基于延694井区的泡排剂优选与实验研究 (2)

　　

基于延694井区的泡排剂优选与实验研究

周隆超¹、李俊杰¹、景亚锋¹、梁磊¹、张洋洋¹、王策¹、赵慧²

1.陕西延长石油（集团）有限责任公司气田公司延长气田采气四厂

2.西安石油大学

Optimization and experimental study of bubble extractor based on Yan694 well area

Zhou Longchao¹, Li Junjie¹, Jing Yafeng¹, Liang Lei¹, Zhang Yang¹, Wang Ce¹, Zhao Hui²

1. Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co., LTD. Gas Field Company Yanchang Gas field production Plant 4

2. Xi 'an Shiyou University

摘要

延694井区井筒积液问题严重，大大降低了该井区的采气效率，在气井排水采气工艺中，泡沫排水采气以其施工容易、见效快的优点成为了主要技术之一，但要考虑施工环境不同（地层中矿化度、凝析油的不同，井底温度的不同）对其性能的影响，因此单一的泡排剂对于现场施工效果较差，需对不同环境设计选型不同的药剂。本文在明确泡排剂的机理、性质等的基础上为该井区进行了泡排剂的研制，考察了泡排剂与水样的配伍性和热稳定性，并根据现场调研情况，做出泡排设计，评价不同泡排剂的泡排效果，采用选择的泡排剂进行泡排试验，研究不同因素对泡排剂性能的影响，揭示了其在不同条件下的起泡和稳泡能力，指出了X-PP-2301型泡排剂符合该井区的技术指标，以作为在延694井区现场使用的泡排剂，为优化设计提供了理论和实验依据，有助于该井区稳产增效。

关键词

排水采气、泡沫排水、泡排剂优选、室内筛选实验

Abstract

In the gas well drainage and gas recovery process, foam drainage gas recovery has become one of the main technologies with its advantages of easy construction and quick effect, but it is necessary to consider the influence of different construction environments (different salinity in formation, different condensate, different bottom well temperature) on its performance, so a single foaming agent has a poor effect on on-site construction, and different agents need to be designed and selected for different environments. In this paper, on the basis of clarifying the mechanism and properties of the foaming agent, the development of the foaming agent was carried out for the well area, the compatibility and thermal stability of the foaming agent and the water sample were investigated, and according to the field investigation, the foaming and drainage design was made, the foaming effect of different foaming agents was evaluated, the selected foaming agent was used for the bubble drainage test, the influence of different factors on the performance of the foaming agent was studied, its foaming and foaming ability under different conditions were revealed, and it was pointed out that the X-PP-2301 foaming agent conformed to the technical indicators of the well area. It was used as a foaming agent in the Yan 694 well area, which provided a theoretical and experimental basis for the optimal design, which was helpful to stabilize production and increase efficiency in the well area.

keyword

Drainage gas production； foam drainage； foam drainage agent selection； indoor screening experiments

1 排水采气概述

1.1 泡沫排水的机理

泡沫排水采气技术利用特定表面活性剂形成气水泡沫流体，显著降低密度和表面张力，改善气井采气效率。它在改变积液井筒中气液两相运动流态特性的同时，更高效地将积液带出井筒，降低井底回压，对现场提高采收率有重要意义。

