53泡排剂的应用.docx

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53泡排剂的应用

泡排剂的应用

徐强

中国石油川庆钻探工程有限公司生产运行处610051

摘要

在天然气开发过程中，当气井产水时，气藏能量将会降低，逐渐变成间歇井，甚至因井底严重积液而停产。

泡沫排水采气是一种经济性高、效率高、施工方便的排水采气技术。

泡沫排水也存在很大的局限性，它一般受井深、井温、及产层水质的矿化度等多种条件的限制。

本文针对不同油田的地层水矿化度、温度等情况，通过实验选择有效的泡排剂以维护天然气井的正常生产；通过实验测试泡排剂在不同环境下的适应能力和各种性能以满足天然气开采的需要。

研究结果表明泡排剂在不同矿化度的水样中以及不同的温度下其效果不一致，相对来说，泡排剂CT5-2的性能更稳定，效果更明显。

关键词：

气井泡排剂泡沫排水机理

Applicationoffoamscrubbingagentfoamscrubbingagent

XUQIANG

ManufactureoperationdepartmentofCNPCChuanQingDrillingandexplorationCo,ltd610051

ABSTRACT

Whilebeingspiritwelltoproducewaterinthenaturalgasthedevelopmenttheprocess,thespirithidesenergyandwilllower,becomeintermittentwellgraduallyandevenstopsproductionbecausethewellbottomseriouslyaccumulatesaliquid.ThefoamcatchmentadoptsspirittobeakindofeconomicsexGao,efficiencyGaoandstartconstructionconvenientcatchmenttoadoptaspirittechnique.Thefoamdrainstoalsoexisttoverygreatlylimitsex,itisgenerallysubjectedtowelldeep,well,andproduce1Fthemineralofthefluidmattertoturnonedegree'setc.isvariousconditionalrestrictions.Thisdesigntothegeologicstratawatermineralofdifferentoil-fieldturnscircumstances,suchasdegreeandtemperature...etc.andpassanexperimentchoiceavalidbubblerowwiththemaintenancenaturalgaswellofnormalproduce;Orientationabilityandvariousfunctionpassingtheexperimenttestbubblerowunderthedifferentenvironmentwithsatisfythenaturalgasmineofdemand.Studytheresultenunciationbubblerowinthedifferentmineralturnthewaterkindofdegreeandthedifferenttemperaturedescenditseffectinconformity,oppositetosay,thefunctionwhichsteepsarowCT5-2morestable,theeffectismoreobvious.

Keyword:

Annoywell；Steeparow；Thefoamdrain；Mechanism

1绪论

在天然气开发过程中，当气井产水时，气藏能量将会降低，逐渐变成间歇井，甚至因井底严重积液而停产。

泡沫排水采气是一种经济性高、效率高、施工方便的排水采气技术，它具有设备简单、施工方便、成本低、适用井深范围大、不影响气井正常生产等优点，因此近年来国内外迅速发展起来，在采气工业中得到普遍应用。

泡沫排水采气工艺是针对自喷能力不足，气流速度低于临界流速的气井的一种有效的排水采气方法。

泡沫排水采气工艺是通过从携液能力不足的生产井的套管空间内注入表面活性剂（泡沫排水起泡剂，简称起泡剂），在天然气流的搅动下，使之与井底积液充分混合，从而减小液体表面张力，产生大量比较稳定的含水泡沫，随着气泡界面的生成，减少了气体滑脱量，使气液混合物密度大为降低，从而降低自喷井油管内的摩阻损失和井内重力梯度，其结果就是能有效地降低井底回压，液体被连续举升，使得在井底压力和井口压力相同的情况下，井底积液更易被气流从井底携带至地面，泡沫柱底部的液体不断补充进来，直到地井底水替净。

当地层水中的泡沫被携带至地面后，通过向其中加入消泡剂以便使气水分离，从而达到排水采气的目的。

此外，起泡剂还通过分散、渗透、减阻、洗涤（排出地层中泥沙与淤渣等不溶性固体微粒）等作用，促使井筒积液形成泡沫，随气流排出，达到增产、稳产的目的。

①降低地层水的表面张力，使水在气流的扰动下容易被分散，大液滴变成细小的液珠，进而有利于气水流态由举升效果差的气泡流或段塞流向易举升的雾状流或段塞流转变，减少气液的滑脱损失；②降低密度。

