某氣井產出液發泡原因分析及對策

李靜

（中國石油西南油氣田分公司，四川遂寧 629000）

某含硫井站日產氣約10×104m3，日產水約3 m3。該井產氣、水經井口節流閥節流后進入水套爐加熱，加熱后經二級節流，通過單井采氣管線D88.9×6.3～4.4混輸至下游集氣站，生產過程中產出大量白色泡沫，如圖1所示。泡沫流動性較差，導致產出液分離、裝卸困難甚至堵塞管路，轉水井站不接受含污物較多的產出液致井站關井，造成一定的經濟損失并存在安全隱患。因此對產出液發泡原因進行分析，制定針對性解決措施，為井站的安全平穩生產提供保障。

圖1 井站生產過程中出現白色泡沫

1 發泡原因分析

針對產出液發泡現象，從鉆井試油、產出液組分、地面集輸工藝三方面進行分析，以明確產出液發泡原因。

1.1 鉆井試油情況

該井站試油改造液主要使用酸液體系，依靠酸液的水力和溶蝕作用將地層裂縫撐開、加寬并延伸到遠處；同時通過酸巖反應改善滲流狀況、提高地層導流能力，從而提高氣井產量[1]。試油改造時共注入井筒2 000余方酸液（膠凝酸為主）和40方降阻液，截止到試油結束排液513.5方，返排率為23.85%，具體情況如表1所示。

表1 該井站試油改造情況

由于試油階段的大量入井液在投產前未排出，較大概率會在投產后返排至地面，其中有起泡功能的添加劑可能在返排地面時造成乳化、泡沫情況。

1.2 產出液組分分析

產出液水樣振蕩后有明顯的起泡現象。

1.2.1 常見陽離子含量分析

根據《水質 鈣和鎂的測定 原子吸收分光光度法》（GB/T 11905-1989）、《水質 鉀和鈉的測定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T 11904-1989）、《水質 鐵、錳的測定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T 11911-1989）、 《水質 鋇的測定 火焰原子吸收分光光度法；》（HJ603-2011），分別測定K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Sr2+等含量，測定結果如表2所示，產出液中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，且濃度較高，易結垢沉淀。

表2 水樣陽離子組成表 mg/L

1.2.2 常見陰離子含量分析

根據《水質 氯化物的測定 硝酸銀滴定法》（GB/T 11896-1989)、《水質 硫酸鹽的測定 鉻酸鋇分光光度法（試行）》（HJ/T 342-2007）、《地下水質檢測方法 滴定法測定碳酸根、重碳酸根和氫氧根》（DZ-T 0064.49-93）、《水質 硫化物的測定 碘量法》（HJ/T 60-2000）進行水質陰離子指標測定，測得結果如表3所示，產出液中陰離子以Cl-為主。

表3 水樣陰離子組成 mg/L

參照《油田注入水細菌分析方法絕跡稀釋法》（SY/T 0532-2012）進行腐生菌、硫酸鹽還原菌與鐵細菌計數，測定結果表4所示，產出液中細菌以腐生菌為主。

表4 產出液水樣細菌含量 個/mL

1.2.3 GC-MS分析

將水樣的油相進行GC-MS分析（7890AGC-5975CMS），過程、數據處理結果分別如圖2、3所示。

圖2 油相萃取

圖3 油相GC-MS結果

其中，相對含量最多的是月桂基二甲基氧化胺（53.64%），相對含量第二的是十二烷基三甲基溴化銨（9.4%）。

1.2.4 表面活性劑含量測定

利用表面張力儀進行測定，判斷離子類型，然后測定其相對含量。

將0.1 g待測水樣稀釋后加入溴酚藍和碳酸鈉，混勻后加入苯，振蕩靜置分層，參照《水和廢水監測分析法》（第三、四版），對試樣中陽離子表面活性劑含量進行測定，結果如表5所示，具有加強的起泡性能。

表5 表面活性劑檢測結果

以上檢測分析結果表明，返排液中的月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基溴化銨兩種物質可能是誘發起泡的主要原因（月桂基二甲基氧化胺主要用于餐具洗滌劑及工業液體漂白劑，有增泡穩泡作用，是合成兩性表面活性劑的原料；十二烷基三甲基溴化銨在工業中常用作表面活性劑）。

