張仕峰 徐春碧 楊得圃 劉 亞

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

泡排用表面活性劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究

張仕峰 徐春碧 楊得圃 劉 亞

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

針對(duì)離子型表面活性劑復(fù)配體系協(xié)同效應(yīng)的特點(diǎn)，從多種表面活性劑中選出起泡能力最好的3種表面活性劑，形成復(fù)配型泡排劑，以提高表面活性劑的起泡能力。通過系列實(shí)驗(yàn)得到復(fù)配最佳質(zhì)量比，即乙氧基化烷基硫酸鈉(AES)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十四烷基二甲基氧化銨(DMAO)的質(zhì)量之比為1 ∶3 ∶3。同時(shí)，在復(fù)配體系中引入了穩(wěn)泡劑以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

表面活性劑； 復(fù)配體系； 泡排劑； 穩(wěn)定性

泡沫排水采氣法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工容易、見效快、成本低、不影響氣井生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，在采氣生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)氣井產(chǎn)水較多時(shí)，排水采氣便成為氣田開采中后期提高氣井采收率的重要方法。川渝地區(qū)有100多個(gè)含硫化氫氣田構(gòu)造，目前均已進(jìn)入開采中后期，其中大部分氣井產(chǎn)水不斷增多。其中，含硫量、地層水礦化度和溫度均較高的氣井在泡排時(shí)存在一些問題，如泡排劑起泡能力不強(qiáng)、泡沫不穩(wěn)定、不耐鹽、不抗硫化氫等等，泡沫排水采氣效果不佳。因此，需要研究一種高效泡排劑來解決這些實(shí)際問題。

泡沫排水采氣的效果主要取決于泡排劑的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，因而泡沫的穩(wěn)定性和發(fā)泡性是泡沫排水采氣的重要性質(zhì)[1]。穩(wěn)定性是泡沫的主要性能，決定著排液速度和液膜強(qiáng)度，良好的起泡性為穩(wěn)定性的前提[2]。起泡劑一般為表面活性劑，其作用是降低溶液的表面張力，使泡沫更容易起泡；同時(shí)，起泡劑吸附在氣泡外面的液膜表面上，形成較牢固的膜，以延長(zhǎng)泡沫壽命[3]。穩(wěn)泡劑包括天然產(chǎn)物明膠、高分子化合物(如甲基纖維素)、淀粉改性產(chǎn)物、合成表面活性劑等，其作用是提高表面液膜的黏度與彈性、增強(qiáng)表面膜的機(jī)械強(qiáng)度、延緩膜中液體排液速度、強(qiáng)化泡沫的穩(wěn)定性。

復(fù)配之后表面活性劑會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)和增效作用，增強(qiáng)起泡力和泡沫穩(wěn)定性，具有比單一表面活性劑更好的應(yīng)用效果。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，表面活性劑的穩(wěn)定性受到溶液中鹽類性質(zhì)、溫度、pH值的影響。其中，陰離子和陽離子型表面活性劑的性能易受無機(jī)電解質(zhì)的影響。溫度升高，會(huì)使起泡劑溶解性增強(qiáng)，在氣液界面上的吸附量減少，膜強(qiáng)度下降，液膜排液速度加快，從而造成泡沫穩(wěn)定性下降[4]。pH值的變化會(huì)對(duì)離子型表面活性劑水溶液泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

1 復(fù)配泡沫體系實(shí)驗(yàn)

泡沫性能評(píng)價(jià)方法主要包括氣流法和攪動(dòng)法，其中攪動(dòng)法可再細(xì)分為振蕩法、傾瀉法及攪拌法[5]。本次研究采用的是振蕩法，即在密閉器皿(如有磨口塞的試管量筒)中加入待測(cè)試液，嚴(yán)格按振蕩要求(如振搖的次數(shù)、快慢、方向等)振蕩數(shù)次，停止振蕩后以產(chǎn)生的起始泡沫高度作為待測(cè)試液起泡性能的量度。此方法簡(jiǎn)單易行，但需重復(fù)振蕩多次。

1.1 準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)試劑

表面活性劑：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)；十二烷基硫酸鈉(SDS)；十二烷基二甲基氧化胺(DMAO)；椰油酸二乙醇酰胺(6501)；TexponN70；FY-F501；FY-F502；RB-801；RB-811。