起泡后，垂直管中的液体转化为泡沫，使液态密度几乎可降低到原来的1/10，使液柱的压力大大降低，同时气、液流度差别不大，有利于举升；③井底气水混合物因气流冲击会产生涡流，泡排剂会减少涡流造成的垂向流动阻力，提高管段液相的可输性；④可清洗井底，同时泡沫会将不溶性污垢、颗粒携带出井筒。

由于上述作用的结果，在不能连续带水或不能将水完全带出的井中加入泡排剂后，能够改善或恢复井的生产。

泡沫排水也存在很大的局限性，它一般受井深、井温、日产液量及产层水质的矿化度等多种条件的限制。

国内已有泡沫排水剂（以下简称泡排剂）十多种，一般适用于70℃以下的地层。

随环境温度的升高，泡排剂的起泡能力和稳定性会大大降低，尤其在100℃以上的高温地层，许多起泡剂产生的泡沫会在几分钟内消失，甚至不产生泡沫。

本论文在于研究泡排剂在不同环境下的适应能力，以满足天然气开采的需要。

2泡排剂与泡排工艺

2.1泡排工艺

泡沫排水采气是从井底注入某种能够遇水起泡的泡排剂（表面活性剂），井底积水与起泡剂接触以后，借助天然气流的搅动，生成大量低密度含水泡沫，随气流从井底携带到地面。

当地层水中的泡沫被携带至地面后，通过向其中加入消泡剂以便使气水分离，从而达到排水采气的目的

。

2.1.1泡沫排水采气的机理

泡排剂的作用是降低水的表面张力，水的表面张力随表面活性剂浓度增加而迅速降低，表面张力随浓度下降的速度体现了泡排剂的效率。

当泡排剂注入浓度大于临界胶束浓度时，界面张力随浓度变化不大。

泡沫排水采气的机理还包括泡沫效应、分散效应、渗透效应、减阻效应和洗涤效应等。

2.1.2注入方法

四川气田往井内注入泡沫助采剂，目前施工方法如下：

1）平衡罐：

平衡罐置于井场，起泡剂溶液盛于平衡罐与井口套管压力相连通，罐内溶液靠自重和高差流入环行空间，连续均匀地流到井底。

使用平衡罐加药，不需动力是其最大的优点。

2）电动泵和柱塞计量泵：

可根据井况需要选用，但井场无电源时，其使用受到限制。

泡沫排水专用车：

在汽车上安装一台柱塞泵和药罐，用汽车引擎的动力带动柱塞泵，方便灵活，适应性能强。

3）便携式投药筒；类似油井清蜡防喷装置，安装在采油树清蜡闸门上端，用于往井下投掷泡沫助采棒。

4）消泡用注油泵：

安装在井场上，用于加注消泡剂。

该泵用气井气体压力作动力，泵的出口管线与分离器的进气管线相连，泵的吸入端接消泡剂油罐。

轻便、灵活是这种泵的优点。

但不抗腐蚀，部件易损，且不适宜连续工作。

西南油气田分公司的生产实践证明，泡沫排水采气对某些类型的气水井是行之有效的，主要表现在：

一些低压小产量气井井口流压、日产气量和日排水量有所提高；一些间歇生产井转为连续自喷井；对于一些间歇井，延长了产气时间；使一些暂时水淹停产井，再次恢复了生产。

2.1.3泡排剂的注入量及日加药次数

在泡沫排水中，泡排剂的起泡能力受很多因素的影响，诸如浓度、温度、含盐量、凝析有油含量和井深等。

因此，泡沫助采剂的加入量只能根据各井的井况确定。

泡沫助采剂的浓度确定以后，根据气井的日产水量就可以确定助采剂的日用量。

对于气水比高的井，浓度取下限值，反之则取上限值。

加药后，观察气井带水情况，再对助采剂用量进行必要的调整，以达到既能正常带水，又不影响气水分离的原则。

泡沫助采剂日用量确定以后，日加药次数根据井况确定。

对只产少量凝析水或地层水的气井，宜采用间歇加药方式，每隔几天、几月加一次药。

对地层水产量较大的气水井，加药周期越短越好，最好是不间断地连续加药。

2.2泡排剂的发展

20世纪全世界油气勘探开发事业取得了辉煌成就，被誉为“石油世纪”而载入史册，加强天然气成藏的普遍性与特殊性已势在必行。

由于天然气在化学组成、分子量、黏度、密度、扩散系数、水中溶解度等理化性质上均与石油区别较大，它的最大特点是分子活动能力强，运移速率和规模都比石油大得多，在成藏条件方面二者即相关又相同，天然气成藏更具有普遍性与特殊性。