1.2 泡排剂的性能和种类

1.2.1 泡排剂的性能

（1）强大的起泡能力：在低气流速下能迅速生成大量泡沫，有效降低水柱密度，少量添加即可在井底水中形成大量泡沫，使得液体密度大幅下降，从而轻松被气流推送至井口；

（2）泡沫形成的泡膜强度大：当泡排剂分子在气泡周围达到一定浓度时，形成的泡膜强度高，内部水膜厚度增加，使泡沫具备较大的携水能力和持久稳定性，携带水量增大；

（3）泡沫稳定性适中：能在长距离运输过程中保持稳定，既能有效避免泡沫破裂导致水分损失，又不至于在分离器中带来过度消泡的问题

（4）抗凝析油和高矿化度能力：适应复杂的井况环境，能够保持其起泡性能和泡沫稳定性，确保持续高效的气体排水。

1.2.2 泡排剂的种类

泡沫排水剂根据其化学性质和用途可分为多种类型，主要分为几类：阴离子型泡沫排水剂以其良好的起泡能力和广泛的应用范围著称。

由于在水中时，类似于十二烷基苯磺酸钠（ABS）等阴离子型泡排剂可以将大部分有活性的阴离子解离出来，因此形成的泡沫体系较稳定；有机胺衍生的盐类是阳离子型泡排剂的经典成分之一，在起泡中发挥着重要作用；非离子型泡沫排水剂则以其优越的抗电解质能力和在各种水质环境下的稳定性而著称；两性表面活性剂则结合了阴离子和阳离子的特性，通常在不同酸碱条件下表现出不同的离子性质，具有良好的生物降解性和毒性低的特点；聚合物型泡沫排水剂则以其相对较大的分子量和优异的表面活性特性而受到青睐；特殊类型泡排剂具有更多优秀的功能，例如氟表面活性剂、硅表面活性剂等能降低表面张力等。

1.3 泡排剂性能评价方法与指标

根据泡排剂的应用经验，主要在起泡、稳泡、携液三个方面的能力进行测定。本文主要介绍以下三种评价方法：

（1）气流法

气流法是指起泡剂溶液在气流搅拌过程中，对起泡能力和含水量进行测定的一种实验。将泡沫高度视为起泡能力的指标，在消泡剂作用下泡沫稳定后的含水量视为泡沫携水能力的指标，同时测量泡沫高度衰减到原来的一半所花费的时间，作为泡沫稳定性的一个度量指标。

（2）罗氏米尔法

罗氏泡沫仪是一种类似井筒结构的仪器，实际上是模拟设备。在试验中规定的条件下，通过从罗氏管底部取出200ml发泡剂溶液，分别在开始时和3分钟（或5分钟）测量两个高度，形成管中泡沫的高度。起爆反映了发泡剂的发泡能力，差异表示发泡剂的稳定性。

（3）Waring Blender搅拌法

用这种方法，可以准确测量发泡剂的性能。在测试过程中，将测试溶液加入量杯中，匀速搅拌60秒，停下来记录产生的泡沫体积V，以评估溶液的发泡能力。观察液体从泡沫中逐渐沉积，并记录液体体积达到50ml时所需的时间，以评估泡沫的稳定性。

2 泡排剂的优选与应用

2.1室内筛选实验

2.1.1 实验研究思路

在深层气井的排采工艺中，起泡剂和稳泡剂需要有良好的起泡、稳泡能力，并且保证处理剂和地层水配伍性良好，以及使它具有一定的抗盐、抗钙离子、抗镁离子的能力。要满足这些条件就要在设计泡沫稳定剂时，

在研究中，首先应选用极性较强的电解质离子基，以增强抗盐能力。同时，优先考虑具有良好稳泡性能的两性离子表面活性剂，以及那些富含多个极性点的表面活性剂分子。此外，应着重开发利用天然、易降解原料合成的新型表面活性剂。接下来，利用表面活性剂之间的协同效应，降低表面张力，从而增强表面膜的修复能力。最后，可以通过表面活性剂分子在气液界面上的相互作用，进一步提高表面膜的强度和弹性。

因此，单一的表面活性剂在复杂现场应用中缺乏适用性，必须根据不用的环境进行复配来满足现场排水需求。本文根据延694区块气井产水的情况不同，进行的实验主要有：在常温和高温条件下起泡剂的发泡能力及其携液量。首先测定在高温环境中，添加一定量的凝析油后，起泡剂的泡沫性能和携液能力的变化情况。其次，分析起泡剂的热稳定性，以评估其在高温条件下的表现。最后，探讨不同浓度的起泡剂溶液对起泡能力和携液能力的影响，以便更全面地了解起泡剂在各种条件下的性能。