助表面活性劑：正辛醇；正十二醇。

穩(wěn)泡劑：黃原膠；明膠；聚乙二醇(PEG)。

其他試劑：HCl；NaOH；NaCl；KCl。

1.2 進(jìn)行表面活性劑復(fù)配

首先，需要了解單一表面活性劑在常溫下的起泡性能，利用振蕩法測(cè)定室內(nèi)幾種類型表面活性劑的發(fā)泡能力。在室溫下振蕩，然后記錄泡沫達(dá)到的最大體積。表1所示為單一表面活性劑起泡體積。

表1 單一表面活性劑起泡體積 mL

其中，AES、SDS是陰離子型表面活性劑，DMAO在酸性介質(zhì)中成為陽離子型表面活性劑 ,而在中性或堿性介質(zhì)中則為非離子型表面活性劑，6501、Tex是非離子表面活性劑。由表1可知，陰離子表面活性劑的起泡能力強(qiáng)于非離子表面活性劑。這表明陰離子表面活性劑的泡沫綜合性能比較好，其中AES、SDS和DMAO的起泡性能最好。

然后，進(jìn)行二元復(fù)配實(shí)驗(yàn)，研究表面活性劑的復(fù)配效果。將AES與其他任意一種表面活性劑以不同比例進(jìn)行復(fù)配，起泡體積如表2所示。

表2 AES與其他表面活性劑復(fù)配的起泡體積

將AES與其他表面活性劑以不同質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，起泡效果均得到加強(qiáng)，表明表面活性劑的二元復(fù)配可以使兩者之間起到協(xié)同作用。為了進(jìn)一步研究表面活性劑復(fù)配的最佳配比與各組分對(duì)復(fù)配效果的影響程度，設(shè)計(jì)了三元復(fù)配系列實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用振蕩法測(cè)定復(fù)配體系在室溫下的起泡體積。表3所示為三元復(fù)配體系的起泡體積。

表3 三元復(fù)配體系的起泡體積

對(duì)比原始起泡體積及添加助表面活性劑后起泡體積，認(rèn)為復(fù)配體系以AES、SDS、DMAO進(jìn)行復(fù)配，質(zhì)量比以 1 ∶3 ∶3為最佳，助表面活性劑以正十二醇為宜。

1.3 最佳穩(wěn)泡劑及用量

針對(duì)各穩(wěn)泡劑配置樣品，每組若干個(gè)樣品當(dāng)中不同樣品所加穩(wěn)泡劑用量不同，分析效果最好的穩(wěn)泡劑及穩(wěn)泡劑最佳用量。向泡沫體系中分別滴加穩(wěn)泡劑，通過振蕩法觀察泡沫的穩(wěn)定情況。

明膠、PEG對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響如圖1、圖2所示，可以看出明膠和PEG的穩(wěn)泡效果均不理想。

圖1 明膠對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

圖2 PEG對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

黃原膠對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響如表4所示?？梢钥闯?，黃原膠穩(wěn)泡性能最佳，可以用作最佳穩(wěn)泡劑，最佳用量是8滴+1.5 mL。

表4 加入不同用量黃原膠后的泡沫起泡體積 mL

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)復(fù)配體系的影響分析

2.1 溫度對(duì)復(fù)配體系的影響

為了考察溫度對(duì)復(fù)配體系性能的影響，取3組活性劑復(fù)配體系各置于超級(jí)恒溫槽中，分別測(cè)試30、40、50 ℃下的起泡體積。圖3所示為活性劑在不同溫度下的體泡體積變化。

圖3 活性劑在不同溫度下的起泡體積變化

放置10 h時(shí)，觀察3種溫度下的起泡體積?？梢钥闯?，此時(shí)40 ℃下的起泡體積最大，而30、50 ℃下的起泡體積相對(duì)較小。這表明40 ℃下泡沫體系的穩(wěn)定性最佳，活性劑復(fù)配體系耐溫性能較好。

2.2 pH值對(duì)復(fù)配體系的影響

為了考察pH值對(duì)復(fù)配體系的影響，以HCl溶液、NaOH溶液調(diào)節(jié)復(fù)配體系的酸堿度，對(duì)比酸性、中堿性環(huán)境下的復(fù)配體系起泡體積。圖4所示為活性劑在酸性環(huán)境下的起泡體積變化。圖5所示為活性劑在中堿性環(huán)境下的起泡體積變化。

