適用于高溫儲層泡沫氣驅的發泡體系實驗研究

徐曉凱

（1.西安石油大學,西安 710000；2.延長油田股份有限公司青化砭采油廠,陜西 延安 716000）

適用于高溫儲層泡沫氣驅的發泡體系實驗研究

徐曉凱1,2

（1.西安石油大學,西安 710000；2.延長油田股份有限公司青化砭采油廠,陜西 延安 716000）

本文以發泡體積、析液半衰期和表面張力為評價指標，分別對三種發泡劑、四種穩泡劑和三種助劑在不同的實驗條件下進行篩選評價。

稠油；發泡劑；穩泡劑；助劑

1 實驗評價方法

起泡劑性能評價方法有很多，諸如孔盤打擊法、傾注法、Ross-Miles法、WaringBlender法等。其中WaringBlender法是一種應用較為普遍的評價起泡劑性能的方法。該法操作方便，使用藥品少，實驗周期短，使用條件不受限制，并能較準確地反映出起泡劑的起泡能力和穩泡能力。實驗流程嚴格按照行業標準SY/T5350-2009[2]鉆井液用發泡劑評價程序執行，主要包括起泡劑的發泡性和泡沫穩定性的評價。實驗時，在燒杯中加入一定濃度的起泡劑溶液，高速攪拌后，關閉開關，將燒杯中的溶液倒入1000ml量筒中立即讀取泡沫體積V0（ml），表示發泡劑的發泡能力；然后記錄從泡沫中析出1/2液體所需的時間t50（s），作為泡沫的析液半衰期，反映其穩泡能力。

2 實驗材料

2.1 實驗儀器

分析天平、烘箱、KJ-1型實驗室攪拌器、BX型超級恒溫器、燒杯、1000ml量筒、不銹鋼罐、秒表、表面張力儀、保鮮膜等。

2.2 實驗試劑

發泡劑：α-烯烴磺酸鈉（AOS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）、十二烷基苯磺酸鈉（ABS）；穩泡劑：聚丙烯酰胺（HPAM）、黃原膠、甜菜堿、羧甲基纖維素（CMC-1）；助劑：碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉。

3 實驗結果與分析

3.1 高溫發泡劑的篩選

以發泡劑AOS、ABS、AES為研究對象，在溫度為200℃下考察其發泡體積和表面張力，三種發泡劑的發泡體積均隨發泡劑質量濃度的增加而逐漸增大，當發泡劑濃度增加到一定值時，發泡體積趨于平穩。這是由于隨著發泡劑濃度的增加，泡沫表面粘度也隨之增大，從而使泡沫更加穩定，發泡體積增大，繼續增大發泡劑濃度，使得發泡劑在泡沫液膜表面的濃度過大、密度增大、液膜排液趨勢增加，最終將導致泡沫穩定性的下降。在這三種發泡劑中AOS的發泡效果明顯優于AES和ABS，且AOS質量濃度為0.3%時曲線的斜率最大，因此優選出AOS的質量濃度為0.3%；表面張力的總體趨勢是隨著發泡劑質量濃度的增加而增大的，且AES的表面張力值大于AOS和ABS，ABS的表面張力值最小。對發泡劑而言表面張力越小越容易發泡，且隨著表面張力的增加，泡沫穩定性明顯下降。根據Gibbs原理，體系總是趨向于較低表面能的狀態過渡，低的表面張力使這一趨勢減小。由于在AOS濃度為0.3%時表面張力較低，因此優選出的發泡性能相對較好的發泡劑為AOS，且質量濃度應為0.3%。

3.2 穩泡劑的篩選

穩定性是泡沫研究的核心問題。如果使用單一的發泡劑，其發泡性雖然很好但半衰期一般都很短，達不到預期的效果。為了提高泡沫的穩定性，延長泡沫的半衰期，需加入穩泡劑。本文對四種增粘性穩泡劑進行了室內實驗研究。

以HPAM、黃原膠、甜菜堿、CMC-1作為穩泡劑，在溫度為200℃下，對不同穩泡劑對發泡劑溶液的穩泡性能進行實驗對比，研究穩泡劑類型和不同加量對發泡劑溶液表面張力的影響。

對于發泡體系：AOS+0.02%不同穩泡劑+0.05%Na2CO3，當溫度為200℃時，且其它條件相同的情況下，體系的發泡體積先隨AOS濃度的增加而增大，增大到一定程度時，發泡體積不再隨AOS濃度的增加而增大；四種穩泡劑相比而言穩泡效果較好的為黃原膠，這是由于黃原膠溶膠分子能形成超結合帶狀的螺旋共聚體，構成脆弱的類似膠的網狀結構，所以能夠支持固體顆粒、液滴和起泡的形態，顯示出很強的乳化穩定作用和高懸浮能力。在溫度為200℃下，對于不同濃度的不同穩泡劑而言，在AOS中添加CMC-1和甜菜堿的發泡體系的表面張力相對較大，而添加黃原膠的體系表面張力相對較小，且在黃原膠濃度為0.02%時體系的表面張力相對較低。

3.3 助劑的篩選

以碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉作為助劑，分別來研究發泡劑溶液對這三種鹽的適應性強度，考察在200℃下發泡劑溶液對不同助劑類型及加量的適應性程度和對于同一發泡劑溶液而言溫度對其發泡性能的影響。

對于發泡劑體系：0.3%AOS+0.02%黃原膠+助劑，在溫度為200℃時，可知加入鹽類助劑后發泡劑溶液的發泡體積均下降，這是因為強電解質的加入，導致液膜表面擴散雙電層被壓縮，zeta電位降低，從而泡沫穩定性變差。0.3%AOS+0.02%黃原膠的發泡劑溶液對碳酸氫鈉助劑的適應性要比其它兩種助劑相對較強，對硅酸鈉的適應性相對較弱，其中碳酸氫鈉極易受熱分解，生成碳酸鈉、水和二氧化碳，其中二氧化碳能促進發泡劑發泡，從而提高泡沫的發泡性能，且從圖中可以看出發泡體積先隨助劑加量的增加而增大，當助劑濃度增加到0.09%后發泡體積隨助劑加量的增加反而減小，因此碳酸氫鈉的適宜濃度為0.09%。

對于發泡體系：AOS+0.02%黃原膠+0.09%碳酸氫鈉而言，發泡體積隨溫度的升高而呈現下降趨勢。這是因為隨著溫度的升高，氣體分子動能隨之增加，使得氣體擴散速度增加，且體系因整體能量的增加而變得不穩定，從而引起泡沫穩定性的下降。

4 結論

（1）當溫度為200℃時，相比而言AOS的發泡性能較好，且AOS在質量濃度為0.3%發泡體積增大斜率最大且表面張力較低，因此發泡效果相對好的發泡劑為AOS且質量濃度為0.3%。

（2）在200℃下對四種增粘性穩泡劑通過篩選評價后得出穩泡性能相對較好的為黃原膠且濃度為0.02%。

（3）在200℃對三種鹽類助劑通過篩選評價后得出發泡劑溶液對碳酸氫鈉助劑的適應性較強且適宜濃度為0.09%。

[1]郝立軍.稠油熱采氮氣泡沫調驅技術實驗研究[J].石油地質與工程，2010（03）：127-129.

[2]SY/T5350-2009.鉆井液用發泡劑評價程序.中華人民共和國石油天然氣行業標準[S].國家能源局發布.2009-12-01發布.2010-05-01實施.