一种天然气开采用泡排减阻体系

摘要

本发明公开了一种天然气开采用泡排减阻体系，它包括起泡剂和减阻剂，所述起泡剂选自分子式为C12H15SO3Na的十二烷基磺酸钠，所述减阻剂由丙烯酰胺单体、2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸单体、MJ‑16疏水单体聚合为疏水缔合型聚合物后水解形成。本发明提供的泡排减阻体系能有效减少气泡、水与气管内壁的摩阻，有效提高泡沫排水采气效果。同时该体系抗高温、抗盐，抗温指标达到140℃，抗NaCl浓度达到30％，抗CaCl2浓度达到20％，并且其原料简单易得，制备简便，生产成本低，值得有效推广。

权利要求

1.一种天然气开采用泡排减阻体系，其特征在于：它包括起泡剂和减阻剂，减阻剂与起泡剂的浓度比为250ppm：4000ppm，所述起泡剂选为十二烷基磺酸钠，所述减阻剂由丙烯酰胺单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体、MJ-16疏水单体聚合为疏水缔合型聚合物后水解形成，减阻剂的制备方法包括以下步骤：(1)将主单体溶液与MJ-16疏水单体溶液混合，所述主单体溶液为丙烯酰胺单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体混合的溶液，通氮气30min后加入氧化还原引发剂，在35℃温度下聚合反应5h后得到疏水缔合型聚合物；所述氧化还原引发剂选自过硫酸铵和亚硫酸氢钠；(2)将疏水缔合型聚合物完全溶解于水中后按照疏水缔合型聚合物的水解度为30％加入氢氧化钠，在90℃温度下反应6h后得到水解后的疏水缔合型聚合物溶液，即为所述减阻剂，其中MJ-16疏水单体的化学式为：

2.根据权利要求1所述的一种天然气开采用泡排减阻体系，其特征在于：所述主单体溶液中主单体的质量分数为20％～40％，MJ-16疏水单体溶液中MJ-16的质量分数为0.5％～

1.5％，氧化还原引发剂中氧化还原引发剂的质量分数为0.05％～0.1％。

3.根据权利要求2所述的一种天然气开采用泡排减阻体系，其特征在于：所述主单体溶液中主单体的质量分数为25％，MJ-16疏水单体溶液中MJ-16的质量分数为1.5％，氧化还原引发剂中氧化还原引发剂的质量分数为0.05％。

4.根据权利要求1所述的一种天然气开采用泡排减阻体系，其特征在于：所述丙烯酰胺单体与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体的质量比为1∶1～8∶1。

5.根据权利要求4所述的一种天然气开采用泡排减阻体系，其特征在于：所述丙烯酰胺单体与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体的质量比为8∶1。

说明书

一种天然气开采用泡排减阻体系

技术领域

[0001] 本发明涉及一种天然气气井开采用高效泡排减阻体系，属于油气田化学助剂技术领域。

背景技术

[0002] 在天然气开采过程中，由于地下水的存在，在开采时水将通过裂缝进入井筒，导致天然气难以采出，随着气田的持续开发，气藏出水量和出水气井数呈不断增多的趋势，气井井筒积液和出水影响气井正常生产等问题逐步显现，气井出水使单相气体渗流转变为气水两相渗流，不仅造成气相渗透率降低，同时大量消耗地层能量，井筒内不能携带的积液降低生产压差，造成气井低产甚至停产，气井出水和井筒积液已经成为制约气井产能的重要原因。在这种情况下，排水采气成为越来越重要的生产措施。

[0003] 泡沫排水采气是近年来国内外迅速发展起来的一种排水采气技术，其本质属于化学排水，是利用表面活性剂中的起泡性而发展起来的一种新技术。其原理是利用天然气和溶于井内液体的泡沫剂的作用，形成连续上升的泡沫柱，从井内携带出液体和混在其中的固体颗粒，通过向井底矿化水中引入一些具有特殊功能的表面活性剂和高分子聚合物，借助于天然气流的搅拌，与井底积液充分接触，产生大量的较稳定的低密度的含水泡沫，使其在气液两相混合垂直流动过程中，产生泡沫、分散、减阻、洗涤等多种物理-化学效应，减少井筒中“滑脱损失”，提高气流垂直举液能力，达到排水采气的目的。在排液工艺技术系列中，由于泡排工艺具有施工方便、设备简单、施工方便、成本低、适用井深范围大、不影响气井正常生产、廉价高效等优点，因而被广泛采用。

