耐高溫高鹽泡沫體系篩選與性能評價

趙江玉 蒲萬芬 李一波 黃 濤 王崇陽

1.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，四川 成都 610500；

2.中國石油大港油田采油工藝研究院，天津 300270

0 前言

油田進入中后期開發后，高溫高鹽、稠油等難開發油田比例增加，而泡沫驅在提高采收率方面具有很大的應用潛力。國外對泡沫驅的研究集中于單一氣體的泡沫體系［1-8］，當氣液比不同時，常規的攪拌方法不能對泡沫性能作出準確評價［9］。 在國內，2010 年賴書敏等人［10］采用靜態法進行了一系列高溫氮氣泡沫驅的評價實驗；2010 年胡鈳等人［11］在評價耐高溫泡沫劑時，將烷基泡沫劑與苯磺酸鹽進行復配， 制得DHF-1 發泡劑；2010年雷達［12］在評價氮氣泡沫劑性能時采用了攜液法、攪拌法和傾注法（Ross-Miles 法），對20 余種發泡劑進行篩選評價，同時考慮了礦化度和溫度對起泡劑產生的影響。

通過對9 種耐高溫高鹽起泡劑單劑進行室內篩選，運用泡沫綜合指數來評價起泡劑濃度、耐鹽性能、耐高溫以及遇油消泡的情況，最終篩選出適合吉林油田高溫高鹽油藏條件的最優起泡單劑，為后續的泡沫體系復配奠定基礎。

1 實驗方法

泡沫性能評價主要包括起泡能力與泡沫穩定性，起泡能力主要由起泡體積V0評價，泡沫穩定性主要由半衰期t1/2評價。 半衰期有泡沫半衰期和析液半衰期兩種概念，泡沫半衰期為泡沫消失一半所需時間，析液半衰期為泡沫中析出一半液體所需時間， 兩者數值差異較大，為方便比較，實驗在評價泡沫穩定性時，統一采用析液半衰期。

實驗利用Warning Blender 攪拌法評價泡沫體系性能。 根據實際設備情況，將配置好的200 mL 泡沫體系倒入量杯中，設定轉速4 000 r/min，攪拌時間1 min，記錄停止攪拌時的泡沫體積和泡沫溶液析出一半液體時間的析液半衰期，用V0表示該種泡沫體系的起泡體積，用t1/2表示其泡沫穩定性。

大慶油田研究院趙國璽等人［13］提出了一個能夠綜合評價泡沫性能的指標，即泡沫綜合指數Fq，指根據停止攪拌后泡沫體積隨時間變化來計算泡沫的壽命。 起泡體積與時間關系見圖1。

圖1 起泡高度與時間關系圖

為計算方便，Fq近似地用梯形面積S 表示。

泡沫綜合指數考慮了泡沫體系的發泡高度（或起泡體積）和泡沫半衰期兩個指標，因此，對泡沫體系發泡性能的評價更直觀和合理。 依據泡沫綜合指數的大小，可以依次將泡沫分為超強（＞1 500）、強（1 500～1 000）、中（1 000～500）、弱（＜500）四個等級。

2 單劑優選

泡沫流體是一種較復雜的非牛頓流體，性質和特征受許多可變因素影響。 實驗對9 種起泡劑的濃度、溫度、礦化度和遇油消泡性能四方面進行了篩選研究。 泡沫篩迭用起泡劑及類型見表1。

表1 泡沫篩選用起泡劑及類型

2.1 濃度篩選

將初選的9 種起泡劑配制成濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%泡沫體系各200 mL， 在常溫常壓條件下采用Warning Blender 攪拌法來評價泡沫體系性能，實驗結果見圖2。

圖2 泡沫體系濃度初選泡沫綜合指數

從圖2 可看出，9 種起泡劑的泡沫綜合指數受濃度影響的程度各有不同。在濃度篩選實驗中，起泡劑HN 和NB 99 的泡沫綜合指數波動較大，受濃度影響明顯，特別是在濃度0.1%～0.3%時，泡沫綜合指數上升較快；而起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 的泡沫綜合指數濃度變化相對穩定且值較大，說明這5 種起泡劑的泡沫性能好于其他4 種起泡劑，因此，篩選出這5 種起泡劑進行下一步的礦化度篩選。 另外，由圖2 的實驗數據分析可知，所有起泡劑在濃度低于0.2%時， 泡沫綜合指數增幅明顯；而在濃度高于0.2% 時，泡沫綜合指數增幅較緩，綜合考慮成本等因素，選擇泡沫體系濃度為0.2%時進行下一步實驗研究。

2.2 礦化度評價

結合吉林油田的高溫低鹽油藏條件，設計實驗的礦化度取值范圍涵蓋該油田各層位的礦化度。 配制濃度為0.2% 的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 在不同礦化度條件下采用Warning Blender 攪拌法評價泡沫體系性能。實驗結果見圖3。

