万里平，何保生，李玉光，唐洪明，周 华

(1.西南石油大学，四川 成都 610500;2.中海油研究总院，北京 100027;3.中油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 839100)

冲砂洗井泡沫流体研制及性能评价

万里平1，何保生2，李玉光2，唐洪明1，周 华3

(1.西南石油大学，四川 成都 610500;2.中海油研究总院，北京 100027;3.中油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 839100)

中国海上油田稠油水平井地层压力低，漏失量大，油砂胶结强。长期使用常规冲砂介质易导致海水进入地层，严重时会全部进入油层而不能上返，导致冲砂作业失败。为解决这一开采问题，以N－烷基－β－氨基丙酸型两性表面活性剂为主剂，研制出适用于冲砂洗井的稳定泡沫，并探讨了NaCl加量、煤油含量、温度、pH值对泡沫性能的影响，进行了室内循环实验。循环实验结果表明，该泡沫经九次循环仍具有一定的发泡能力，可顺利完成冲砂作业和循环利用，具有广阔的应用前景。

泡沫;循环利用;冲砂;洗井;两性表面活性剂

1 发泡剂的制备

以脂肪伯胺与丙烯腈为原料首先合成中间产物N－烷基－β－氨基丙烯腈，然后在酸性条件下水解，可制得N－烷基－β－氨基丙酸型两性表面活性剂(简称AAPZ)。由于AAPZ分子结构中同时含有阴离子和阳离子亲水基团，在碱性环境中，呈现出阴离子表面活性剂的特征，而在酸性环境中，呈现出阳离子表面活性剂的特征，在等电点较窄范围附近，它以内盐的形式存在，此时AAPZ的许多性质都处于惰性状态，例如其发泡能力和溶解性最低。因此，考虑通过室内优化实验，将AAPZ与其他发泡剂复配，加宽其等电区，通过调节pH值实现泡沫的循环利用［1－5］。

2 发泡剂性能评价

评价泡沫性能的方法很多，有Ross－Miles法、Waring－Blender法、振荡法、气流法、电导率法和压力法等［6－9］。在这里采用 Waring － Blender法测定泡沫的发泡能力和泡沫的稳定性。实验时，在Waring－blender搅拌器中加入100 mL一定含量的泡沫基液，选取第3_档高速(大于5 000 r/min)搅拌60 s后关闭开关，读取泡沫体积，检测泡沫剂发泡性能;记录泡沫中析出50 mL液体时所需时间(即半衰期)，研究泡沫稳定性。

2.1 发泡剂浓度对泡沫性能影响

图1 发泡剂含量与泡沫性能及表面张力关系

将以AAPZ为主剂复配的发泡剂命名为HAES，调节泡沫基液pH值至9，室温条件下测量发泡剂浓度对泡沫性能及表面张力的影响，实验结果如图1。从图1可以看出，随着发泡剂质量浓度的增加，泡沫基液发泡体积和泡沫半衰期也随之增大，最后趋于平衡。从表面张力曲线中可以看出，复配体系的临界胶束浓度约为0.05%。当发泡剂浓度达到0.60%以后，泡沫基液的发泡体积和半衰期趋于稳定。后续实验中取发泡剂浓度为0.60%，此时发泡体积为690 mL，半衰期为5.4 min。

2.2 稳泡剂加量对泡沫性能影响

通过观察不同稳泡剂加量对泡沫性能的影响，最终确定选用XC∶CMC=1∶1的复合体系作为稳泡剂，二者加量均为0.2%。后续实验中所用的稳定泡沫配方为:0.6%HAES+0.2%XC+0.2%CMC，此时发泡体积为640 mL，半衰期为23.7 min。

2.3 NaCl加量对泡沫性能影响

泡沫的循环利用是通过向井口返出的泡沫中加入HCl溶液消泡，然后向消泡后的泡沫基液中加入NaOH溶液调节基液pH值至碱性，使泡沫重新发泡入井，从而实现泡沫的循环利用。室温下分别测定 NaCl加量为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%、11.0%、13.0%、15.0% 时，对稳定泡沫性能的影响(图2)。

