的加量Fig.4 Dosage of compound system in distilled water

圖5 復配體系在標準鹽水中的加量Fig.5 Dosage of the compound system in the standard salt water

圖6 復配體系在標準鹽酸中的加量Fig.6 Dosage of compound system in standard hydrochloric acid

企業對起泡劑的技術指標為泡沫質量(Fq)≥75%，半衰期(t1/2)≥5 min，在標準加量下，APG/CAB復配體系起泡性能遠大于技術指標。在滿足生產需要的同時，對起泡劑加量進行優化，由圖4～圖6可知，隨著APG/CAB復配體系含量的減少，泡沫質量和半衰期逐漸減少。其中，在蒸餾水和標準鹽水體系中，起泡劑在加量為0.09%時仍能滿足指標要求；在標準鹽酸體系中，起泡劑在加量為0.2%時仍能滿足指標要求。說明該復配體系除了具有良好的泡沫性能外，還具有加量少的優點，有較好的經濟效益，為現場應用提供可能性。

2.4 復配體系泡沫微觀分析

配制質量濃度為0.3%的APG/CAB復配體系，通過偏光顯微鏡，研究其泡沫在半衰期10 min左右的光學顯微結構，結果見圖7。

由圖7可知，氣泡呈球形或者橢球形，泡沫直徑介于50～100 μm(由于通過偏光顯微鏡觀測泡沫微觀形態時，蓋玻片的擠壓作用會對泡沫的形狀和直徑造成影響，使得泡沫不規則、直徑變大)，泡沫細膩。圖中連續相存在非均相結構，表面活性劑分子在水中形成“線狀”自聚體結構吸附在氣泡界面上或分散在液膜中，增加了液膜的粘度，減緩排液速率，有助于泡沫穩定；由于光的折射作用，形成了氣泡呈明亮、液膜呈黑色的現象，由圖可知，液膜具有一定的厚度，機械強度高、抗外壓作用強、有利于泡沫的穩定性。

圖7 復配體系泡沫光學顯微結構Fig.7 Optical microstructure of foam in composite system

2.5 復配體系表面張力的研究

將APG和CAB按照1∶1的質量比進行復配，研究不同濃度的復配體系表面張力，并作出表面張力與濃度對數關系曲線圖，結果見圖8。

圖8 APG/CAB復配體系表面張力Fig.8 Surface tension of APG/CAB composite system

由圖8可知，APG/CAB復配體系隨著濃度的增加，表面張力逐漸減小，當濃度為1 000 mg/L時，表面張力逐漸趨于穩定，表明復配體系形成了穩定的混合膠束，該濃度即為APG/CAB復配體系臨界膠束濃度。該復配體系具有較低的臨界膠束濃度也間接驗證了在較低的加量下具有優良的泡沫性能。泡沫是熱力學不穩定體系，泡沫的生成是液體表面積增加的過程，也是體系能量增加的過程，因此較低的表面張力可以減少體系能量的增加，有利于泡沫的生成。泡沫排液速率會直接影響泡沫的穩定性，而泡沫排液速率和氣泡液膜交界處與平面液膜之間的壓力差有關，低表面張力會減小它們之間的壓力差，從而降低排液速率，有利于泡沫的穩定[10]。

2.6 復配體系配伍性研究

將APG和CAB按照1∶1的質量比進行復配，標準加量下，使用濁度計對復配體系在標準溶液中的配伍性進行測定研究，結果見表2。

表2 APG/CAB復配體系配伍性Table 2 Compatibility of APG/CAB system

3 結論

(1)椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)、烷基糖苷(APG1214)均為綠色起泡劑，復配體系在實際應用中具有安全、無毒、環保的優點，符合工業綠色發展的要求。

(2)按m(CAB-35)∶m(APG1214)=1∶1將CAB-35與APG1214進行復配，復配體系具有優良的泡沫性能。標準加量下，在蒸餾水中泡沫質量為81.1%，半衰期為10.3 min；在標準鹽水中，泡沫質量為80%，半衰期為11.1 min；在標準鹽酸中，泡沫質量為80%，半衰期為12.2 min。

(3)在蒸餾水和標準鹽水中，起泡劑加量為0.09%時和在標準鹽酸中，起泡劑加量為0.2%時，仍能滿足要求。

(4)氣泡呈球形或者橢球形，泡沫直徑介于50～100 μm，泡沫細膩；CAB-35/APG1214復配體系CMC為1 000 mg/L，表面張力可以降到27.5 mN/m；在蒸餾水、標準鹽酸和標準鹽水中都能形成均一清亮的溶液，無沉淀或絮狀物，具有好的配伍性。