近年來，泡沫排水采氣技術(shù)因施工簡單、排水效果佳、成本低等優(yōu)點(diǎn)已成為解決氣井井底積液的主要措施之一。泡沫排水法是通過向井底注入泡排劑，使其在氣液兩相混合垂直流動過程中，生成大量的含水泡沫，隨氣流從井底攜帶到地面，達(dá)到排水采氣的目的。目前主要使用常規(guī)表面活性劑復(fù)配體系作為泡排劑。這種泡排劑所產(chǎn)生的泡沫較為穩(wěn)定，當(dāng)泡沫狀地層水被攜帶至地面后，需要加入消泡劑以便使氣水分離。這需要一定的加注設(shè)備，而且可能存在消泡緩慢、不徹底等問題?；诖耍P者利用CO2 /N2開關(guān)型表面活性劑獨(dú)特的性質(zhì)，

研制出一種可自動消泡的泡排劑。該泡排劑具有良好的起泡性能，產(chǎn)生泡沫將井底液體帶出井筒，攜液量大。當(dāng)泡沫被排至地面接觸到空氣( N2) 后，該泡排劑立即失去表面活性，泡沫自動破裂，實(shí)現(xiàn)自動消泡的目的。使用這種自動消泡型的泡排劑可以避免使用消泡劑，同時避免因消泡過程帶來的復(fù)雜問題，有效的提高泡沫排水作業(yè)效率。

1 、實(shí)驗(yàn)部分

1． 1 材料與儀器

月桂酸、乙醚、二甲苯、N-( 2-羥乙基) 乙二胺、聚乙二醇PEG6000、聚乙二醇PEG8000、羧甲基纖維素鈉( CMC) 、四氫呋喃( THF) 、二甲亞砜( SMSO) 均為分析純; 二氧化碳、氮?dú)饩鶠?9． 5%。WQF-520 型紅外光譜儀; Bruker-400 型核磁共振光譜儀; DT-102A 型全自動界面張力儀; 2152Ross-Miles 泡沫儀。

1． 2 JT-1 合成路線

合成路線如下:

1． 3 JT-1 合成方法

1．3．1 JT-1 中間體( 2-十一烷基-1-羥乙基咪唑啉)的合成

將月桂酸10 g( 0．05mol) ，N-( 2-羥乙基) 乙二胺6．76 g( 0．065 mol) ，二甲苯( 帶水劑)加入三口燒瓶中，連接好分水器、冷凝管、溫度計(jì)等; 在138 ℃下回流約4 h，直至沒有水從二甲苯層滴往水

層。然后持續(xù)在138 ℃左右，去除二甲苯，移除分水器，升溫到220 ℃反應(yīng)約4 h。冷卻至室溫，得到黃色固體; 碾碎后，用乙醚洗3 次，得到白色粉末11． 73 g，產(chǎn)率87． 6%。1H NMR( D6-SMSO) ，δ 0． 882( m， 3H，—CH3) ， 1． 257 ( m， 16H，—CH2( CH2)

8CH3) ，1． 625 ( m，2H，—CH2( CH2)8CH3) ，2． 181 ( m，2H，—CH2 CN + ) ，2． 796 ( m，4H，CH2NCH2) ，3． 377 ( m，2H，CN CH2) ，3． 671 ～3． 681( d，2H，—CH2OH) ，5． 957( m，1H，—OH) 。FTIR ( KBr 壓片) : 3 311． 17 cm － 1 為O—H 的伸縮振動峰，1641． 12 cm － 1為—CN— 雙鍵的伸縮振動峰。

1． 3． 2 JT-1 的合成將1 g( 3． 7 mmol) 2-十一烷基-1-羥乙基咪唑啉溶于四氫呋喃( THF) ，通入二氧化碳直至無白色沉淀產(chǎn)生，過濾得JT-1 白色粉末0． 83 g，產(chǎn)率67． 2%。

