發泡劑體系配方篩選和優化研究

李國倉

大慶油田工程建設有限公司安裝公司（黑龍江大慶163710）

■質量

發泡劑體系配方篩選和優化研究

李國倉

大慶油田工程建設有限公司安裝公司（黑龍江大慶163710）

為了優化適用于大慶油田應用的發泡劑體系，通過對7種表面活性劑和6種穩泡劑的泡沫及界面性能分析，篩選出了FL和HPAM發泡劑體系，并優化出了FL濃度為0.3%、HPAM濃度0.1%的最佳配比。發泡劑體系可同時滿足起泡體積大于150 mL，泡沫半衰期大于30min，且能形成超低界面張力。該發泡劑體系配方在油田泡沫復合驅現場試驗，應用效果良好。

泡沫界面性能；表面活性劑；穩泡劑；發泡劑體系

大慶油田已進入高含水開發后期，開展有效的三次采油技術研究是確保油田穩產的關鍵。聚合物驅油技術已經被大規模工業化應用，三元復合驅也取得了一定效果。盡管如此，仍有約50%的剩余油留在地下[1-2]。為了挖掘這部分潛力，必須研究比聚合物驅和三元復合驅更好的三次采油方法。泡沫是氣體分散于發泡劑溶液中所組成的分散體系，是一種黏彈性流體[3]，具有比聚合物更大的滲流阻力，因此泡沫驅是一種很有潛力的提高采收率技術。泡沫流體應用于三次采油，在國內外已有幾十年的歷史，并取得了肯定的效果[4-7]。

發泡劑的起泡和穩泡性能好壞，影響泡沫在地下油藏多孔介質中的傳播距離和擴大波及體積的效果。而發泡劑的界面性能影響驅油效率，發泡劑的界面張力越低，其驅油效率越高。因此，具有較好起泡性能、穩泡性能和低界面張力的發泡劑可以同時起到擴大波及體積和提高驅油效率作用，可以大幅提高泡沫復合驅的最終采收率。

為了優化適用于大慶油田應用的發泡劑體系配方，針對發泡劑配方起泡性及泡沫穩定性影響因素復雜、不能有效降低界面張力等問題，開展了運用質量管理方法提高發泡劑配方的泡沫及界面性能，收到了良好的效果。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

主要試劑：α-烯烴磺酸鈉（AOS），十二烷基硫酸鈉（SDS），脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)，非離子雙子表活劑（FL），烷基磺酸鹽（RDF），十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），烷基甜菜堿（CD），聚合物（HPAM），低分子量醇（FE），羧甲基纖維素（CMC），羥乙基纖維素（HEC），聚乙二醇（PEG），氮氣，原油(大慶脫水原油）。

主要儀器：全自動泡沫掃描儀，界面張力儀TX-500C。

1.2 實驗方法

泡沫起泡性和穩泡性測定：泡沫掃描儀采用鼓氣方式產生泡沫，在鼓氣結束后測量泡沫的最大體積，即泡沫的起泡體積。泡沫體積衰減一半，所用的時間記為泡沫半衰期。泡沫掃描儀自動控制氣體流速、流量及進氣時間，自動監測表面活性劑溶液的起泡體積和泡沫半衰期。本實驗在45℃樣品池中注入50mL發泡劑，預熱20min后，通入氮氣，氣體流速為30mL/min，進氣時間為5min。測定表面活性劑溶液的起泡體積和泡沫半衰期。

界面張力測定：選用TX-500C界面張力儀進行測量，樣品均由污水配制，實驗溫度45℃，轉速為5 000r/min，平衡2 h讀取界面張力值。

2 結果與討論

2.1不同種類表面活性劑的泡沫性能分析

針對表面活性劑的泡沫及界面性能差，調研國內外文獻及相關報道，選擇了國內外常用且泡沫性能好的不同種類、不同分子結構的7種表面活性劑，評價其起泡性能、穩泡性及界面張力。不同類型表面活性劑的起泡性如圖1所示。

圖1 不同表面活性劑的起泡性

由圖1可知，表面活性劑濃度超過一定值后，起泡體積趨于平穩。不同表面活性劑的起泡體積有一定差別，SDBS和RDF起泡性能較差，其余5種表面活性劑起泡體積均接近160mL。

不同類型表面活性劑的泡沫穩定性如圖2所示。由圖2可知，隨著表面活性劑濃度的增加，泡沫的穩定性增加，但是當濃度達到一定值時，泡沫的半衰期開始隨著表面活性劑濃度的增加而減小。其中CD的泡沫穩定性最好，RDF泡沫穩定性次之，SDBS的泡沫穩定性較差。不同類型表面活性劑的親水基團的結構、大小和電性存在較大差異，導致表面活性劑分子在氣液界面上排列方式及緊密程度不同，因此不同表面活性劑的起泡體積和泡沫半衰期差別較大。通過不同表面活性劑的起泡性和穩泡性綜合分析可知，SDS、AES、FL和CD具有較好的泡沫性能。

2.2不同種類表面活性劑的界面性能分析

不同表面活性劑的界面張力如表1所示。表面活性劑濃度為0.1%，FL與大慶原油可以形成超低界面張力，RDF與大慶原油的界面張力低于1mN/m，而其余5種不同表面活性劑與原油的界面張力較高。結合不同表面活性劑泡沫性能，確定FL為發泡劑體系配方中的最佳表面活性劑。