在天然气开采中气井出水时常出现，泡沫排水是最常用的方法，由于地层水的复杂性，决定了泡排剂的多样性。

当今国内外起泡剂发展相当迅速促进了泡沫排水技术的发展，国内外有水气田的开采工艺措施从思路上来讲，主要有两点：

一是采用化学方法进行堵（阻）水，主要适用于整个气藏（田）治水，且单井出水量较少；二是进行排水采气，在排水时，又区分为两种情况：

一是将地层水排至地面，随后进行污水处理，环保达标后排放；二是排水井产层下有回注层，且在产层和回注层之间有隔层（或叫盖层，即产层和回注层不连通），此时将产出的地层水在井下分离，地层水回注到井下。

从排水采气的趋势看，在国外采用最多的排水采气方法主要是机抽、泡排和气举。

天然气开采中气井出水时常出现，泡沫排水是最常用的方法，由于地层水的复杂性，决定了泡排剂的多样性，随着天然气越来越重要，泡排剂的发展前途无限巨大。

2.2.1泡排剂的性能

1）可降低水的表面张力；

2）起泡性能好，使水和气形成水包气的乳状液；

3）能溶解于地层水，亲憎平衡值要求在9～15范围之内；

4）泡沫携液量大，即气泡形成水膜越厚，单位体积泡沫的含水量就越高，表示泡沫的携水能力越强。

另外还要求泡沫稳定性适中，因稳定性差有可能达不到将水带至地面的目的；反之，如稳定性过强，则将会给地面消泡、分离带来困难。

泡排剂的起泡能力由泡沫高度表示。

不加泡排剂时，气体可将水冲成泡沫状，为水柱的6～7倍；加入起泡剂后，泡沫柱的高度大大增加，具体倍数与泡排剂的类型和使用浓度有关。

泡沫边界体量和泡沫密度随泡沫高度的增加而迅速减小，故可大大改善气井的生产状况。

2.2.2泡排剂的类型

在气井泡沫排水中采用的泡排剂有离子型（主要是阴离子型）（用于气水井）、非离子型（用于矿化气水井）、两性表面活性剂（用于含矿化水和凝析油气井）和高分子聚合物表面活性剂（用于含矿化水和凝析油气井）等。