1． 4 表面張力測定方法

按照《GB 11276—2007 表面活性劑臨界膠束濃度的測定》的測定方法進(jìn)行，測定25 ℃時JT-1 在不同濃度下的表面張力。

1． 5 泡沫性能評價方法

配制不同濃度的JT-1 表面活性劑溶液，向溶液中通入CO2排出空氣，用保鮮膜密封防止與空氣接觸。在常溫下，將100 mL 泡排劑溶液倒入1 000 mL帶有刻度的透明玻璃鋼杯中，隔絕空氣，高速攪拌60 s，停止攪拌即刻記下此時的泡沫體積Vmax( 表示泡排劑的最大起泡體積) ，同時記錄從泡沫中析出50 mL 液體所需時間T1 /2( 表示泡沫的出液半衰期) ，以此作為泡沫穩(wěn)定性的量度。

1． 6 泡沫動態(tài)攜液評價方法

泡沫的動態(tài)攜液評價采用氣流法，實(shí)驗(yàn)裝置參照美國API 標(biāo)準(zhǔn)模擬氣井結(jié)構(gòu)，將Ross-Miles 泡沫儀改裝為標(biāo)準(zhǔn)的評價裝置。測定時，在帶有刻度長1． 2 m，直徑36 mm 的泡沫管柱內(nèi)注入500 mL 待測液體，在管柱的下端安裝一塊玻砂板，以一定量的氣流通過玻砂板，使帶刻度的管柱內(nèi)試液產(chǎn)生泡沫并經(jīng)氣流帶出，測定一定時間內(nèi)泡沫攜帶出液體的體積。

1． 7 泡排棒的制備

選擇分子量較高、成膜成型性較好的PEG6000和PEG8000，以及CMC 為泡排棒的包裹材料，在90 ℃條件下加熱熔融混合均勻，再加入一定量的泡排劑，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，然后倒入圓柱狀模具中，擠壓成型，制得棒狀的固體泡排棒，通過自然烘干，得到干燥的泡排棒產(chǎn)品。其中泡排劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，聚乙二醇混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，CMC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。聚乙二醇混合物中m( PEG8000)∶ m ( PEG6000 ) = 2 ∶ 1，制備的泡排棒規(guī)格為Ф16 mm × 40 mm。

2 、結(jié)果與討論

2． 1 表面活性

表面張力是反映表面活性劑表面活性大小的一個重要物化性能指標(biāo)，對泡沫的起泡能力、液膜強(qiáng)度及厚度有很大影響。圖1 為系列JT-1 水溶液在25 ℃時表面張力隨溶液濃度對數(shù)( lgC) 的變化曲線。

由圖1 可知，低濃度時隨著表面活性劑濃度的增大，溶液的表面張力不斷減小，當(dāng)?shù)揭欢舛葧r，溶液的表面張力不再有顯著變化。按照Gibbs 吸附定理畫線，通過表面張力轉(zhuǎn)折前后兩直線的交點(diǎn)確定出雙子咪唑啉季銨鹽表面活性劑的臨界膠束濃度cmc值為7．852×10－4mol/L，對應(yīng)的表面張力γ為29．03mN/m，并計(jì)算出JT-1在氣液界面最大吸附量Гmax = 3．15×10－10mol /cm2。

2． 2 起泡性能及泡沫穩(wěn)定性

在采用泡沫排水采氣技術(shù)時，要求泡排劑具有較好的起泡性及穩(wěn)泡性。實(shí)驗(yàn)測定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下JT-1 所形成的泡沫性能，見圖2。