2.1.2研究方法与仪器

本文所做的室内筛选实验同样从起泡、稳泡和携液能力来评价筛选。

（1)泡排剂起泡力及稳泡能力的评价

1) 测定泡沫法的基本原理是：将200毫升的表面活性剂溶液从900毫米的高度倾倒到同一溶液的液面上，然后在30秒和5分钟时分别测量泡沫的高度。

2) 所需的仪器和试剂包括：泡沫发泡力测试设备（如图2-1所示）、一个容量为500毫升的带刻度的量筒、一个配有循环水泵的恒温水浴（温度为65°C），以及由铬酸和硫酸混合而成的试剂。在搅拌的条件下，将浓硫酸（密度为1.83 g/mL）缓慢添加到等体积的重铬酸钾饱和溶液中。此外，还需要一个计时器或常见的秒表。

3）测定步骤

a、将所有试验中用到的玻璃仪器与铬酸硫酸混合液接触过夜，然后用蒸馏水冲洗至没有酸，然后用待测溶液冲洗2~3遍。

b、配制溶液，取最终投用井水样，按照产品说明配制成相应浓度的发泡剂溶液，溶液配制过程中，搅拌要缓慢，以防泡沫形成，然后在试验温度下在恒温水浴中恒温30min。同时将恒温水浴的水用皮管与发泡管的进、出水口相连，打开循环水泵。

c、用量筒量取200mL恒温好的发泡剂溶液，缓慢的沿壁倒入加液漏斗中。

d、发泡管中也缓慢的沿壁倒入50mL恒温好的发泡剂溶液。

e、打开加液漏斗悬塞，使溶液匀速流下，同时启动s表。

f、待加液漏斗中的溶液流完后30s观察泡沫体积，然后在3min和5min时分别观察泡沫体积。如果泡沫的上面中心处有低洼，按中心和边缘之间的算术平均值记录读数。

g、待溶液泡沫消失后，重复c~f步骤进行平行试验。

h、结果表示

以所形成的泡沫在液流停止后30s，3min和5min时的毫升数或高度来表示结果，必要时可绘制相应的曲线。以重复测定结果的算术平均值作为最后结果。重复测定结果之间的差值应不超过15mL。

（2)发泡剂携液量的测定

1) 测定原理：通过将一定流速的气体引入试液中，形成泡沫。经过设定的时间后，记录泡沫中所携带的液体（包括油和水）的体积，以此作为发泡剂的携液能力的量度标准。

2) 仪器与试剂：所需仪器包括发泡管和泡沫收集器（见图2-2）、具备0.5精度的超级恒温器、流量精度为10 mL/min的浮子流量计、秒表、500 mL和1000 mL的烧杯、20 mL和100 mL的量筒、湿式气体流量计，以及沸点范围在60~90℃之间的石油醚和氮气。

图2-2 泡排剂携液能力测定装置

3）测定步骤

a.从最终投用的气井中取水样，依照实验要求的浓度加入泡排剂，并进行缓慢搅拌以确保其均匀混合。

b.向发泡管中加入190 mL的起泡液和10 mL的石油醚（或凝析油），并在实验所需温度下恒定温度30分钟。

c.实验过程中，以0.05 MPa的压力和60 mL/min的流速向试液中通入氮气。

d.在通气15分钟后，测量泡沫携带的液体（包括油与水）的体积，并重复实验，直至两次测定结果的差异不超过2 mL。

e、结果表示

泡沫携带液体的量以每15分钟所携带的毫升数来表示。取两次测定结果中泡沫携液量之差不超过2mL的值，并计算其算术平均值，以此作为最终的测定结果。

2.1.3 泡排剂泡排效果对比分析

针对不同矿化度和离子含量的3种现场水样FX1、FX4、延2108-3，现选取出4种起泡剂UT-11C、HY-3K、HS-PP-D和X-PP-2301进行性能评价。其中UT-11C和X-PP-2301为常规起泡剂，HY-3K为纳米起泡剂，HS-PP-D为含缓蚀剂起泡剂。起泡性和稳泡性如表2-1所示。

