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。基于此，筆者利用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 、實驗部分

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，實驗裝置參照美國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。實驗測定了不同質(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，實驗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，因為當(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，實驗配制了一組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?？?，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，設(shè)計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)實現(xiàn)迅速完全消泡。