由圖2可知， JT-1 的起泡性能較好，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0． 3%左右時，泡沫的起泡體積達(dá)到最大值，因此， JT-1 的最佳使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．3% ～ 0．4%。為了考察JT-1 在不同溫度下的起泡性能，實(shí)驗(yàn)測定了不同溫度下泡沫的初始體積H0和5 min 時的體積H5，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，隨著溫度的增加，泡沫體積逐漸減小，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃左右時，泡沫高度迅速下降，表明此溫度時泡沫的性能穩(wěn)定性較差，因?yàn)楫?dāng)溫度超過70 ℃時， JT-1 容易發(fā)生分解，表面活性降低; 在低溫的條件下， JT-1 可以保持很好的泡沫穩(wěn)定性。

2． 3 自動消泡性能

為了考察JT-1 的自動消泡性能，實(shí)驗(yàn)配制了一組SDS 溶液和兩組JT-1溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0． 3%，采用攪拌法進(jìn)行發(fā)泡，將JT-1 產(chǎn)生的泡沫一組隔絕空氣，一組暴露在空氣中，測定三組泡沫的泡沫體積隨時間的變化，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，SDS形成的泡沫與JT-1 形成的泡沫在無空氣存在條件下相比，SDS泡沫體積減小的速率比JT-1 泡沫減小的速率慢，SDS 在10 min后泡沫體積減小到初始體積的一半，而JT-1 泡沫幾乎完全消失。JT-1 在有無空氣條件下相比，有空氣存在時泡沫體積減小速率非常快，3 min 后泡沫幾乎完全消失，表明JT-1 在空氣存在的條件下可以實(shí)現(xiàn)迅速消泡，其自動消泡性能較好。

2． 4 排水性能評價

依據(jù)泡排棒的制備方法將JT-1 做成自動消泡型泡排棒，同時與可控釋放Ⅱ號泡排棒作對比。可控釋放Ⅱ號泡排棒所用泡排劑為陰陽離子表面活性劑復(fù)配體系，配方為m( SDS) ∶ m( AOS) ∶ m( AES) ∶m( CTAB) = 1∶ 2∶ 2∶ 2。按照動態(tài)排水評價方法，確定氣體流量為2 L /min，溫度為25 ℃，排水時間為10 min，利用CO2作為驅(qū)動氣體，泡沫排出后均暴露于空氣中，測定兩組泡排棒的攜液量和完全消泡時間，結(jié)果見圖5。

由圖5 可知，兩種泡排棒的消泡時間相差較大，Ⅱ號的消泡時間最長達(dá)到45 min，而JT-1 的消泡時間為3 min 左右，表明JT-1 泡排棒接觸空氣后能夠迅速的消泡。兩者的攜液量相差不大， JT-1 泡排棒的攜液量略大于Ⅱ號， JT-1 的泡沫性能優(yōu)于Ⅱ號。

因此，自動消泡型泡排棒可以實(shí)現(xiàn)迅速消泡的作用，能夠適用于中低溫條件下的自動消泡。

3、結(jié)論

( 1) 根據(jù)CO2 /N2開關(guān)型表面活性劑的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制備了自動消泡型泡排劑JT-1，使其具有較好泡排性能，泡排劑將水排出井筒后與空氣接觸，實(shí)現(xiàn)自動消泡。使用這種泡排劑可以避免加入消泡劑，同時避免因消泡過程帶來的復(fù)雜問題，有效的提高泡沫排水作業(yè)效率。

( 2) JT-1 表現(xiàn)出良好的表面活性和起泡性能，cmc 值為7．852×10 －4mol/L，表面張力最低達(dá)到29．03 mN/m; 當(dāng)JT-1 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 時，起泡體積達(dá)到1 000 mL 以上，起泡性能強(qiáng); 在70 ℃以下，JT-1 的泡沫穩(wěn)定性較好，高于70 ℃后JT-1 不穩(wěn)定，易分解失去表面活性，起泡及穩(wěn)泡性能變差，其適用于中低溫條件下的排水。

( 3) 將該泡排劑制備成泡排棒，與陰陽離子表面活性劑復(fù)配型Ⅱ號泡排棒相比，該泡排棒攜液能力略強(qiáng)，在3 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)迅速完全消泡。