表2-1 起泡剂起泡性和稳泡性检测结果

由上表中起泡剂起泡力检验结果可以看出，X-PP-2301的起泡性和稳泡性最优，HS-PP-D的起泡性和稳泡性其次，其他两种起泡剂的性能较为一般。

2.1.4 不同因素对泡排剂性能的影响

（1）温度对泡排剂起泡和稳泡能力的影响

泡沫的稳定性与温度密切相关。在低温与高温的条件下，泡沫的衰变过程呈现出显著的差异：在低温环境中，当泡沫通过液体排出使液膜达到一定厚度后，泡沫会进入亚稳态，此时其衰变机制主要是由于气体的扩散引起的。相对而言，在高温条件下，液体的粘度降低，导致液体排出的速率增加。此外，泡沫的上部通常呈现出上凸形状，这种弯曲的液膜对于蒸发现象极为敏感。随着温度的升高，膜内分子的运动速率加剧，蒸发速度也随之加快，结果导致液膜变薄的速度增加，最终导致泡沫的破灭。同时，温度的升高也会引起表面膜性质的变化，使其表面粘度降低。

实验测定0.5%X-PP-2301在不同温度下对水样延2108-3的起泡能力和稳泡能力的影响，如图2-3所示。

图2-3温度对起泡能力和稳泡能力的影响

根据图2-3的数据显示，温度的升高导致起始泡沫高度逐渐增加，而在5分钟时泡沫高度则呈现出下降趋势。这一现象可归因于温度升高引起的泡沫膨胀体积的增加。然而，随着时间的推移，液膜内的水分逐渐蒸发，使得液膜变得愈加薄弱与脆弱，最终导致其破裂，从而引起泡沫的稳定性降低。因为现场施工温度在65℃左右，所以后续实验统一实验温度为65℃。

（2）浓度对泡排剂起泡和稳泡能力的影响

改变X-PP-2301泡排剂的浓度，在温度65℃的条件下实验测定0.5%、1% X-PP-2301对水样FX1、FX4、延2108-3的起泡能力和稳泡能力的影响，如图2-4、图2-5所示。

图2-4 0.5% X-PP-2301对水样起泡能力和稳泡能力的影响

图2-5 1%X-PP-2301对水样起泡能力和稳泡能力的影响

由图可知增加泡排剂浓度起始泡高有所增加达到技术要求，5min泡高也会增加达到技术要求（起始泡高≥120mm, 5min泡高≥70mm）。由此可得出结论随着浓度增加泡排剂起泡能力和稳泡能力都会有所增加。

（3）矿化度对泡排剂起泡和稳泡能力的影响

实验采用不同矿化度的水样，测试0.5% X-PP-2301在不同矿化度下的起泡能力和稳泡能力，结果见图2-6、图2-7。

图2-6 不同矿化度的水样

图2-7 0.5% X-PP-2301在不同矿化度水样下的起泡能力和稳泡能力

从图中可以观察到，随着矿化度的降低，泡沫的起始高度以及在5分钟内的稳定泡沫能力均有所提升。X-PP-2301表现出两性离子表面活性剂的特性，当矿化度较低时，其影响较小。然而，随着矿化度的增加，泡沫液膜的双电层会受到压缩，导致液膜变薄，从而使稳定性降低。这表明，X-PP-2301泡排剂拥有优越的耐盐性能。

（4）凝析油对泡排剂起泡和稳泡能力的影响

实验测定常温条件下0.5% X-PP-2301在不同凝析油含量下对水样延2108-3的起泡能力和稳泡能力，结果见图2-8。

图2-8 凝析油对起泡能力和稳泡能力的影响

凝析油作为一种天然消泡剂，能够显著破坏泡沫的稳定性。从图2-8可以观察到，当未添加凝析油时，泡沫的高度较高且相当稳定。随着凝析油含量的逐步增加，其消泡能力也随之增强，泡沫高度及其稳定性均呈现下降趋势。凝析油能够破坏泡沫稳定性的原因在于，凝析油会在泡沫液膜中扩散并排挤出原有液膜中的液体，从而形成一层油膜。该油膜具有不稳定性，极易发生破裂。值得注意的是，X-PP-2301表现出一定的抗凝析油性能。