阴离子表面活性剂在起泡剂中最为常见，阳离子表面活性剂性能较好，特别是抗矿化水的能力很强，但其价格高，在应用上受到限制。

非离子表面活性剂的来源方便，性能稳定，应用很广泛，但就起泡力而言往往比离子型表面活性剂差。

两性表面活性剂的起泡力相对较低。

表面活性剂自身性能上有较大差异，还受到井温、水质矿化度等因素的影响。

离子型表面活性剂的抗温能力比非离子型表面活性剂强。

阴离子表面活性剂虽然起泡能力强，但易于与地层水中的一些阳离子（钙镁离子等）反应产生沉淀，失去了表面活性剂的性质。

而非离子表面活性剂和两性表面活性剂的抗盐能力比阴离子表面活性剂强。

阳离子表面活性剂在高矿化度的地层水环境中也能保持其表面活性剂的性质，但其价格较高，在其他表面活性剂能使用时，一般不选用它。

2.2.3泡排剂的指标

泡排剂的优劣及工艺参数是泡排效果好坏的关键。

根据气田情况，要求泡排剂应达到以下指标：

1）与地层水混溶后不产生沉淀，避免造成井下堵塞。

2）在室内90℃的高温地层水中具有较好的起泡、稳泡能力和带水能力。

3）适用于100℃以上、4500m以内、日产水20

以上的高温气井，使用后有较明显的排水功能，使施工井油管液面下降，气产量增加，井口压力提高。

4）泡沫排水剂具有缓蚀功能。

2.2.4泡排剂性能评价方法

选用一种泡排剂或新开发一种泡排剂，必须评价其性能。

目前对于泡排剂的实验评价，还没有一种十分完善的标准化的方法也有一共同点，即力图获得表征泡排剂的起泡能力、携液气量和稳定性等参数。

选用一种泡排剂或新开发一种泡排剂，必须评价其性能。

目前对于泡排剂的实验评价，还没有一种十分完善的标准化的方法也有一共同点，即力图获得表征泡排剂的起泡能力、携液气量和稳定性等参数。

四川气田评价泡排剂性能的方法有以下几种：

1）泡排剂起泡能力（本实验采用此方法）

将泡排剂放入泥浆杯在五轴高速搅拌器下搅拌后，倒入量筒中，将量筒放入恒温锅中开始计时。

从而测量泡沫从产生到消失所需的时间和所产生的泡沫高度，时间的长短反映泡沫剂起泡能力。

2）气流法

此法用于测定泡排剂溶液在气流搅拌下，产生泡沫的能力和泡沫含水量。

将泡排剂溶液盛于发泡器内，空气在一定压力下通过多孔分散器进入发泡器，搅动起泡剂溶液，产生泡沫。

在泡沫发生器中，每升气流通过后形成连续泡沫柱的高度（CM），表示泡排剂溶液生成泡沫的能力。

实验中产生的泡沫，用泡沫收集器收集。

加入消泡剂消泡后，测定每升泡沫的含水量（

）用以表示泡沫的携水能力。

起泡能力=泡高（cm）/单位气体体积（L）

=泡沫体积（L）/单位气体体积（L）

泡沫含水量=

（水）/L（泡沫）

3）罗氏米尔法

此法简称罗氏法，为轻工业部评价洗涤剂的部颁标准。

罗氏泡沫仪是定型仪器。

测定200

起泡溶液从罗氏管口流至罗氏管底时管中形成的泡沫高度，开始时和三分钟（或五分钟）分别测两个高度。

起始泡沫高度反映了泡排剂溶液的起泡能力，其差值表示泡沫的稳定性。

2.2.5泡排剂的适用条件

气井流体性质不同，采用的泡排剂也不同。

1）气水井

对于一般气水井，主要采用阴离子型泡排剂，如磺酸盐、硫酸酯盐等。

它们含有阴离子型亲水基（如

）,亲水能力强,溶解性好,降低表面张力的能力也强,单独使用起泡剂就能获得较好的排液效果

对于矿化度较高的气水井,离子型泡排剂在矿化水中会生成不溶解的沉淀.因此,对于水中矿化度较高的井,多采用非离子型泡排剂,如苏联的OΠ系列表面活性剂.这类表面活性剂不仅有优良的表面活性,而且吸附损失小,并且由于亲水亲油键之间有醚类官能团,起泡能力更大。

2）含凝析油的气水井

在同时含矿化水和凝析油的气井中,由于凝析油本身是一种消泡剂,使起泡剂的起泡能力变差.对于这类井,应采用多组分的复合起泡剂.表面活性剂的某些性能具有协同效应,即在同时使用两种或两以上适当的、类型不同的表面活性剂是,可以得到比单独使用一种表面活性剂更好的效果,所以常将几种起泡剂同时配入一个体系中使用.此外,对这类气井也可采用两性或聚合物表面活性剂起起泡剂。

3）含硫化氢的气水井

在含硫化氢的气水井中进行泡沫排液,为抑制硫化氢对气井设备的腐蚀,需加注缓蚀剂.这就要求缓蚀剂与起泡剂相互之间能配伍,使起泡剂的性能不受影响,缓蚀剂的效果也不会有所降低.当气井同时含凝析油和硫化氢时,针对含凝析油应采用高效或多组分复合物起泡剂,同时还需加注缓蚀剂。