图2 NaCl加量对泡沫性能影响

由图2可知，在低百分含量范围内(4%)，发泡体积随NaCl加量增加而略有提高，而后随着NaCl加量增加泡沫体积下降。这是因为低浓度NaCl的加入使发泡剂的胶束更易于形成，溶液表面活性提高，当体系形成泡沫时，气泡表面膜也易于形成，因此发泡剂的发泡能力增加;当无机盐含量过大后，溶液黏度过大，气泡膜难以形成，发泡剂的发泡能力会大大降低，因此发泡体积又呈现下降趋势。泡沫半衰期则是随着NaCl加量的增加，呈现先下降后上升然后再下降的趋势。在NaCl浓度较低时(小于5%)，无机盐电解质会显著减弱表面活性离子吸附在液膜表面上形成两层离子吸附的双电子层结构，加快排液速度，促使泡沫变薄，削弱泡沫的稳定性;随着无机盐浓度的增加(5% ～9%)，无机盐电解质可以使吸附在液膜表面上形成双电子层结构的分子间的排斥力减弱，分子排列更为紧密，泡沫液膜增强，稳定性增加;当无机盐浓度过大时(大于15%)，泡沫难以形成，泡沫稳定性大大减弱［10－11］。该稳定泡沫抗 NaCl性能较好，尤其是NaCl浓度低于5%时。

2.4 煤油含量对泡沫性能影响

在泡沫洗井过程中遇到油层时，如果发泡剂的抗油性较差则泡沫容易破灭，甚至无法满足正常的施工要求。因此，从泡沫洗井液的应用环境考虑，要求其必须具有一定的耐油性。分别配制煤油浓度为 0.5%、1.0%、3.0%、5.0%、7.0%、9.0%、10.0%(以煤油代替原油)的稳定泡沫基液，搅拌混合均匀，室温下测定煤油对泡沫性能的影响。

随着煤油浓度的增加，发泡体积逐渐降低，泡沫半衰期则先降后升。这是因为煤油侵入泡沫后乳化成小油珠，部分发泡剂在煤油乳化时被消耗，导致泡沫体积降低。当煤油含量较低时(体积比小于3%)，乳化后的小油珠在外力和界面张力的驱动下进入泡沫结构内，以不同形式在不同程度上影响和破坏泡膜的完整性，表现为泡沫半衰期降低。当煤油含量较高时(体积比大于4%)，乳化油珠在泡沫中的比例增加并被包裹在泡沫内部，增强了泡沫的结构黏度，导致泡沫半衰期急剧增高。

2.5 温度对泡沫性能影响

水浴加热稳定泡沫，然后测定20～100℃的泡沫性能。实验发现，发泡体积随温度升高逐渐增加，50℃左右时达到最大值，而后开始下降。半衰期随温度升高而降低。因为温度升高，液体膨胀，分子间距离增大，表面活性剂分子动能增加，易摆脱水的束缚逃逸到水面，表面吸附量增加，表面张力下降，发泡能力增强。温度较高时，一方面液膜的水分蒸发加剧，排液速度加快，在高速搅拌下生成的泡沫易破灭;另一方面，温度较高时，活性剂分子亲水基的水化作用下降，疏水基碳链间凝聚力减弱，表面黏度降低，泡沫稳定性下降。