圖2 不同表面活性劑的泡沫穩定性

表1 不同發泡劑的界面張力

每個FL分子中有兩個烷基親油基團，一個非離子親水基團，FL分子的油溶性好于其余6種表面活性劑，FL分子更趨向于在原油界面緊密排列，使油水界面張力達到超低。其余6種表面活性劑均為離子型表面活性劑，每個表面活性劑分子只有一個烷基親油基團，導致其降低界面張力效果較FL差。

2.3穩泡劑種類優化

針對穩泡劑對表面活性劑泡沫性能及界面性能的影響，通過調研文獻及相關報道，選用6種常用的穩泡劑，不同穩泡劑對FL的起泡體積和泡沫穩定性影響如表2所示。FL濃度為0.3%，穩泡劑濃度為0.1%。

由表2可知，穩泡劑對FL起泡體積影響較小，其中CMC和HPAM使FL的起泡體積略有降低，其余4種穩泡劑使FL的起泡體積增大。FL溶液中加入不同穩泡劑后，泡沫穩定性差異較大，其中FE、HEC、PEG6使FL的泡沫穩定性減弱，而CMC、PEG2、HPAM使FL的泡沫穩定性出現不同程度增強，其中HPAM效果最好，泡沫半衰期增加超過一倍。因此，發泡劑體系配方選用HPAM作為穩泡劑。

表2 不同穩泡劑對FL泡沫性能的影響

2.4發泡劑體系性能優化

為優選出適合大慶油田的發泡劑體系，對FL和HPAM發泡劑體系配方進行泡沫及界面性能優化，不同濃度FL和HPAM發泡劑體系的泡沫性能如圖3所示。FL和HPAM發泡劑體系中，FL濃度大于0.3%，起泡體積趨于穩定，體系中HPAM濃度增加，起泡體積減小。FL和HPAM發泡劑體系泡沫半衰期隨無堿發泡劑和聚合物濃度增加而增加，不同濃度發泡劑體系配方的泡沫半衰期均明顯大于30 min。由于體系中HPAM分子增多，FL分子與HPAM、HPAM與HPAM分子間作用力及纏繞作用增強[9-10]，這些作用導致泡沫液膜更加穩定，因此泡沫穩定性增強。但當HPAM質量濃度大時，FL和 HPAM體系黏度高，起泡性降低。

圖3 FL和HPAM發泡劑體系的泡沫性能

由表3可知，不同濃度發泡劑體系配方的界面張力均可達到超低。FL和HPAM發泡劑體系配方中FL濃度低于0.3%時，界面張力變化趨于平穩，而FL濃度大于0.3%時，界面張力明顯增大。這是由于FL在油和水兩相的分配系數等于1時，界面張力最小[11]。FL濃度較高時，在膠束中增溶或油相的分布破壞了這種分配系數等于1的平衡，使FL和HPAM發泡劑體系界面張力反而增大。

FL和HPAM發泡劑體系配方中HPAM濃度為0.15%時，界面張力明顯增大，在HPAM濃度較低時界面張力變化不是很明顯。由于HPAM濃度增加，體系黏度逐漸增加，FL分子在高黏度體系中的運動非常困難，使油水界面分布的FL分子排列改變，導致FL和HPAM發泡劑體系的界面張力增大[12]。

表3 FL和HPAM發泡劑體系的界面張力

2.5應用情況分析

通過篩選和優化得到了適合大慶油田泡沫復合驅礦場試驗所需的發泡劑體系配方。目前該發泡劑體系配方已經在大慶油田泡沫復合驅試驗得到應用，試驗區共有注入井6口，共需注入表面活性劑2 300t，每噸發泡劑體系配方的成本比三元發泡劑體系配方節約1.06萬元。

3 結論

1）通過對不同表面活性劑起泡性和穩泡性的綜合分析，SDS、AES、FL和CD具有較好的泡沫性能，FL與大慶原油可以形成超低界面張力，HPAM穩泡效果最好。

2）FL濃度為0.3%，HPAM濃度為0.1%，二元發泡劑體系的泡沫及界面性能最優，其起泡體積大于160mL，泡沫半衰期接近60min，同時界面張力可以達到超低水平。

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In order tooptimize the foaming agentsystem applied to Daqing Oilfield,7 kinds of surfactantand 6 kinds of foam stabilizer were provioled.Based on the foaming properties and interfacial propertiesof the systems composed of the surfactants and the foam stabi?lizers,the foamingagentsystem consisting of surfactantFL and foam stabilizer HPAM wasscreened out,and an optimal formulation com?posed of 0.3%surfactant FL and 0.1%foam stabilizer HPAM was obtained.The optimal formulation system canmeet the foaming vol?ume ofmore than 150mL,the foam half-life ofmore than 30m in,and can form a super low interfacial tension.Ithasa good field app li?cation effect in DaqingOilfield.

interface performanceof foam;surfactant;foam stabilizer;foamingagentsystem

左學敏

2015-12-16

國家科技重大專項(編號：2011ZX05010-005)。

李國倉（1982-），男，工程師，現主要從事科研設計工作。