泡排井用起泡劑室內評價及影響因素研究

閻曉雨 敬加強 晏梓洋 等

摘 要：起泡劑作為泡排工藝的核心化學助劑，在現場實際應用前，對其各項性能的評價是必不可少的一個環節。本文對目前使用較為廣泛的UT-11C型起泡劑開展了室內研究，采用經典的靜態評價方法，并結合自行設計的泡沫管流可視化實驗裝置進行動態評價。研究結果表明：該型起泡劑起泡和穩泡性能良好，起泡基液濃度、溫度和礦化度對起泡劑有較為明顯的影響，起泡劑濃度5‰、溫度40 ℃時起泡性能最佳，而在礦化度高于60 g/L的環境中泡沫穩定性極差。通過靜態、動態評價實驗方法的綜合考查，能夠更加全面的認識起泡劑性能。

關 鍵 詞：泡沫排水；起泡劑；影響因素；評價實驗

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）03-0526-04

Abstract： Foaming agent is the core chemical additive of the foam drainage gas recovery technology； its evaluation performance is an essential part before field application. In this paper， taking UT-11C foaming agent as research objective， combined with self-designed foam pipe-flow visual experimental apparatus， dynamic evaluation on UT-11C foaming agent was carried out by using classical static evaluation method. The research results indicate that， this foaming agent has good foamability and stability； its properties can be obviously affected by the concentration， temperature and salinity of base fluid. This foaming agent has the best performance under the condition of the concentration 5‰ and temperature 40 ℃.On the other hand， when the salinity is higher than 60 g/L， the foam stability is poor.

Key words： Foam drainage gas recovery； Foaming agent； Influence factors； Evaluating experiments

在氣田開發的過程中，為解決因地層水侵入導致的產量下降或停產的問題，優選泡沫排水工藝，即通過向井底注入表面活性劑使得井內水分散成低密度泡沫，增強氣井帶水能力，將地層水帶出井口升舉到地面。泡排工藝具有排液量大、較深井況適宜性強、地面及環境條件要求低、設計簡單、投資小、效益好、加注靈活且免修期長等優點[1，2]。

起泡劑作為泡排工藝的核心化學助劑，其性能優劣決定著泡排井能否實現穩產、增產和延長自噴期的目標[3]。起泡劑性能的常規評價手段，屬于靜態評價，包括氣流法、Ross-Miles法、攪拌法等。本文引入自行設計搭建的泡沫管流可視化實驗裝置，針對在某氣田廣泛應用的UT-11C型起泡劑，采用動靜結合的評價方法，開展系統的性能評價。

1 實驗設計

1.1 起泡劑基本性能

泡沫排水采氣是一個從井底到井筒再到地面的長距離、復雜過程，因此對于起泡劑性能的考查也是多方面的：起泡能力強，攜液量大，泡沫穩定性適中，與地層介質良好配伍[4-6]。

1.2 起泡劑性能評價方法

室內靜態評價選用攪拌法（Waring-Blender法[7]），是將定量的試液置于一定規格的刻度容器內，再用攪拌器攪拌一段時間，記錄泡沫高度和析出液體時間，可用于衡量泡沫體系起泡能力、穩定性兩方面的性能，實驗裝置選用GJ-1型高速攪拌機。

表面張力：參照SY/T 6465-2000推薦使用圓環法測定試液的表面張力，選用DT-102型全自動界面張力儀進行實驗。

室內動態評價選用泡沫管流可視化實驗裝置，該套裝置由氣體控制系統、起泡基液控制系統、泡沫生成系統、管流測試系統、數據采集系統等五部分組成。它能夠實現在多氣液比、多工況設定條件下的泡沫生成、流動、測定、收集等功能，模擬氣-液-泡沫流體在管道內的流動，滿足起泡劑的動態起泡能力、攜液性能、半衰期等的測定。

1.3 實驗內容

實驗以起泡高度、半衰期及起泡基液的表面張力作為起泡劑評價主要指標，具體實驗分為兩部分：（1）在不同濃度、溫度、pH值及地層水礦化度條件下，采用靜態評價測定UT-11C型起泡劑的起泡能力、半衰期及表面張力，分析各因素對其起泡性能的影響；（2）根據靜態評價結果，選擇影響程度明顯的因素，利用泡沫管流可視化實驗裝置，進一步研究在流動過程中各因素的影響情況。

2 實驗結果與討論

2.1 靜態評價實驗

2.1.1 濃度影響

在常溫下，將UT-11C起泡劑分別配置兩組質量分數為1‰、2‰、5‰、8‰、10‰的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測定其表面張力，結果如圖1。

隨著起泡劑濃度的增大，體系的發泡量先以較為明顯的趨勢增加，濃度5‰時達到最大起泡量，隨后增加的趨勢變緩，并出現發泡量一定程度的下降。不同濃度下每100 mL起泡基液起泡體積均達到550 mL以上，起泡劑起泡效果較好；泡沫體系的半衰期達到4.0 min以上，在實驗濃度范圍內，半衰期受起泡劑濃度影響較小；隨著溶液中起泡劑濃度的增加，溶液表面張力大幅下降，在濃度5‰左右達到最低值，5‰后表面張力變化不大。因此，起泡劑濃度在5‰時，能夠達到最佳起泡效果。