2.2.6泡排剂的选择

1）井温。

例如，无患子和空泡剂的起泡性能易受温度的影响，温度升高时，起泡能力下降。

无患子不宜用于井底温度高于90℃的气井，空泡剂在70℃时几乎丧失起泡能力。

2）凝析油、

、

含量。

3）水矿化度。

矿化度增高，水的表面张力增加，泡沫排水效果降低。

4）亲憎平衡值（HLB）。

在排水采气中，一般要求亲憎平衡值在9～15，其值越大，水溶性越高。

5）表面张力。

表面张力会影响湿润、起泡、乳化和分散。

所选起泡剂能使表面张力下降得越低越好，这样才能改善垂管气液两相流动中的流态。

6）临界胶束浓度（C.M.C）。

胶束是指两亲性分子在水或非水溶液中趋向于聚集（缔合或相变）。

所有性质在临界胶束浓度以上都存在转折。

泡排剂的临界胶束浓度一般大于

，临界胶束浓度越大的，带水能力越好，起泡性能越高。

7）稳定性。

泡沫的稳定时间长，易将地层水从井底带至地面，但稳定时间过长又会给地面的分离、集输、计量等带来困难。

根据现场的使用情况，认为泡沫的稳定时间一般为1～2小时，泡沫高度始高的2/3为好。

2.3泡沫的稳定机理

泡沫的稳定性是泡沫流体的主要性能。

泡沫是气体组成的气泡分散体系，它具有非常大的表面自由能，从热力学意义上讲，泡沫都是不稳定体系，但可以采取某些措施，改变条件，使存在时间长一些，以满足应用要求。

　　目前普遍认为泡沫的衰变机理是：

①泡沫中液体的流失；②气体透过液膜扩散。

两者均、泡膜性质和液膜与Plateau边界间的相互作用有直接关系。

2.3.1　泡沫中液体的流失

泡沫中液体的流失是气泡相互挤压和重力作用的结果。

气泡的挤压主要来源于力看，膜问夹角为120°时，B、A间的压差最小，泡沫最稳定。

曲面压力。

图1表示3个气泡泡膜交界的Plateau边界。

根据Laplaq公式，不难导出：

　　PB－PA＝δ/R

（1）

式中：

PB—图1中B处的液体压力；

PA—A处液体压力；

δ—表面张力；

R—3个气泡的气泡半径。

该式表明，A处液体的压力较B处小，在这种压差作用下，泡沫中的液体自动地从B处向A处流动，使液膜变薄，最终导致破灭。

从曲面压

图1　Plateau边界

2.3.2　泡膜的透气性

无论用什么方法产生泡沫，其大小总是不均匀的，根据Laplace方程小泡内的气体压力比大泡的高，因而小泡内的气体会透过液膜扩散到大泡中去，造成小泡变小，大泡变大，最终均趋于破灭。

DeVries曾详细研究了泡沫中气体的扩散过程，并发现：

当小泡为大泡环绕时，小泡半径的平方随时问的增长而线性地减小；泡总数则随时问平方倒数的增加而减小泡沫的这种不均化现象，与悬浮体的Ostwald陈化相似，且物质从较小体积向较大体积转移过程的驱动力．是物质表面能的降低。

2.4　影响泡沫稳定性的因素

泡沫是复杂的体系，影响泡沫稳定性的因素较多，主要讨论以下几个方面。

2.4.1　起泡溶液的表面张力

随着泡沫的生成，液体表面积增大，表面能增高。

根据Gibbs原理，体系总是趋向于较低的表面能状态，低表面张力，可使泡沫体系能量降低，有利于泡沫的稳定。

由式

（1）可知，毛细管压力与溶液的表面张力δ成正比，δ低时，毛细管压力小，泡沫排液速度也慢；另外，δ低意味着纯水与溶液表面张力的差值大，泡沫的修复作用强，不易因受冲击而破灭。