2.6 pH值对泡沫性能影响

该研究中就是利用两性表面活性剂在不同pH值时的泡沫性能不同这一特点实现泡沫的循环利用。室内研究了不同pH值时的泡沫性能，实验结果见图3。

图3 pH值对泡沫性能影响

从图3可知，当pH小于5时，该泡沫的发泡能力较低;当pH大于8时，该泡沫具有良好的发泡性能;当pH=5～8时，泡沫性能一般。

2.7 稳定泡沫的悬砂性能

携砂能力是冲砂洗井泡沫的关键性能之一。实验结果显示，粒径大于30目的砂粒在稳定泡沫中不沉降;粒径小于20目的砂粒，在稳定泡沫中发生缓慢下沉现象，其沉降速度低于5.0×10－3m/s。实验结果表明，当井筒产液的平均流速达到砂粒自由沉降末速的3倍以上时，砂粒总体表现为上升运动，即能被携带至地面，而冲砂洗井时环空泡沫流速一般为1～4 m/s，远大于砂粒在静止泡沫中的沉降速度［12－14］。

3 洗井泡沫室内循环实验

为了考察稳定泡沫的循环能力，在室内设计了泡沫循环利用的实验台架。将基液罐预制的稳定泡沫由计量泵泵入泡沫发生器，同时将空压机产生的气体压入泡沫发生器，气液两相在泡沫发生器中均匀混合后产生细小泡沫，可以通过泡沫取样器获得泡沫参数。模拟井筒为双层有机玻璃管，砂子通过加砂漏斗加到有机玻璃管底部，泡沫由内层管柱自上而下冲洗携带底部砂子沿着环空上返至玻璃管顶部，然后进入消泡室。通过蠕动泵向泡沫中添加酸液进行消泡，消泡室底部安装有倾斜的沉砂挡板。消泡后的泡沫液进入缓冲罐，在pH计的监测下，由碱液计量泵向缓冲罐中注入碱液，消泡后的基液达到一定量后就被泵入基液罐中循环使用。在泡沫基液循环利用的过程中，每循环一次从泡沫取样器取样，并用Waring－Blender搅拌器监测泡沫参数。循环实验结果表明，随着循环次数的增加，泡沫体积和半衰期略有下降，即使经9次循环，泡沫仍具有一定的发泡能力。

4 结论

(1)以合成的两性表面活性剂AAPZ为主剂复配出的稳定泡沫基本配方为:0.6%HAES+0.2%XC+0.2%CMC。该稳定泡沫具有一定的抗盐、抗油、耐温性能，对pH值较敏感，并具有良好的悬砂能力。

(2)该稳定泡沫即使经9次循环仍具有一定的发泡能力。可根据现场实际情况，适当增加其他添加剂或补充少量发泡剂实现泡沫的循环利用。

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Development and performance evaluation of foam fluids for sand washing

WAN Li－ping1，HE Bao－Sheng2，LI Yu－guang2，TANG Hong－ming1，ZHOU Hua3
(1．Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan610500，China;
2．CNOOC Research Institute，Beijing100027，China;
3．Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang839100，China)

Horizontal producers of offshore heavy oil in China are characterized by low formation pressure，big circulation loss and strong oil sand consolidation．Using conventional sand washing media for a long time is likely to lead sea water into the reservoirs，or even without return，resulting in sand washing failure．To solve the problem，a stable foam has been developed for sand washing using N －alkyl－β －aminopropionate amphoteric surfactant as the main agent．The effects of NaCl concentration，kerosene content，temperature and pH value on foam performance have been discussed，and laboratory circulation tests have been conducted．The test results indicate that this foam still has certain foamability after nine cycles，can successfully carry out sand washing operation and be recycled，showing broad application prospects．

foam;recycle;sand washing;well flushing;amphoteric surfactant

TE53

A

1006－6535(2011)04－0105－03

20110118;改回日期20110302

国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”(2008ZX05024－003－04);国家自然科学基金项目“气体钻井腐蚀/冲蚀规律研究”(50974106)

万里平(1972－)，男，副研究员，1996年毕业于西南石油学院化工专业，2004年毕业于西南石油学院油气井工程专业并获博士学位，现从事泡沫欠平衡钻井、石油管材腐蚀与防护方面的教学和科研工作。

编辑 周丹妮