天然氣井排水采氣用泡排劑的研究與應用

李智慧等

【摘 要】排水采氣工藝是氣井開采中后期提高有水氣藏采收率的有效措施，泡沫排水采氣技術廣泛應用于產水量不大且具有一定自噴能力的氣井，主要介紹了泡沫排水采氣工藝技術的特點、泡排劑的分類和使用要求和適應不同氣井條件下的泡排體系等內容。

【關鍵詞】天然氣井；井筒積液；排水采氣；泡排劑；泡沫穩定性；研究；應用

【Abstract】Drainage gas recovery is effective measures to improve recovery efficiency of water gas reservoir. Foam drainage gas recovery technology has been widely used in gas wells with little water production and a certain capacity from the spray. The paper mainly introduces characteristics of foam drainage gas recovery technology， classification and requirements of foaming agent， and foaming system under different gas conditions.

【Key words】Gas well； Wellbore fluid； Drainage gas recovery； Foaming agent； Foam stability； Research； Application

0 前言

隨著世界各國對能源的進一步需求和對環境問題的日益關注，天然氣受到普遍重視，發展天然氣工業已成為當代世界潮流[1]。從環保和優質能源的角度出發，21世紀的主要能源非天然氣莫屬。產水氣井整個生產階段分為無水生產期和排水采氣生產期[2]，在無水生產期產量高、工藝簡單、開采成本較低，優化合理的采氣速度可延長氣井的無水采氣期。隨著采氣生產過程的進行，地層能量逐漸衰竭，氣井的產氣量低于臨界攜液流量，產出氣不足以將產出的地層水或凝析液攜帶至地面，產出液在井底聚積。如果不及時采取措施，井底水將會嚴重降低產氣量，甚至導致氣井水淹停產，此時則需要采用相關排水采氣工藝協助氣井生產[3]。

產水氣藏的排水采氣工藝技術始于20世紀50年代的美國，經過近60年的發展，已形成了多種成熟的排水采氣技術[4]。排水采氣工藝是氣井開采中后期提高有水氣藏采收率的有效措施，目前常用的排采工藝包括優選管柱、泡沫排水、柱塞氣舉、連續氣舉、有桿泵、射流泵、電潛泵、機抽等，而每種排采方式有其不同的適應性和優缺點。

1 泡沫排水采氣技術的特點

泡沫排水采氣工藝技術[5]是將表面活性劑（泡排劑）從攜液能力不足的生產井井口注入井底，借助于天然氣氣流的攪動作用，使之與井底積液充分接觸，從而減小液體表面張力，產生大量較穩定的含水泡沫，減少氣體滑脫量，使氣液混合物密度大大降低，以大幅度降低自噴井油管內的摩阻損失和井內重力梯度，如圖1所示，不加起泡劑時水分子液滴較大，在氣井中加入起泡劑后，水分子和起泡劑形成泡沫液滴，在天然氣流的作用下帶出井底[6]。

泡沫排水采氣工藝充分利用地層自身能量實現舉升，具有單位排液量大、適宜較深井況、地面及環境條件要求低、設計簡單、維修方便、注入靈活且免修期長、收效快等特點[7]。不同泡排劑能夠適應不同類型生產井的需要，成為目前應用于低產積液氣井的一種廣泛、有效排水采氣措施。該工藝要求氣井具有一定的自噴能力，無自噴能力的水淹井需要采用放噴或其它誘噴措施，且需定時定量向井筒內添加泡排劑，工藝的排液能力不高[8]。

2 泡排劑的分類和使用要求

2.1 泡排劑的分類

泡沫排水采氣工藝中通常使用的泡排劑是由一種、或多種表面活性劑復合而組成，品種繁多。一般地，泡排劑按照泡沫排水用表面活性劑分為固態和液態兩種：固態泡排劑主要有泡棒、酸棒和滑棒，液態泡排劑主要有離子型（主要為陰離子型）、非離子型、兩性離子型和高分子聚合物型及復合表面活性劑等，主要分為如下幾類：

2.1.1 陰離子起泡劑

此類起泡劑實質上就是陰離子表面活性劑[9]，典型的陰離子表面活性劑分子式ROSO3M，其中R為12-14個碳的烷基，M為Na+或NH4+。常用的陰離子表面活性劑有：烷基磺酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基苯磺酸鹽、脂肪醇醚硫酸鹽、椰子油烷基硫酸鹽、脂肪酸皂等。該類表面活性劑起泡性能好，價格適中且來源廣，耐地層水總礦化度<60g/L，但缺點是當地層水總礦化度大于此值時，其起泡能力和穩定性都受到影響[10]。因為其分子結構中含有的SO42-等陰離子基團，遇到Ca2+、Mg2+等多價陽離子而生成沉淀，其抗電解質能力差，起泡困難，甚至不起泡。

2.1.2 陽離子起泡劑

此類起泡劑實質就是陽離子表面活性劑[11]，是由有機胺衍生出來的鹽類，在水溶液中能離解出表面活性陽離子，主要種類有含氧化叔胺、有機胺鹽類等。該類發泡劑發泡能力適中，但由于來源少、價格高，從經濟上考慮很少使用。陽離子表面活性劑的起泡性和穩泡性較差，主要原因在于陽離子表面活性劑的極性頭太大，影響分子間緊密排列，不容易形成致密的表面膜[12]。