圖3 泡沫體系礦化度初選泡沫綜合指數

由圖3 可知，在吉林油田地層水的礦化度范圍內，起泡劑LW 的泡沫綜合指數比其他4 種起泡劑的泡沫綜合指數高， 表明起泡劑LW 在這個礦化度范圍中的性能最優。起泡劑LW 在水溶液中的分子是無規則分布的，在臨界膠束濃度以上形成膠束，能顯著降低界面張力，并增加膠束相的黏度。 而鹽的加入有利于起泡劑LW 形成更規則的膠束，無機鹽增溶在膠束柵欄中，改變了膠束的聚集形態或起泡劑分子的極性， 使起泡劑LW 的黏度升高，泡沫膜更堅韌，延長析液半衰期。

2.3 耐溫性能評價

吉林油田油藏溫度為97 ℃， 設定6 個實驗溫度值為70、80、90、100、110 和120 ℃， 配制濃度為0.2% 的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 分別通過水浴鍋恒溫至實驗的6 個溫度點， 在不同溫度條件下采用Warning Blender 攪拌法評價泡沫體系性能。 實驗結果見圖4。

何良諸心里悲哀，礦工和家屬們，要求太低了。何良諸在人堆里，看見了駝子。駝子一氣喝下兩碗肉湯，又起身，歪歪趔趔地去舀湯，勺子刮得夸嚓夸嚓響，把碎骨頭撈進碗。駝子見何良諸瞅他，陰陽怪氣道：“我咋聞著生人味了。”

分析可知，5 種起泡劑隨溫度升高泡沫綜合指數呈下降趨勢。 其中，起泡劑AP 的泡沫綜合指數下降幅度明顯， 而起泡劑LW 的泡沫綜合指數下降較平穩。 總體來說，溫度對泡沫穩定性的影響較復雜，主要表現在四方面：溫度升高，分子間作用力減小，液相黏度隨之減小；溫度升高， 氣液界面上表面活性劑的定向吸附層松弛，導致表面黏度下降，降低泡沫穩定性；溫度升高使液膜蒸發增大，液膜逐漸變薄，泡沫容易破裂，導致析液半衰期縮短； 表面活性劑在氣液界面形成一層堅固的泡膜，使液膜的黏性和彈性增大，但溫度升高時，表面吸附量減少，泡沫穩定性降低。

圖4 泡沫體系溫度初選泡沫綜合指數

2.4 遇油消泡性能評價

在綜合評價泡沫體系時，還應考慮泡沫體系的抗油性能。 在油藏溫度97 ℃條件下，采用吉林油田黑96 區塊油藏脫水原油進行實驗。 配制濃度為0.2%的起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 通過水浴鍋恒溫至實驗溫度97℃，采用Warning Blender 攪拌法起泡，然后將泡沫分別倒入裝有含油量為5%、10%、15%和20%的量筒， 通過記錄起泡體積和析液半衰期，計算出泡沫綜合指數來評價泡沫體系性能。 實驗結果見圖5。

圖5 油泡交替實驗泡沫綜合指數

從圖5 可知，篩選的5 種起泡劑起泡后與原油接觸，泡沫綜合指數略有波動，但幅度不大。 這是因為泡沫與原油的接觸面上， 氣泡破裂后被原油包裹形成大油泡，延緩了油泡接觸面上氣泡的破裂與再生。而泡沫與原油交替后泡沫綜合指數明顯大于泡沫體系單一起泡時的泡沫綜合指數，說明泡沫與原油充分接觸后，原油將泡沫形成的小氣泡進行包裹，使液膜增厚。在高溫條件下，堅韌的液膜抑制了氣泡破裂，一定程度上延長了泡沫析液半衰期。 其中，LW 泡沫體系的綜合泡沫指數值相對最高。

結合對泡沫體系的濃度、礦化度、溫度及遇油消泡性能的篩選， 實驗最終篩選出起泡劑LW 為適合吉林油田油藏條件的泡沫體系主劑。

3 復配

將篩選出的起泡劑LW 分別與陰離子起泡劑AN、陽離子起泡劑CA、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 以10 個不同質量比進行復配，模擬吉林油田油藏條件進行復配體系的篩選，泡沫綜合指數與質量比關系見圖6。

圖6 復配實驗泡沫綜合指數

3.1 陰離子表面活性劑復配

由圖6 可知，LW/AN 復配體系的泡沫綜合指數增幅不明顯，表明LW/AN 復配體系協同作用較弱。 該現象可能是因為陰離子起泡劑AN 分子結構中的親水基團和苯環相連， 增大了空間位阻以及體相的分子交換阻力，而且表面排列的分子較松散，降低了復配體系的泡沫綜合指數。 但是，起泡劑LW 與陰離子起泡劑AN 分子之間存在的相互作用，在一定程度上增大了氣液界面上分子排列的密度，使復配體系的泡沫性能優于單一的陰離子起泡劑AN 或起泡劑LW。這是因為陰離子起泡劑AN 的分子在泡沫中做定向排列，形成了表面擴散雙電層，當兩液膜靠近到一定程度時， 帶有相同電荷的離子排斥，防止液膜變薄，液膜強度保持在一定水平，使復配泡沫體系的綜合泡沫指數保持在一個較高值。