2.1.2 溫度影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質量分數為2‰，溫度為5、10、20、40、60 ℃的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測定其表面張力，結果如圖2。

泡沫體積隨著溫度的升高，呈較快增長的趨勢，在40 ℃時，泡沫體積達到624 mL，起泡效果最好；超過40 ℃后，泡沫的起泡量又隨著溫度升高，呈現緩慢下降的趨勢。而隨著溫度升高，泡沫體系半衰期呈顯著下降的趨勢，泡沫穩定性變差。雖然溶液表面張力隨溫度升高而下降，但分析認為較高溫度下表面活性增強，有利于增強泡沫發泡性能。

2.1.3 pH值影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質量分數為2‰，pH值為2、4、6、8、10的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測定其表面張力，結果如圖3。

起泡劑在酸性、中性或者堿性條件下，起泡性能均未出現明顯變化，起泡量均能夠達到600 mL以上，起泡效果良好，起泡性能基本不受pH的影響；泡沫體系半衰期維持在3.5 min以上，泡沫穩定性受溶液酸堿性影響不大；溶液表面張力保持在29.20 mN/m左右，基本不受溶液酸堿性影響。

2.1.4 礦化度影響

根據現場地層水水型，取UT-11C型起泡劑，分別配置兩組質量分數為2‰，礦化度為20 000、40 000、60 000、80 000、100 000的100 mL起泡基液。其中一組采用高速攪拌法測定泡沫體積V0和半衰期t1/2，取另一組基液測定其表面張力，結果如圖4。

隨地層水礦化度越高，起泡劑起泡能力略有增強，但增幅不大；泡沫半衰期隨礦化度增大而減小，在高礦化度中泡沫穩定性減弱，在礦化度高于

60 000 mg/L的環境中泡沫穩定性極差。因礦化度增加，表面張力減小，在高礦化度中達到超低表面張力。通過與濃度2‰的非礦化水起泡基液的起泡性能比較，發現在礦化水存在情況下的起泡量及半衰期都明顯偏小。

2.2 動態評價實驗

根據靜態評價實驗結果，起泡劑濃度、溫度和地層水礦化度是對起泡劑性能影響較大的因素。其中，由于單一氣井地層水礦化度在一定生產周期內波動很小，且經過使用前的配伍性測試的起泡劑均能適應氣井的地層工況。因此礦化度不作為動態實驗因素，以下對起泡劑濃度和溫度在流動狀態下的起泡性能進行分析。

2.2.1 濃度影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置質量分數為1‰、2‰、5‰的起泡基液。通過泡沫管流可視化實驗裝置，測試泡沫液流經D25管道的平均壓差ΔP和生成的泡沫高度HD0，結果如圖5、6。

從圖中可以看出，同一氣液比條件下，起泡基液濃度越高，流經管道的壓力損失也越大，在管道末端產生的泡沫量也越多。高濃度泡沫總體上流動壓差和泡沫量大于低濃度泡沫，其中在低氣液比時，三種濃度起泡液流動壓差、泡沫量均有波動，分析認為在低氣液比范圍，泡沫流體經歷了從段塞流、波動流、分層流等多種流態，對泡沫流動壓差和泡沫量造成了影響，而在大氣液比情況下，三種濃度起泡液的流態基本保持分層流動，流動壓差已比較接近，泡沫量也趨于平穩。

2.2.2 溫度影響

取UT-11C型起泡劑，分別配置質量分數為1‰，溫度為20、40、60 ℃的起泡基液。通過泡沫管流可視化實驗裝置，測試泡沫液流經DN25管道的平均壓差ΔP和生成的泡沫高度HD0，結果如圖7、8。

分析圖表可知，泡沫流體經管道后，溫度對流動壓力損失和末端產生泡沫量影響都較小。在氣液比從小到大的變化過程中，三種溫度泡沫液的流動壓差和泡沫量始終都處在交叉變動且變動幅度不大的狀態，說明在實際生產中泡沫從井底反出后，由于地面工藝裝置均處于大氣溫度下，故井底溫度波動并不會影響泡排井的正常生產。

3 結 論

通過對UT-11C型起泡劑室內的靜態、動態評價，較為全面的認識了該型起泡劑的基本性能。

（1）UT-11C起泡劑起泡性能良好，起泡速度較快，其產生泡沫穩定性、泡沫攜液能力較好，抗酸堿性能力較高。

（2）濃度對起泡性能的影響，在靜態、動態評價實驗中均表現為起泡基液濃度越高，產生的泡沫量越大，說明濃度是泡排工藝中較為重要的一個影響因素。

（3）溫度則在靜態和動態評價中，展現出不同的影響趨勢，靜態實驗中溫度對起泡量有明顯的促進，但到達一定溫度后趨于平緩；在動態實驗中，起泡基液的溫度差異并未影響到管流中泡沫液的變化。

（4）起泡劑室內評價作為泡沫排水采氣工藝中必不可少的一個環節，應采取靜態和動態實驗相結合的評價方法，以綜合考查起泡劑性能，為現場運用提供更加全面的技術支撐。

參考文獻：

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