2.1.3 非離子起泡劑

此類起泡劑實質是非離子表面活性劑[13]，典型分子式是RO（CH2CH2O）nH，其中R為12個碳的烷基，n一般為4-6。常用的非離子起泡劑種類[14]有烷基酚聚氧乙烯醚類、脂肪酸醇酰胺類、烷基糖苷等，其親油基一般是烴鏈或聚氧丙烯鏈，親水基是聚氧乙烯鏈、羥基或醚鍵等。該類表面活性劑在水溶液中不離解為離子態，而是以分子或膠束態存在于溶液中，起泡性能一般，抗電解質能力強，耐地層水總礦化度<120g/L，使用范圍常受濁點影響[15]。對于礦化度高的氣水井，離子型起泡劑在礦化水中會生成不溶解的沉淀，多采用非離子型起泡劑，這類表面活性劑不僅有優良的表面活性，而且吸附損失小，并且由于親水親油鍵之間有醚類官能團，起泡能力更大。

2.1.4 兩性離子起泡劑

此類起泡劑實質上就是兩性離子表面活性劑[16]，典型分子式是RN（CH3）2CH2COOM，其中R為12-18個碳的烷基。兩性起泡劑主要有甜菜堿型、咪唑啉型、β-氨基羧酸型、α-亞氨基酸型、烷基氧化胺等。兩性離子表面活性劑在水溶液中能離解出既帶有陽離子又帶有陰離子的兩性離子，此兩性離子隨著pH值變化而變化，通常在堿性條件下顯陰離子性質，在等電點是顯示出非離子性質，在酸性條件下顯示出陽離子性質[17]。該類表面活性劑起泡性能較好，毒性低，具有一定的生物降解性，耐地層水總礦化度<250g/L，但該類起泡劑成本高，使用較少。

2.1.5 高分子聚合物表面活性劑

此類起泡劑實質是高分子表面活性劑[18]，高分子表面活性劑是相對低分子表面活性劑而言，指分子由親水基團和疏水基團兩部分組成的、具有較高相對分子質量（103-106）和表面活性功能的高分子化合物。高分子表面活性劑具有高粘度、優良的分散性和成膜性，同時具有高分子和表面活性劑的優異性能，在高溫條件下具有很好的穩定性，能增大液膜強度，提高泡沫穩定性。如美國Calgon公司研制的丙烯酰胺和乙酰丙酮丙烯酰胺的共聚物就屬于聚合物起泡劑，但國內對于該類起泡劑的相關報道較少[19]。

2.1.6 復合型起泡劑

由于單一的陰離子起泡劑抗電解質能力差，對于高含鈣或鹽的地層，可將陰離子與陰離子復配、陰離子與非離子等復配[20-21]形成復合型發泡劑，以增強發泡劑的抗靜電能力，使其可用于高含鈣或鹽的地層。對于同時含礦化水和凝析油的氣井，應采用多組分的復合起泡劑，表面活性劑的某些性能具有協同效應，即在同時使用兩種或兩種以上適當的、類型不同的表面活性劑時可以得到比單獨使用一種表面活性劑更好的效果，所以常將幾種起泡劑同時配入一個體系中使用[22]。

2.2 泡排劑的使用要求

由于不同氣水井的復雜性特點（如含硫化氫、凝析油等），要求下井的泡排劑能滿足不同井況的特殊要求[23]。目前開發的一般常規泡排劑很難適應不同氣田井況要求，為達到天然氣田穩產、增產的目的，需要研究起泡性、穩定性、攜液能力均很好的適合不同氣田用的泡排劑，以解決氣藏排液難題[24]。常用的泡沫排水用的泡排劑除應具有表面活性劑的一般性能（如能大幅度地降低氣液界面張力，HLB值要求在9-15范圍之內等）外，為達到使氣井排水的目的，還要求具有以下特殊功能[25]：①較強的起泡能力：在井底礦化水中，只要微量的泡排劑（大約100-500mg/L），就能在天然氣的攪動下形成大量含水泡沫，使氣、液兩相空間分布發生顯著變化，水柱變成泡沫，密度下降幾十倍。因此，在較低氣流速度下，就可以將低密度的含水泡沫帶到地面，從而實現排水采氣。②較大的泡沫攜液量：當氣泡周圍吸附的起泡劑分子達到一定濃度時，氣泡壁就形成一層較牢固的膜。泡沫的水膜越厚，單位體積泡沫的含水量越高，表示泡沫的攜水能力越強。③良好的泡沫穩定性：采用泡沫排水，從井底到井口行程幾千米，如果泡沫穩定性差，有可能中途破裂而使水分落失，達不到將水挾帶到地面的目的。但是，如果泡沫的穩定性過強，則泡沫進入分離器后又會給消泡及氣水分離帶來困難。