3.2 陽離子表面活性劑復配

由圖6 可知， 起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質量比在1∶9～3∶7 和7∶3～9∶1 之間復配體系的泡沫綜合指數大幅上升，超過了1 200 min·mL，說明起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 具有較強的協同增效作用， 構成混合膜的吸附分析密度增加，混合膜中的分子間作用增強。 而當起泡劑LW 和陽離子起泡劑CA 質量比相當時， 復配體系的泡沫綜合指數大幅下降， 且低于單純的起泡劑LW泡沫體系與陽離子起泡劑CA 泡沫體系。

分析原因，陰陽離子表面活性劑之間存在較強的靜電吸引作用，減小了氣液界面上表面活性劑的靜電排斥作用，使表面活性劑的排列更緊密，形成了一定的亞層富集，表面黏彈性上升，優化了復配體系的泡沫性能。 但是，當起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質量接近時，在表面上與體相中所分布的物質量比大致相同，此時表面的起泡劑LW 分子與陽離子起泡劑CA 分子接近于交替排列，分子間排列最緊密、作用力也最強。 在體相中，表面活性劑分子不易于形成亞表面層富集，但易于形成穩定的膠束，所以導致表面黏彈性變差。 當泡沫液膜變薄時，表面排列的表面活性劑中親水基團的電性中和，水化半徑變小，兩個表面排列的表面活性劑分子靜電排斥作用顯著減小，不能有效地阻止液膜變薄或破裂。 因此，當起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 質量相當時， 復配體系的泡沫性能較差。

3.3 兩性離子表面活性劑復配

LW/AM 復配體系的協同增效作用明顯， 泡沫綜合指數增加。兩性離子起泡劑AM 水化能力以及陰離子基團的結構性能引起復配體系的泡沫綜合指數增加，兩性離子起泡劑AM 分子中的陰離子基團位于最外端，起泡劑LW 分子與兩性離子起泡劑AM 分子的陽離子基團相互吸引，使兩性離子起泡劑AM 分子的陰離子基團突出，并裸露在體相中形成水化層；同時，還吸引體相中兩性表面活性劑，形成亞表面富集，可有效阻止泡沫液膜變薄或破裂，增加了復配體系的表面黏彈性。

兩性離子起泡劑AM 分子中含有陰離子和陽離子兩種親水基團，分子間的靜電吸引作用較強。 但由于受分子結構和空間位阻的影響， 起泡劑LW 與兩性離子起泡劑AM 分子間的靜電作用使分子的排列密度和規整程度強。 這些因素使得復配體系具有良好的泡沫性能。

3.4 非離子表面活性劑復配

LW/NO 復配體系在質量比3∶7 時泡沫綜合指數最佳，可達1 900 min·mL，表明起泡劑LW 與非離子起泡劑NO 復配具有較好的協同作用，能提高泡沫性能。 這是由于非離子表面活性劑能夠通過氫鍵與H2O 和H3O+結合，使該類非離子表面活性劑分子帶有一定的正電性。 所以，在非離子表面活性劑與陰離子表面活性劑的相互作用中，還存在與異電性表面活性劑之間類似的電性作用。

4 結論

a）在常溫常壓條件下， 室內實驗的9 種起泡劑AN、AP、LH、RD、HN、CY、LW、NB 95 和NB 99 的泡沫綜合指數受濃度影響的程度各不同。 其中，起泡劑HN 和NB 99受濃度影響泡沫綜合指數波動較大。 而起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 在濃度變化的情況下泡沫綜合指數相對穩定且值較大。 起泡劑在濃度低于0.2%時泡沫綜合指數增幅明顯，濃度高于0.2%時泡沫綜合指數增幅較緩，綜合考慮成本等因素，篩選出0.2%為合適的泡沫體系濃度。

b） 耐鹽性能評價中， 礦化度對起泡劑性能影響較大，耐鹽性能最好的是起泡劑LW。 鹽的加入有利于起泡劑LW 的泡沫綜合指數在高鹽條件下的穩定。

c）溫度升高時，起泡劑AP、RD、CY、LW 和NB 95 生成的泡沫穩定性有一定程度的降低， 而起泡劑LW 泡沫綜合指數下降則較平穩。

d） 在高溫條件下，泡沫與原油充分接觸后，液膜增厚，延長了泡沫析液半衰期，增強了泡沫性能。

e）起泡劑LW 與陰離子起泡劑AN、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 復配具有良好的協同作用，能大幅提高泡沫性能， 復配體系的綜合泡沫指數明顯高于單一陰離子起泡劑AN、兩性離子起泡劑AM 和非離子起泡劑NO 的綜合泡沫指數。 其中，起泡劑LW 與兩性離子起泡劑AM 在質量比為9∶1 和起泡劑LW 與非離子離子起泡劑NO 在質量比為3∶7 時，泡沫體系的綜合泡沫指數最佳。

f）起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 復配體系的質量比在1∶9～3∶7 和8∶2～9∶1 具有協同增效作用，泡沫綜合指數較大。當起泡劑LW 與陽離子起泡劑CA 復配體系的質量比相當時，其復配體系泡沫性能很差。 起泡劑LW 與少量陽離子起泡劑CA 復配有利于提高其泡沫綜合指數。

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