[0004] 泡沫排水能否取得成功，在很大程度上取决于所用表面活性剂的性能。在泡排工艺中，由于气泡、水在举升出井筒时，不断和气管内壁产生摩擦，导致气泡带水举升速度较慢，同时气泡在不断剪切过程中将出现破裂现象，降低泡排效果。这样就要求表面活性剂的起泡性能、稳泡性能非常好，才能实现好的泡排效果，但这大大提高了表面活性剂的要求，增加了表面活性剂的开发、使用成本。同时由于气藏埋藏深，井底温度高，而且地层水的矿化度高，因此井底积液普遍存在高温高盐的特性，一般的表面活性剂也难以发挥较好的排水效果。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明旨在提供一种天然气气井开采用的高效泡排减阻体系，其抗高温、抗盐、泡排效果好，生产成本低。

[0006] 为解决以上技术问题，本发明的技术方案提供了一种天然气开采用高效泡排减阻体系，它由起泡剂和减阻剂复配形成，所述起泡剂选自分子式为C12H15SO3Na的十二烷基磺酸钠，所述减阻剂由丙烯酰胺单体、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体、MJ-16疏水单体聚合为疏水缔合型聚合物后水解形成，

[0007] 所述MJ-16疏水单体的化学式为:

[0008] 其聚合水解反应方程式为：

[0009]

[0010] 进一步的，所述减阻剂与起泡剂的浓度比为：250ppm∶4000ppm时，高效泡排减阻体系的泡沫性能和减阻性能都达到最佳状态。

[0011] 进一步的，上述减阻剂的制备方法包括以下步骤：

[0012] (1)将主单体溶液与MJ-16疏水单体溶液混合，所述主单体溶液为丙烯酰胺单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体混合的溶液，通氮气30min后加入氧化还原引发剂，在30～
40℃温度下聚合反应5h后得到疏水缔合型聚合物；所述聚合反应的最佳反应温度为35℃；
所述氧化还原引发剂选自过硫酸铵和亚硫酸氢钠；

[0013] (2)将疏水缔合型聚合物完全溶解于水中后按照疏水缔合型聚合物的水解度为30％加入氢氧化钠，在90℃温度下反应6h后得到水解后的疏水缔合型聚合物溶液，即为本发明所述减阻剂。

[0014] 进一步的，所述丙烯酰胺单体与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体的质量比为1∶ 1～8∶1，优选为8∶1时高效泡排减阻体系的泡沫性能和减阻性能均达到良好状态。

[0015] 进一步的，所述主单体溶液中主单体的质量分数为20％～40％，MJ-16疏水单体溶液中MJ-16的质量分数为0.5％～1.5％，氧化还原引发剂中氧化还原引发剂的质量分数为0.05％～0.1％。

[0016] 更进一步的是，所述主单体溶液中主单体的质量分数为25％，MJ-16疏水单体溶液中MJ-16的质量分数为1.5％，氧化还原引发剂中氧化还原引发剂的质量分数为0.05％时，高效泡排减阻体系的泡沫性能和减阻性能均达到良好状态。

[0017] 本发明设计以丙烯酰胺单体(AM)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体(AMPS)，MJ-16疏水单体在过硫酸铵、亚硫酸氢钠氧化还原体系的引发下，采用水溶液聚合方法合成疏水缔合型聚合物，再将该聚合物进行部分水解制成目标减阻剂，与起泡剂复合十二烷基磺酸钠(SDS)复配形成本发明高效泡排减阻体系。疏水缔合型聚合物能有效提高减阻剂的抗剪切能力，且分子中的季胺离子促进了减阻剂分子与天然气井筒壁的吸附能力能更有效的在井壁上形成膜从而提升泡排减阻的效果，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸分子中含有磺酸基团能提高整个体系的抗温性能。同时，将聚合物部分水解后，聚合物链上形成一定的羧酸盐基团，加之链上的磺酸基团能使链整体呈带负电，与复配的适当浓度的SDS起泡剂之间能发生静电排斥作用，使整个减阻剂聚合物链变得更加舒展从而提高减阻性能。而且减阻剂分子本身具有一定的粘度，在泡沫外形成一道保护膜，会起到很好的稳泡作用。因此，本发明提供的高效泡排减阻体系能有效减少气泡、水与气管内壁的摩阻，有效提高泡沫排水采气效果。