圖4 活性劑在酸性環(huán)境下的起泡體積變化

圖5 活性劑在中堿性環(huán)境下的起泡體積變化

對(duì)比起始起泡性能，當(dāng)pH≈3時(shí)泡沫體系起泡性能最優(yōu)，并且pH≈3時(shí)體系的穩(wěn)定性也最佳；當(dāng)pH≈7時(shí)，復(fù)配體系的壽命最長(zhǎng)，穩(wěn)定性最佳；當(dāng)pH≈1時(shí)，酸性太強(qiáng)會(huì)使泡沫的壽命降低；當(dāng)pH≈3時(shí)，體系起泡能力和穩(wěn)泡能力最佳，復(fù)配體系的耐酸性能良好。

2.3 鹽溶液對(duì)復(fù)配體系的影響

為了考察鹽溶液對(duì)復(fù)配體系在水中性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定復(fù)配體系在不同的NaCl溶液和KCl溶液中的泡沫性能。分別向復(fù)配體系滴加不同數(shù)量的KCl溶液、NaCl溶液，觀察其變化。圖6所示為加入KCl溶液后的起泡體積變化。圖7所示為加入NaCl溶液后的起泡體積變化。

圖6 加入KCl溶液后的起泡體積變化

圖7 加入NaCl溶液后的起泡體積變化

可以看出，在加入鹽溶液時(shí)，不同加量下各組樣品泡沫體系的壽命差別不大，穩(wěn)定性較好。KCl對(duì)泡沫穩(wěn)定性有積極的影響，改變體系鹽溶液的加入量并不會(huì)影響體系的穩(wěn)定性。這表明復(fù)配體系的耐鹽性能良好。

3 結(jié) 語

針對(duì)離子型表面活性劑復(fù)配體系的協(xié)同效應(yīng)特點(diǎn)，從多種表面活性劑中選出起泡性能最好的3種表面活性劑，形成復(fù)配型泡排劑，以提高表面活性劑的起泡能力。體系復(fù)配組合為AES、SDS、DMAO復(fù)

配，其質(zhì)量比為1 ∶3 ∶3。黃原膠等穩(wěn)泡劑的引入增加了體系的泡沫穩(wěn)定性，復(fù)配體系所具有的協(xié)同效應(yīng)提高了泡沫體系起泡能力及穩(wěn)定性。酸性環(huán)境(pH≈3)及一定量(約0.75 mL)下的KCl對(duì)泡沫穩(wěn)定性有積極的影響，NaCl對(duì)泡沫體系的穩(wěn)定性無顯著影響。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該復(fù)配體系表現(xiàn)出了良好的耐溫、耐鹽、耐酸性能，具有廣闊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 袁仕揚(yáng)，何小平，葉志虹.表面活性劑泡沫的影響因素研究[J].香料香精化妝品，2010(2)：30-32.

[2] 王琦，習(xí)海玲，左言軍.泡沫性能評(píng)價(jià)方法及穩(wěn)定性影響因素綜述[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2007(2)：25-30.

[3] 趙俊，徐卡秋，葉靜.高穩(wěn)定性水基泡沫液的研究[J].日用化學(xué)工業(yè)，2008(6)：363-365.

[4] 王其偉，周國(guó)華，李向良，等.泡沫穩(wěn)定性改進(jìn)劑研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，22(3)：80-84.

[5] 趙國(guó)璽，朱步瑤.表面活性劑作用原理[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003：79-83.

Experimental Research on Surfactant Compound for Foam Scrubbing

ZHANGShifengXUChunbiYANGDepuLIUYa

(Oil and Gas Engineering College of Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Ionic surfactant compound system has the characteristics of synergies. Based on the characteristics, three kinds of surfactant with best foaming ability were chosen to make up foam scrubbing agent for foam scrubbing of gas well. The foaming ability would be improved after cosurfactant added in. A series of experiments showed thatm[Sodium Alcohol Ether Sulphate (AES) ]∶m[sodium lauryl sulfate(SDS)] ∶m[tetradecyl dimethyl ammonium oxidation (DMAO)]=1 ∶3 ∶3 was the best one. Foam stabilizer was applied to improve the stability of the compound system.

surfactant; combined system; foam scrubbing agent; stability

2016-04-05

中石化科技重大專項(xiàng)“焦石壩叢式水平井組壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用”(SG1312-01K)；重慶科技學(xué)院校內(nèi)科研基金項(xiàng)目“高溫、高鹽、高含硫氣井?dāng)y液能力研究”(YKJCX2014024)

張仕峰(1989 — )，男，山東東營(yíng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)工程。

TE39

A

1673-1980(2016)06-0067-04