2.2 优选泡排剂的应用性能评价

2.2.1 热稳定性评价

取250ml由0.5% X-PP-2301和水样延2108-3配置成的起泡剂分别置于90℃恒温水浴锅和110℃的恒温烘箱中，将样品加热4小时后，分别测定其起泡剂在加热前后所表现出的起泡能力及稳泡能力，具体结果见表2-2。

表2-2 加热前后起泡剂的起泡能力以及稳泡能力

由表2-2可以看出，恒温加热4h后，初始泡高比加热前高，但是5min时的泡高比加热前低，由此可知恒温加热后起泡剂的起泡能力增强了而稳泡能力降低了。

2.2.2 现场水配伍性实验

分别取高矿化度水样FX3，低矿化度水样延2108-3（马五41+马五22+山2+山1+盒8）与泡排剂X-PP-2301配置成发泡剂溶液，90℃条件下恒温4小时，取出观察其状态，实验结果见图2-9、图2-10。

图2-9（a）高矿化度水样未加药剂照片	图2-9（b）高矿化度水样加药剂照片
图3-10（a）高矿化度水样未加药剂照片	图3-10（b）高矿化度水样加药剂照片

通过配伍性实验的结果显示，X-PP-2301泡排剂可以在地层水样中完全溶解，且混合溶液的粘度保持不变，未出现沉淀或分层现象。在静止状态下恒温保持4小时后，该混合溶液依然展现出良好的流动性，未产生新的沉淀，由此可知该泡排剂与地层水具有良好的配伍性。

2.3 结果与讨论

随着温度的逐步上升，发泡剂溶液的初始泡沫高度呈现逐渐增加的趋势，但在5分钟后，泡沫高度则逐渐下降。此外，随着泡排剂浓度的提升，其起泡能力和稳泡能力均有所加强。然而，随着矿化度的提高，泡排剂的起泡能力及稳泡能力却表现出下降的现象。值得注意的是，提升发泡剂溶液的浓度能够显著增强高矿化度水样的起泡能力和稳泡能力。当发泡剂溶液中不含凝析油时，泡沫的高度较高且极为稳定；但随着凝析油含量的增加，消泡能力逐渐增强，而起泡能力及稳泡能力则呈现下降趋势。泡排剂展现出良好的热稳定性，能够满足技术指标要求，并在地层水样中完全溶解。在经过110°C和90°C的静止恒温4小时后，混合溶液与地层水表现出良好的配伍性。X-PP-2301对高矿化度水样的起泡能力和稳泡能力优于其余起泡剂，且均能达到术指标。

综合以上各项指标，X-PP-2301型泡排剂的各项指标符合技术指标，遂选取X-PP-2301型泡排剂作为泡排主剂进行694井区的泡排作业。

3 结论与展望

（1）文章简明阐述了泡排机理，关键是通过降低气水混合物密度来提高排水效果，并且基于泡排剂的组成、性能和种类引出了常用的几种性能评价方法。

（2）经过室内筛选实验确定X-PP-2301型泡排剂对延694井区有良好的起泡、稳泡和携液能力。将X-PP-2301型泡排剂和延694井区的水样配成溶液进行性能评价，在热稳定性、与现场水配伍性上均有良好的效果。

（3）该体系为延694井区以及类似环境的井区排采提供了重大的指导意义，在未来研究中望有学者继续深入研究泡排机理，对不同地质条件下的行为和影响因素更加综合考虑，拉近室内筛选实验和现场应用的差距，提高泡排工艺的效率和可靠性。

参考文献

[1] 曹光强,姜晓华,李楠,等.产水气田排水采气技术的国内外研究现状及发展方向[J].石油钻采工艺, 2019, 41(05): 614-623.

