泡沫液的性能.doc

泡沫液的性能1.泡沫液研究现状泡沫流体因具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好、助排能力强及对地层伤害小等特征,广泛用于低压、漏失及水敏性地层的钻井、完井、修井和油气井增产措施(如泡沫排水、负压冲砂等) 中。在国外石油工业中,泡沫流体的应用已有三十多年的历史了,现已成为油气田开发中的一个重要发展方向。近年来,虽然我国石油工业在泡沫流体应用技术方面已积累了一些经验,但还不十分成熟。泡沫的稳定性和发泡性是泡沫在实际应用中最重要的两个性质。泡沫的稳定性是泡沫的主要性能，好的发泡性是研究泡沫稳定性的前提。2.泡沫稳定性的研究2.1泡沫的衰变机理目前普遍认为泡沫衰变的机理有两个：一是液膜的排液；另一个是气体透过液膜的扩散。两种机理均与液膜性质及液膜与Plateau（三个气泡的交界区）边界间的相互作用有直接关系。2.1.2液膜的排液泡沫中液膜的排液是气泡相互挤压和重力作用的结果。气泡的挤压主要来源于曲面压力。2.1.2气体透过液膜的扩散由于气泡的大小总是不均匀的，根据Laplace方程，泡沫中小气泡内的气体压力高于大气泡。在这一压力差作用下，小气泡中气体会透过液膜扩散到大气泡中，导致小气泡变小，以致消失，而大气泡变大，最终破裂。对于浮在液面上的气泡，气体会透过液膜直接向气相扩散，导致泡沫衰变。3 泡沫稳定性的影响因素泡沫是相当复杂的体系，影响泡沫稳定性的因素较多,主要讨论以下几个方面。3.1 起泡溶液的表面张力随着泡沫的生成,液体表面积增大,表面能增高。根据Gibbs原理,体系总是趋向于较低的表面能状态,低表面张力,可使泡沫体系能量降低,有利于泡沫的稳定。3.2 表面粘度表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。这种粘度,主要是表面活性剂分子在表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。皂素、蛋白质及其他类似物质的分子间, 除范德华力外,分子间的羧基、胺和羰基间有形成氢键的能力;因而, 有很高的表面粘度, 形成很稳定的泡沫。3.3 溶液粘度SITA等研究了水溶性聚合物对泡沫稳定性的影响, 他们在0.2%C12 H25OSO3Na和0.5%NaCl的水溶液中, 加入C12H25OH和羟甲基纤维素钠盐,并测定了泡沫的有关参数,得出以下结论:水溶性聚合物的加入,提高了溶液的粘度,增长了泡沫重力排液松驰时间,气体扩散松驰时间及泡沫半衰期。3.4 压力和气泡大小分布泡沫在不同压力下稳定性不同,压力越大,泡沫越稳定。Rand研究了活性剂水溶液泡沫,在不同压力下的排液时间,发现压力与泡沫排液时间呈直线关系。这是因为泡沫质量一定时,压力越大,泡沫半径越小;泡膜的面积越大,液膜变得越薄,排液速度越低。3.5 温度大量实践表明, 泡沫稳定性随温度升高而下降。在低温和高温下泡沫的衰变过程不同:(1)低温下,泡沫排液使泡膜达到一定厚度时, 就呈亚稳状态,其衰变机理主要是气体扩散.(2)高温下,泡沫破灭由泡沫柱顶端开始, 泡沫体积随时间增长有规律地减小。3.6 泡沫质量的影响泡沫质量是指泡沫中气体所占总体积的百分比。Minssieux20认为泡沫质量对其稳定性有决定性影响，且这种影响随泡沫衰变的主要机理不同而异。以排液为主要衰变机理的泡沫，其稳定性随泡沫质量的增加而增加；以气体扩散为主要衰变机理的泡沫，其泡沫稳定随泡沫质量的增加而降低。前者因泡沫质量提高，气泡半径变小，泡膜变薄，排液速率降低；后者，由于泡沫质量增加，加速了气体扩散速率，泡沫变得不稳定。4.泡沫稳定性的评价方法(1)气流法气流法产生泡沫的方式一般是以一定流速的气体通过玻璃砂滤板, 滤板上有一定量的测试溶液, 于是在容器(刻度量筒)中会形成泡沫。当固定气体的流速并使用同一仪器时,流动平衡时的泡沫高度h 可以作为泡沫性能的量度。这种方法又称为改进的Bikerman 法, 是目前比较常用的泡沫评价方法之一。