[0018] 同时本发明提供的高效泡排减阻体系抗高温、抗盐，抗温指标达到140℃，抗NaCl浓度达到30％，抗CaCl2浓度达到20％，并且其原料简单易得，制备简便，生产成本低，值得有效推广。

附图说明

[0019] 图1为减阻性能测定实验装置结构示意图；

[0020] 图2为不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下起泡高度变化曲线图；

[0021] 图3为不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下泡沫的析液半衰期变化曲线图；

[0022] 图4为不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下体系的减阻性能变化曲线图；

[0023] 图5为泡排体系在NaCl溶液中的泡沫性能变化曲线图；

[0024] 图6为泡排体系在CaCl2溶液中的减阻性能变化曲线图；

[0025] 图7为泡排体系在盐溶液中的减阻性能变化曲线图。

具体实施方式

[0026] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和实验对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的保护范围仅限于下述实施例。

[0027] 一、实验准备

[0028] 1.1实验试剂及减阻剂的制备方法

[0029] 1.1.1实验试剂

[0030] 丙烯酰胺，成都市科龙化学试剂厂；

[0031] 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，疏水单体MJ-16、过硫酸铵，成都市科龙化学试剂厂；

[0032] 亚硫酸氢钠，成都市科龙化学试剂厂；

[0033] 氢氧化钠，成都市科龙化学试剂厂；

[0034] 起泡剂十二烷基磺酸钠，成都市科龙化学试剂厂；

[0035] 以上试剂均为分析纯。

[0036] 1.1.2减阻剂的制备方法

[0037] (1)合成疏水缔和型聚合物：

[0038] 将主单体溶液与MJ-16疏水单体溶液混合，所述主单体溶液为丙烯酰胺单体和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体混合的溶液，通氮气30min后加入一定量的过硫酸铵、亚硫酸氢钠氧化还原引发剂，在30～40℃温度下聚合反应5h后得到疏水缔合型聚合物；

[0039] (2)聚合物水解：

[0040] 将疏水缔合型聚合物完全溶解于水中后按照疏水缔合型聚合物的水解度为30％加入氢氧化钠，在90℃温度下反应6h后得到水解后的疏水缔合型聚合物溶液，即为本发明所述减阻剂。

[0041] 1.2实验仪器

[0042] 烧杯、三口烧瓶、温度计、恒温水浴锅、1000ml量筒、玻璃棒、冷凝管、数显调速仪、数显搅拌机、BRGL-7型高温滚子加热炉。

[0043] 1.3减阻性能、泡沫性能的测定及评价方法

[0044] 1.3.1泡沫性能测定及评价方法

[0045] (1)起泡性能：采用WaringBlender法测定泡沫性能。向量杯中加入100mL一定浓度的复合起泡减阻体系溶液，高速搅拌一定时间后，关闭开关，立即读取泡沫体积，用于表示起泡剂的起泡高度(mL)，然后记录从泡沫中析出50mL液体所需的时间，即为泡沫的析液半衰期。WaringBlender搅拌器转速6000r/min，搅拌时间3min。

[0046] (2)抗盐性能：在100ml一定浓度的复合起泡减阻体系的溶液中,分别加入不同浓度的NaCl溶液和CaCl2溶液，测定起泡性能。

[0047] (3)抗温性能：在不同温度下，将一定浓度的复合起泡减阻体系的溶液在高温滚子加热炉中老化数小时后，测定溶液的起泡性能。

[0048] 1.3.2减阻性能的测定及评价方法

[0049] 本实验减阻性能评价采用自制实验装置评价减阻性能：

[0050] 自制实验装置的结构如图1所示，它包括三口烧瓶1、螺旋管2和空气泵3，三口烧瓶1的中间口连接螺旋管2，三口烧瓶1的左侧口连接空气泵3，空气泵3与左侧口的连接管上设置有流量计4。