[2]许鸷宇,赵玉,陈君,等.基于ROSS-Miles法的不同砂含量下泡排剂性能影响实验研究[J].能源与环保,2024,46(02):138-145.

[3]张震,贺昌杰.延长气田耐油耐盐泡排剂的性能评价[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(14):1-2.

[4]徐海民.新型复合泡排剂抗油性能研究与应用[J].断块油气田,2022,29(03):422-426.

[5]王西亚,覃孝平,石琼林,等.抗凝析油泡排剂的研究现状[J].应用化工,2023,52(07):2225-2227,2233.

[6]刘慧.高温高压条件下泡排剂评价方法[J].实验室研究与探索,2020,39(07):24-27.

[7]李智,宁凡哲,王芝蕊,等.深井低温泡排剂SD-01的研制及性能评价[J].化学工程与装备, 2023, (09): 22-24.

[8]陈怀兵,张云,于晓明,等.基于气井产水量预测的泡排剂加注制度优化[J].广州化工,2023,51(10):126-129.

[9]侯儒,冯扬,罗勇,等.致密气田泡沫剂化学分析及排水采气工艺研究[J].当代化工,2023,52(07):1628-1631,1670.

[10]唐博强.排水采气过程中泡沫运移机理及管柱优化设计[D].东北石油大学,2021.

[11]何桥松,陈婕,李蒋军,等.国外排水采气新工艺综述[J].内江科技,2012,33(04):54,65.

[12]庞晓刚,刘战辉.积液气井排水采气工具研制及运用[J].辽宁化工,2021, 50(02):268-270.

[13]巢海燕.临汾区块煤层气排采过程中压降扩展影响因素及控制研究[D].中国矿业大学(北京),2021.

[14]曹雪峰,贺美玲.新型排水采气技术特性综述[J].石化技术,2015,22(10):83.

[15]刘宇虹.长宁页岩气水平井排采工艺技术研究[D].西南石油大学,2019.

[16]李珩.延长气田井筒压力和温度分布对泡沫排水采气效果的研究[D].中国石油大学(北京), 2021.

[17]刘洋.水平气井速度管、泡沫复合排水采气模拟实验研究[D].西南石油大学,2018.

[18]谢文莉.DS区块气井排采工艺设计[D].西南石油大学,2016.

[19]何天.页岩气井排水采气技术评价与优选方法研究[D].中国石油大学(北京),2023.

[20]Hai-Hong F .Laboratory Experimental Screening of Foaming Agent for Gas Well Production with Water Foaming and Withdrawing in Yancheng[J].Oilfield Chemistry, 2006.

[21]Zheng X , Miao Z , Wang H ,et al.Performance evaluation of foaming agent in high sulfur formation water environment[J].IOP Conference Series: Earth and Environmental Science[2024-07-24].DOI:10.1088/1755-1315/859/1/012043.

[22]Chuang-Guo D , Ji-Rui X U .Experimental Study on Foam-drainage Gas-production Technology for Sebei Gasfield[J].Natural Gas Technology and Economy, 2011.

[23]Dong J , Tao R , Xu J ,et al.Study of a high efficient composite foam drainage surfactant for gas production[J].Tenside Surfactants Detergents, 2022, 60:36 - 43.DOI:10.1515/tsd-2022-2462.

[24]Zhao-Min L I , Ran L I , Jiang-Heng S ,et al.Application and Outlook of Foam in Oil and Gas Field Development(Ⅰ)——Foaming Agent and Application of Foam Fluid in Wellbore[J].Oilfield Chemistry, 2012.

[25]Guan J , Liang L , Zhao Y ,et al.Study on Screening and Evaluation of Foam Drainage Agents for Gas Wells with High Temperature and High Pressure[J].ACS Omega, 2023, 8(8):7940-7949.

订阅方式：
①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn
②邮局订阅：邮发代号24-109

投稿方式：
①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn
　　作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。
②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net
　　若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。
投稿时请注意以下事项：
　　①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”；
　　②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向；
　　③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符；
　　④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。
　　 　                                                                                   山东化工稿件修改细则