许多事实证明，液体表面张力不是泡沫稳定性的主要影响因素．只有当表面有一定强度，能形成多面体的泡沫时，低的表面张力才有助于泡沫的稳定。

2.4.2　表面粘度

　　表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。

这种粘度，主要是表面活性剂分子在表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。

皂素、蛋白质及其他类似物质的分子间，除范德华力外，分子间的羧基、胺和羰基间有形成氢键的能力；因而，有很高的表面粘度，形成很稳定的泡沫。

良好的起泡剂或稳泡剂，在吸附层内必须有较强的相互作用，同时亲水基团要有较强的水化能力。

前者使膜有较高的机械强度，后者可提高液膜的表面粘度。

2.4.3　溶液粘度

　　SITA等研究了水溶性聚合物对泡沫稳定性的影响，他们在0.2%

和0.5%

的水溶液中，加入

和羟甲基纤维素钠盐，并测定了泡沫的有关参数，得出以下结论：

水溶性聚合物的加入，提高了溶液的粘度，增长了泡沫重力排液松驰时间，气体扩散松驰时间及泡沫半衰期。

起泡剂溶液粘度的增加，既使泡膜内液体不易流失，又使气体在液膜中的溶解度降低。

但液相粘度仅为辅助因素，若不形成表面膜，液相粘度再大，不能形成稳定的泡沫。

若体系中既有增高液相粘度的物质，又有增高表面粘度的物质时，泡沫的稳定性可大大提高。

2.4.4液膜的表面电荷

离子型表面活性剂的泡膜中，反离子不能中和表面活性剂同侧的吸附电荷，而在泡膜中形成扩散层膜厚度变得近于扩散层厚度时，泡膜两侧吸附电荷产生的斥力（分离压）阻止膜的变薄，有利于泡沫的稳定性。

这种分离压可困溶液中电解质浓度的增加而显著减弱，多价离子影响特别显著，膜薄化速度加快，泡沫易破裂加入适量低价离子化合物．可使吸附的活性剂分子头基间斥力降低，因而有增强泡膜稳定的作用。

2.4.5泡沫质量

泡沫质量是泡沫中气体所占泡沫总体积的百分比。

Minssieux认为泡沫质量对其稳定性有决定性影响，这种影响随泡沫衰变的主要机理不同而异以排液为主要衰变机理的泡沫，其稳定性随泡沫质量的增加而增加；以气体扩散为主要衰变机理的泡沫．其泡沫稳定性随泡沫质量增加而降低（溶液粘度较高、膜较厚的泡沫就属于这种情况），前者，因泡沫质量提高，气泡半径变小，泡膜变薄，排液速度降低；后者，由于泡沫质量增加，加速了气体扩散速度，泡沫变得不稳定。

2.4.6　压力和气泡大小分布

泡沫在不同压力下稳定性不同，压力越大，泡沫越稳定。

Rand研究了活性剂水溶液泡沫，在不同压力下的排液时间，发现压力与泡沫排液时间呈直线关系。

这是因为泡沫质量一定时，压力越大，泡沫半径越小；泡膜的面积越大，液膜变得越薄，排液速度越低。

2.4.7　温度

大量实践表明，泡沫稳定性随温度升高而下降。

在低温和高温下泡沫的衰变过程不同：

（1）低温下，泡沫排液使泡膜达到一定厚度时，就呈亚稳状态，其衰变机理主要是气体扩散；

（2）高温下，泡沫破灭由泡沫柱顶端开始，泡沫体积随时间增长有规律地减小。

其原因是：

最上面的泡膜上侧，总是向上凸的，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度，就自行破灭。

因此多数泡沫在高温下是不稳定的。

3结论与建议

1）泡排剂的发泡体积和寿命随着浓度增大而增加，当浓度达到一定程度的时候，这种趋势逐渐变小，综合考虑泡排剂的泡沫性能和经济效益，泡排剂的浓度为2.0%为宜。

2）在优化试验中，针对宝一井水样进行优化实验得到的泡排剂最佳配方为

泡排剂最佳配方

组成

ABS

SDS

OP-10

TW-80

尼纳尔

PVA

EDTA

三乙醇胺

十二醇

浓度百分比

0.02

0.07

0.03

0.06

0.01

0.01

0.01

0.10

0.10

3）水样中的成分存在着差异，同一种泡排剂在不同的水样中的泡沫性能不全是最好的，每种水样都有其适宜的泡排剂。

泡排剂CT-5在宝一井、清水、自配水1、自配水2中泡沫性能都比较好。

4）温度对泡排剂的总体影响是，随着温度的升高泡排剂的泡沫体积随增加，泡沫寿命减短。

5）在对比试验中，可以很清楚的了解到，泡排剂的稳定性，抗矿化度性，耐温性都要比洗衣粉强很多，这表明发泡剂有很好的性质。

参考文献

[1]