[0051] 测定时，将一定浓度的复配溶液倒入数显调速仪中搅拌3min之后，取下搅拌杯，将搅拌杯中的泡沫从三口烧瓶1的右侧口倒入三口烧瓶1中至一定高度，塞上橡皮塞。然后打开空气泵3调节流量计4的流量至0.3L/min，当泡沫刚好进入螺旋管A刻度线时开始计时，等到泡沫到达刻度线B时停止计时，记录下泡沫在螺旋管中流动的时间进行比较。

[0052] 减阻率＝(t1-t2)/t1

[0053] t1—未加入减阻剂时，泡沫在简易装置中从A到达B的流动时间；

[0054] t2—加入减阻剂进行复配之后，复配体系在简易装置中从A到达B的流动时间。

[0055] 经测定，单独使用浓度为3000mg/L的十二烷基磺酸钠起泡剂时，泡沫在简易装置中的流动时间为112s。

[0056] 二、实验数据和数据分析

[0057] 2.1主单体中AM和AMPS的配比优化

[0058] 主单体浓度20％，合成温度为35℃，引发剂浓度为0.05％，疏水单体浓度0.5％的条件下改变AM和AMPS的配比制备不同的减阻剂，再复配起泡剂进行性能评价。(体系中复配的减阻剂浓度250ppm，起泡剂浓度为3000ppm)。

[0059] 表1 单体配比优化

[0060]

[0061] 通过上表可以看出，随着AM:AMPS比例增大，起泡高度略有增大，但是析液半衰期和减阻性是有所减小的，尤其是减阻性能降低的明显，这是因为随着AMPS的比例增大，聚合物链上增加了比较多的短支链，这减小了减阻效果。所以最佳比例在8:1。

[0062] 2.2主单体浓度优化

[0063] 单体配比(AM:AMPS)为6:1，合成温度为35℃，引发剂浓度为0.05％，疏水单体占单体摩尔比为0.05％的条件下改变主单体的浓度，复配起泡剂再进行性能评价。(体系中复配缔合减阻剂浓度250ppm，起泡剂浓度为3000ppm)

[0064] 表2 主单体浓度优化

[0065]

[0066] 从上表中可以看出，增加单体浓度，起泡高度变化不明显，说明单体浓度对起泡能力影响很小，而随着单体浓度增加到25％以后，析液半衰期和减阻率变化都很小，说明在单体浓度为25％时，体系的性能最佳。

[0067] 2.3引发剂加量优化

[0068] 主单体浓度为20％，单体配比(AM:AMPS)为6:1，合成温度为35℃，疏水单体浓度0.5％的条件下改变引发剂加量，复配起泡剂再进行性能评价。(体系中复配缔合减阻剂浓度250ppm，起泡剂浓度为3000ppm)。

[0069] 表3 引发剂加量优化

[0070]

[0071] 从表中可以看出，随着引发剂加量的提高，体系的起泡性能基本不变，但是随着引发剂浓度增加，体系的减阻性能有所降低，这是可能是因为引发剂增高减小了聚合物的分子量。所以在引发剂浓度为0.05％时，体系性能最优。

[0072] 2.4疏水单体比例优化

[0073] 主单体浓度为20％，单体配比(AM:AMPS)为6:1，合成温度为35℃，引发剂浓度为0.05％的条件下改变单体中疏水单体所占的摩尔百分比，复配起泡剂再进行性能评价。(体系中复配缔合减阻剂浓度为250ppm，起泡剂浓度为3000ppm)。

[0074] 表4 疏水单体比例优化

[0075]