(2)搅动法搅动法是在气体(一般为空气)中搅动液体, 将气体搅入液体中形成泡沫。严格规定仪器规格、搅动方式、时间、速度及液体用量等,则生成泡沫的体积V0(刚停止搅拌时的体积)即可用来表示试液的起泡性; 记录停止搅动后泡沫体积随时间的变化(减少)并作出曲线,由此可以了解泡沫的稳定性。5.泡沫稳定性实验研究5.1实验药品起泡剂:ZXD;十二烷基苯磺酸钠(分子量:348.48含量83%,上海化学试剂站中心化工厂)稳泡剂: 三乙醇胺(分子量:149.19三乙醇胺含量85.0%,灼烧残渣0.05%(成都市医药公司化学试剂批发部);聚丙烯酰胺。5.2实验方法(1)原理:正交设计(四水平),详见表1(2)按照正交设计,配制定量基液,装入容器中,在合适的气流量下,使气液混合产生泡沫,测起泡时间t和泡沫半衰期t,以此衡量起泡能力和泡沫稳定性。起泡时间短,半衰期长, 则说明该起泡剂性能良好。起泡时间为产生600mL泡沫所需的时间,半衰期为泡沫体积衰减至半时的时间（表2表5）表1abcde1111112122223133334144445212346221437234128243219313421032431113312412342131341423144231415432411644132表2十二烷基苯磺酸钠(x)+三乙醇胺(y)试 验 列 号x 浓度1(%)y 浓度2(%)起泡能力(t)半衰期(t)10.20.52 0.20.830.21.040.21.650.40.560.40.870.41.080.41.690.70.5100.70.8110.71.0120.71.6131.00.5141.00.8151.01.0161.01.6表3 ZXD(x)+三乙醇胺(y)试 验 列 号x 浓度1(%)y 浓度2(%)起泡能力(t)半衰期(t)10.50.520.50.830.51.040.51.450.80.560.80.870.81.080.81.491.00.5101.00.8111.01.0121.01.4131.30.5141.30.8151.31.0161.31.4表4 十二烷基苯磺酸钠(X)+三乙醇胺(Y)聚丙烯酰胺(z)试 验 列 号x浓度1(%)y浓度2(%)z浓度3(%)起泡能力(t)半衰期(t)10.50.50.0520.50.80.130.51.00.1540.51.40.250.80.50.160.80.80.0570.81.00.280.81.40.1591.00.50.15101.00.80.2111.01.00.05121.01.40.1131.30.50.2141.30.80.15151.31.00.1161.31.40.01表5 十二烷基苯磺酸钠(x)+聚丙烯酰胺(y)试 验 列 号x 浓度1(%)y 浓度2(%)起泡能力(t)半衰期(t)10.50.120.50.830.50.441.00.151.00.861.00.471.50.181.50.891.50.46数据处理分析6.1 气液比对充气条件的影响常温下,对两种起泡剂的t和t 进行测试。6.2 起泡剂浓度对t和t的影响用十二烷基苯磺酸钠和ZXD配制成不同浓度溶液再与1.0%三乙醇胺分别配成100ml基液并在常温常压下进行测试.6.3 固泡剂浓度对t和t影响按要求配制基液对三乙醇胺的浓度对t和t影响进行研究6.4 增粘剂浓度对t和t的影响固定十二烷基苯磺酸钠的浓度,测定增粘剂聚丙烯酰胺的浓度对t和t的影响7 提高泡沫稳定性的方法提高本体溶液液相粘度SudarshiTA.Reg2ismond等在溶液中加入纤维素醚类聚合物,提高溶液粘度,降低液膜的排液速率,增加泡沫稳定性R1J1Green和Anneke H1Martin等将蛋白质加入溶液中,由于蛋白质能够在液膜上形成网络结构,这样一方面提高液膜的初始排水量,而且能降低泡沫排液速率,提高了泡沫稳定性。表面活性剂复配Britta M1Flome 等用阳离子型高分子表面活性剂与阴离子表面活性剂复配,由于二者强烈静电作用,增加了阴阳离子在界面上的吸附量。