1.3 地面集輸工藝

該井所產氣、水通過單井采氣管線混輸至下游集氣站，混輸天然氣在下游集氣站經分離計量后（目前該集氣站只有該井來氣），分離氣田水通過自動排液系統進入計量后端與天然氣混合，通過集氣干線混輸至集氣末站，與其它干線來氣及單井來氣混合后，經生產分離器分離，進入凈化廠凈化裝置。

該集氣站分離器為臥式重力分離器（P9.9-DN1000），其利用重力作用使液滴從氣流中分離出從而實現氣液分離[2]。分離器中氣流水平流速必須小于液滴沉降速度，氣流到達分離器出口管之前，要有足夠時間使其攜帶的液滴從氣流中分離，因此普通臥式重力分離器對泡沫和粒徑較小的液滴重力分離能力較弱，必須依賴分離器中的特殊構件，如高效除沫器、高效捕霧器等才能有效攔截。該集氣站應用的為未基于分離泡沫需求進行針對性設計的分離器，不能有效攔截泡沫和粒徑較小的液滴，導致其可能越過分離器進入下游流程。

2 消泡方式對比

泡沫是許多氣泡被液體分隔開的多項分散體系[3]，泡沫的存在會影響生產過程的工序控制，引起設備內部液位虛高，導致氣相攜帶液相進入增壓機或天然氣凈化系統等，造成裝置停運、引起經濟損失[4]。目前國內外常見的消除泡沫的方式包括物理消除法和化學消除法。物理消除法包括放置擋板濾網、靜電、冷凍、加熱、高速離心、高頻振動、加壓減壓、超聲波法；化學消除法包括化學反應、投加消泡劑。各類方法優缺點對比見表6，其中加注消泡劑法具有破泡速率快、抑泡時間長、對生產過程無影響、試用范圍廣、對環境無污染等優點，是各行業應用最廣泛的消泡方法[5-6]。油氣生產中一般會采取加注消泡劑等方式[7]。

表6 國內外常見的泡沫消除方法對比

表7 消泡劑FG-1和CT5-10實驗效果

3 室內消泡評價實驗

3.1 起泡性能測試

取100 mL水樣，11 000 r/min高速攪拌之后，泡沫初始體積達290 mL；3 min自然消泡后泡沫體積為250 mL，即水樣發泡力和穩泡性均較好。

3.2 消泡劑優選

目前消泡劑種類主要包括脂肪類、聚醚型、有機硅型、聚醚改性有機硅型[8-10]。積極調研目前市場上常用的消泡藥劑并開展室內評價實驗，經多次實驗效果對比，發現能起到消泡作用的消泡劑為FG-1、CT5-10。分別取100 ml水樣，依次加入消泡劑FG-1和CT5-10，攪拌后均勻分散，無沉降和分層。將加有消泡劑的水樣在11 000 r/min下高速攪拌，觀察泡沫高度。實驗效果如下表所示，即CT5-10消泡率略高于FG-1。最終選用CT5-10開展現場應用，并推薦用量為0.2%。

3.3 管輸消泡模擬試驗

通過建立管輸模擬裝置，研究消泡劑在管輸狀態下，其抑制消泡時間是否會有所變化。

管輸模擬裝置如圖4所示，采用DN80mm的鋼管模擬管輸狀態，采用空壓機模擬天然氣，在清水中加入起消泡劑模擬加注了消泡劑的氣井產出液。在忽略流體粘度差的前提下，根據動力學相似，雷諾數相等原則模擬現場工況，可推導出該試驗與現場工況的相似原理公式：