3 適應不同氣井條件下的泡排體系

從上表可知，為適應不同的氣井條件，需要開發不同的泡排體系。一般來說，為制備性能優良的穩定泡沫體系，可以采用以下方法：

（1）選擇適當的發泡劑

應該根據需要選擇適當的發泡劑，以降低液相的表面張力，增加液膜的強度和彈性。泡沫穩定性能的好壞，起泡能力的大小，直接與起泡劑的分子結構有關。一般認為，起泡劑的親油鏈以正構飽和結構且足夠長者為好，它們在泡膜上定向吸附后，親油鏈之間的橫向引力強，泡沫穩定性好；反之，親油鏈帶有側鏈或者親水基在中間的，由于在泡膜上定向吸附后，橫向引力弱，所以泡沫穩定性差[45]。對起泡劑的親水基而言，在親油基選定后，親水基的親水性強一些為好，主要是親水基愈強，形成泡膜的排液速度愈小，泡沫愈穩定，親水基的親水強弱可參考如下順序：-OSO3Na>-COOK>-COONa>-SO3Na>-COOH>-OH。所以，強的親水基匹配上合適的親油基，就是一個好的起泡劑。

（2）選擇適當的穩泡劑

起泡劑-水體系產生的泡沫不夠穩定，為提高泡沫的穩定性，須加入泡沫穩定劑。穩泡劑是指能夠增加泡沫穩定性的表面活性物質，在泡沫中穩泡劑起著不容忽視的作用。穩泡劑能穩定泡沫的原因有兩點[46]：一是它們能形成致密的混合膜，增加了表面活性劑分子間的引力；二是降低了溶液中的活性劑濃度，增長了表面張力達到平衡的時間，使泡沫趨于穩定。穩泡劑按作用可分為兩類：第一類是利用表面活性劑的協同作用來增強表面吸附分子間的相互作用，使表面吸附膜強度增大，從而提高泡沫穩定性。這類穩泡劑常用的有硬脂酸胺、月桂醇、三乙醇胺、月桂酸二乙醇胺、十二烷基二甲胺氧化物等。第二類是添加增稠劑來提高液相的粘度，降低流動度，減緩泡沫排液速度，并能形成彈性薄膜，明顯延長泡沫的半衰期，屬于這類物質常用的有高分子化合物（WPJ）、羧甲基纖維素（CMC）、聚丙烯酰胺（PAM）、可溶性淀粉和合成龍膠等。但液相粘度過大會造成氣體在液體中分散困難，因此對液體的要求是本體粘度適當而膜的表面粘度大。一般二類穩泡劑要比一類穩泡劑效果更明顯，目前現場上常用這種方法提高泡沫穩定性，在現場上被廣泛使用。

4 泡排劑研究存在的問題

（1）理論研究不夠完善：經過多年的研究和探索，泡沫流體的應用已取得了很大的成效，但在泡沫排水采氣技術理論方面的研究還比較薄弱，國內外在相關理論的研究和論述方面雖文章和著述頗多，但針對泡沫排水采氣技術的論述和整理卻比較零散，為了進一步擴大泡沫排水采氣技術的研究和使用，有必要在理論和實踐上對其進行深入細致的研究，已形成系統的理論和完整的室內研究方法，來更好的指導現場實踐。

（2）泡排劑注入工藝、影響泡沫排水采氣效率的因素均有待進一步研究和完善。

（3）目前國內對高溫高鹽和含硫化氫氣藏泡沫排水采氣體系及現場應用報道較少，所以有待進一步加強抗高溫高礦化度和抗硫泡排劑和穩泡劑的研究，以使泡沫排水采氣技術得到更加廣泛的應用。

（4）泡沫排水采氣過程中產生的乳化、結垢現象對地層的影響有待進一步加強。

（5）實驗室模擬氣藏環境進行泡沫排水采氣實驗中采用模型過于理想化，與地層的真實情況相差太遠，許多地層因素未考慮到，實用性差[47]。

（6）高效表面活性劑的成本相對較高，所以應該充分利用表面活性劑之間的協同效應以及表面活性劑與聚合物之間的協同效應來降低產品用量，擴大其功能；或者利用天然產物或工業廢料開發研制應用于泡沫排水采氣用表面活性劑以降低成本。

5 泡排劑的發展趨勢

泡沫排水采氣技術應用以來，國內外在泡排劑的研究和應用方面取得了很大進展，但還不能滿足各種地層和氣井條件的需要，亟需開發多種新型泡排體系以適應不同氣田分類氣井排水采氣的需求，以推動化學排水采氣技術的發展。

（1）發展新型合成或天然高分子表面活性劑作為泡排主劑，其膠束呈現多種形態特征，分子尺寸分布具有多分散性，在較低cmc濃度時就可顯示出很強的界面吸附能力。

（2）采用復配技術降低泡排劑成本，提高表面活性劑性能，通過復配表面活性劑之間產生加和增效（協同）作用，使體系具有比單一表面活性劑更優越的性能。

（3）研制環境友好型泡排體系，提高其生物降解性，減少表面活性劑對生態環境的破壞（污染）。

（4）開發智能型泡排體系，能夠根據氣井環境變化進行發泡與消泡。

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