同时,二者在膜间的液相粘度增加,提高了泡沫稳定性。CecilMonteux 等将阴离子表面活性剂PSS和阳离子面活性剂CTAB复配,二者在界面上发生相互作用生成微型胶体,来增加膜间液相粘度,增加泡沫寿命。DUZhiping和EricDickison等将硅颗粒均匀分散在溶液中,当泡沫生成后,微小硅颗粒在泡沫膜上形成一层致密壳层结构,阻止了泡沫膜逐级分层,使泡沫稳定。泡沫冲砂液的室内研究和性能评价2005年,针对低压井采用普通冲砂漏失严重的情况,应用了连续负压冲砂管柱冲砂技术。此管柱冲砂方式为反冲砂,所用冲砂液为水。连续负压冲砂管柱分井口和井下两部分,在冲砂过程中,在管脚上部密封油管与套管环空,以实现冲砂时井口密封和冲砂过程中连续下钻而无需停泵。虽然连续负压冲砂管柱冲砂技术,冲砂过程中无需停泵,但负压冲砂仍存在对于套管变形的井,负压冲砂工具不能下入,限制了其应用;所用冲砂液为水基冲砂液,冲砂液携砂能力差等问题。1.实验用仪器和方法1.1 黏度测定采用RS150型黏度测定仪, 在温度为25、170s- 1的剪切速率下测定泡沫流体的黏度。1.2密度测定采用DA-130N手持式密度计,在温度为25下测定泡沫流体的密度。1.3 泡沫半衰期测定采用MODEL-34BL97型吴茵混调器,将100ml泡沫液倒入混调器中,在110 V电压、5档转速下搅拌1min后,所产生的泡沫体积为起泡能力,静止的泡沫析出50ml液体所需的时间为半衰期。1.4泡沫冲砂液界面张力的测定采用K10ST型界面张力仪,在温度为25下测定泡沫流体的界面张力。2.泡沫冲砂液的室内研究2.1泡沫流体泡沫流体是以气体为分散相,液体为连续相的均匀气液分散系统,是一种密度低、黏性较好、有压缩性的非牛顿流体。泡沫流体由于具有静液柱压力低、滤失量少、携砂性能好、助排能力强、对地层伤害小等特性,广泛用于低压、易漏失、水敏和酸敏性地层的钻井、完井、修井和油气井增产措施。2.2泡沫组成泡沫是以气体均匀分散在液体中形成的流体,其中气体可以是氮气、空气、天然气或二氧化碳中的一种,液体是溶解有起泡剂、稳泡剂的溶液,即基液。气液在搅拌或扰动作用下混合形成泡沫。2.3泡沫形成的条件根据经验,纯液体不能形成稳定性很高的泡沫,能形成稳定泡沫的液体必须有两个以上的组分。形成稳定的泡沫必须具备下述条件: 存在不相容的气液两相; 有起泡剂、稳泡剂存在降低表面张力低和增大液膜强度; 有外力存在使气液两相混合。2.4泡沫的特性(1)密度低泡沫中由于气体的存在,大大降低了泡沫的密度,泡沫中气相含量一般占65%85%,液体含量只占泡沫体积15% 35% ,因此,井筒液柱压力只有水柱的15%35 (忽略气体重量)。且密度可调,以满足施工需要。(2)粘度高直接测定泡沫的表观黏度得知,泡沫具有非牛顿流体特性。泡沫是一种假塑性流体,在低剪切速率下具有很高的表观黏度,但其黏度随剪切速率的增加而降低。在一定的剪切速率下,泡沫的表观黏度随泡沫质量的增加而升高。3泡沫液配方(2)新研制的泡沫冲砂液配方为: 0.5%WAN-22+0.5WAM+1%Cs-3+ 0.2%其它添加剂。4.泡沫冲砂液的性能评价4.1泡沫冲砂液的密度泡沫冲砂液的密度与泡沫干度相关。泡沫干度又称泡沫质量,指泡沫中气体体积占泡沫总体积的百分比,泡沫干度越大,气体所占比重越大,密度越低。采用泡沫冲砂、洗井时,在井口压力、泡沫液排量、液氮排量一定时,由于氮气受压缩,泡沫干度及密度随井深而变化。随着深度增加,气体被压缩,泡沫干度下降,泡沫密度增加。经计算,在井口压力为5 MPa,泡沫液排量为300 /min,液氮排量为0.1m3 /min时,从井口到2500m处,泡沫干度在76 55%之间,泡沫密度在0.230.44g/cm3之间,在2500m处的静压力为13MPa,远低于相同深度静水柱压力。4.2泡沫冲砂液的黏度随起泡剂浓度的增加泡沫干度增大,泡沫黏度提高。4.3泡沫冲砂液的泡沫半衰期半衰期越长,泡沫稳定性越好。形成泡沫后,随时间延长,气液分离,泡沫质量下降,黏度降低,对携砂不利。泡沫的半衰期应大于循环井筒一周