圖4 試驗裝置示意

式中：V1為試驗管道流速，m/s；V2為實際管道流速，m/s；D1為實驗管路管徑，mm；D2為工業管路管徑，mm。

根據調研情況，實際管道流速在3～6 m/s范圍，試驗管路與工業管道管徑比值介于0.8～1之間。根據相似原理公式，試驗管路流速應控制在2.4～6 m/s。

實驗步驟為：

1）打開空壓機及水泵，流速控制在2.4～6 m/s，工況條件下實際氣液比控制在320︰1；

2）在液體儲罐中加入起泡劑和消泡劑；

3）在水平觀察段觀察管流下的起泡情況；

4）在液體儲罐中加入消泡劑；

5）在水平觀察段觀察管流情況下的消泡情況；

6）在液體循環運行15 min、30 min和1 h后，分別在裝置末端取水樣進行起消泡性能分析。

根據試驗步驟，在水平觀察段中分別觀察到管流情況如圖5所示。

圖5 消泡劑加注前后管流情況

由圖5可知，在模擬裝置中能有效模擬實際管道中氣體攪動造成起泡的現象，且消泡劑效果顯著。

在循環運行一段時間后取樣，使用高速攪拌機在11 000 r/min條件下攪動樣品1 min，評價其起消泡性能。實驗表明，在管流攪動條件下，樣品起消泡性能在1 h內無明顯變化，消泡率95.2%。

4 現場應用

4.1 消泡控制指標

結合生產實際，確定消泡控制指標如表8所示。

表8 消泡效果要求

4.2 現場實施

該井站無分離器，氣液混輸至下游集氣站進行氣液分離并計量，后氣液再次混輸至下游集氣末站，井站內設有兩臺藥劑加注泵，均可通過一級節流閥前端抗硫測溫套直接向流程加注藥劑。

2020年7月3日開始，在井口向集輸管線加注消泡劑（50 kg/d），同時在集氣站加注消泡劑（50 kg/d）并在分離器取樣觀察泡沫情況

2020年7月5～8日，每天19:00集氣站分離器所取產出液樣外觀為白色均相流體（少量黑色漂浮），流動性好，有少量泡沫，靜止放置2 min內自行消泡。對其二次起泡性能評價滿足指標要求，具體如表9、圖6所示。

圖6 試驗前后集氣站分離器水樣對比

2020年7月9日對北3集氣站至集氣末站管線實施清管作業，共收集污水34 m3，污物0.1 kg。打開盲板后管內殘液未見泡沫，如圖7所示。收液過程中從排污管道壓力表泄壓口取樣，裝滿取樣杯后，二分之一為泡沫，靜置2 min泡沫自然消除具體指標詳見表9，樣液變化見圖8，滿足指標要求。

圖7 清管后管道無泡沫

圖8 清管收集產出液樣初始（左）、靜置2 min（右）狀態

現有的消泡方案能滿足該井產出液充分消泡并實現氣液有效分離的要求，分離后的氣井產出液流動性好，二次起泡能力弱，實現了正常生產。

5 結論及建議

5.1 結論

現階段快建快投，氣井投產前返排率低，大量入井液存留在近井地層中，在投產初期隨氣產出進入生產流程；而試油期間為滿足工藝需求，主要使用的轉向酸和膠凝酸都含有易致泡組分，可能造成氣井產出液起泡。氣井產出液形成的泡沫、微小液滴，可能會越過分離器進入溶液系統，影響正常生產。

5.2 建議

為適應開發現狀，確保區塊安全、高效開發，建議抓好以下幾個方面：

5.2.1 控制污染源頭

（1）氣井產出液起泡預防

在滿足試油改造工藝需求（如助排劑提高工作液的返排率、轉向劑使工作液變粘轉向等）的前提下，探索使用低致泡性添加劑的可行性。

（2）氣井產出液治理措施

針對目前試油改造液用量大，大量入井工作液未能在投產前全部排出的情況，建議在氣井投產初期增加臨時的消泡和分離環節。可在單井水套爐后端管線上加注消泡劑，在集氣站進行再次消泡，從源頭控制氣井產出液可能帶來的污染問題。

5.2.2 切斷污染途徑

調研得知，部分廠家的分離器具有分離泡沫和段塞流捕集功能。可在今后研究建立分離器通用測試平臺，對各類分離器或除沫、段塞流捕集構件進行全尺寸或相似縮小的試驗研究，以便優化選擇消泡、除水效率高，分離精度高，穩定性強的分離器進行現場試運行，從而解決氣井產出液起泡后大量泡沫進入分離器后不能有效攔截的問題。

5.2.3 優化生產組織管理

建議適當延長測試后排液時間，盡量減少試油改造液在地層的殘留。