[0076] 从上表中可以看出，复合体系的起泡高度随着疏水单体含量的增加变化不大，说明体系的起泡能力几乎不受影响，随着疏水单体的比例的增大，析液半衰期和减阻率都是先增大后减小，在疏水单体为1.5％时，析液半衰期和减阻率都到达最大。这是因为随着疏水单体的增加，疏水缔合作用增强从而有效增加了聚合物的粘度，从而提高了体系中泡沫粘度，使泡沫稳定性能增加。而聚合物链上少量的长侧链也使减阻作用增大。而当疏水单体增加到一定程度时，由于支链增多，相互之间发生了分子间的缔合，使分子链会变得卷曲，影响了聚合物链的延展性。减阻性能下降，而聚合物粘度也下降，使泡沫的稳定性变差。

[0077] 2.5反应温度优化

[0078] 主单体浓度为20％，单体配比(AM:AMPS)为6:1，引发剂浓度为0.05％，疏水单体占单体摩尔比为0.5％的条件下改变反应温度，复配起泡剂再进行性能评价。 (体系中复配缔合减阻剂浓度250ppm，起泡剂浓度为3000ppm)

[0079] 表5 反应温度优化

[0080]

[0081] 从上表中可以看出，在聚合温度为35℃时，泡沫性能和减阻性能都达到比较好的效果，所以35℃为最佳合成温度。

[0082] 小结:

[0083] 单体配比(AM:AMPS)为8:1时，泡沫性能和减阻性能良好。

[0084] 主单体浓度为20％时，泡沫性能最佳，主单体浓度为40％时，减阻性能得到最佳，而主单体浓度为25％时，两者性能都良好，综合考虑，选取主单体浓度25％为最优条件。

[0085] 引发剂加量为0.05％时，泡沫性能和减阻性能达到良好效果。

[0086] 疏水单体浓度为1.5％时，起泡性能良好，泡沫稳定性能和减阻性能达到最佳，所以选择1.5％的疏水单体含量为最佳。

[0087] 当反应温度为35℃时，复合体系性能得到最优，最佳反应温度为35℃。

[0088] 综上所述，该复合体系中缔合型减阻剂的最佳反应条件为：

[0089] 单体配比(AM:AMPS)为8:1，主单体浓度为25％，引发剂加量为0.05％，疏水单体浓度为1.5％，反应温度为35℃。优化反应条件后体系的起泡高度可达到450ml，析液半衰期达到：550s，减阻性能可达到28％。

[0090] 三、本发明高效泡排减阻体系的性能评价

[0091] 3.1体系中各组分比例对体系性能的影响

[0092] 在最佳条件下合成减阻剂，与起泡剂十二烷基磺酸钠复配成本发明高效泡排减阻体系。体系中减阻剂聚合物浓度分别为50ppm、250ppm、300ppm、500ppm、2500ppm和3000ppm，改变体系中起泡剂的的浓度，测定体系泡沫以及减阻性能。

[0093] 不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下起泡高度变化曲线参见附图2；

[0094] 不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下泡沫的析液半衰期曲线变化参见附图3；

[0095] 不同的起泡剂浓度和减阻剂浓度下体系的减阻性能曲线变化参见附图4。

[0096] 从图2可以看出，在起泡剂浓度一定的情况下，增加减阻剂的浓度，起泡性能减小，相反，在聚合物溶液浓度一定是，增加起泡剂的浓度，起泡性能增大。这说明该体系中减阻剂的加入会影响起泡剂的起泡性能。

[0097] 由图3可知，在起泡剂浓度一定的情况下，随着聚合物浓度的增加，泡沫的稳定性能明显提高，在聚合物浓度一定的条件下，增加起泡剂浓度，析液半衰期基本呈线性增加趋势。说明在复合体系中缔合型减阻剂的加入大大提升了泡沫的稳定性能。这是因为减阻剂在泡沫外面性能了稳定的高分子膜，隔绝了空气的不易进入，而且泡沫不易破裂。

[0098] 由图4可知，在聚合物浓度为一定时，增加起泡剂浓度减阻性能有所提高，这是因为在聚合物由于带有所酸钠基团以及磺酸基团，整个聚合物链呈负电，聚合物链本身有着排斥作用，链被束缚住了，而加入了阴离子的SDS起泡剂，链与阴离子发生了排斥作用使得链变得舒展开来，变得柔软，提高了减阻效率。

[0099] 小结：

[0100] 综合泡沫性能和减阻性能，选取聚合物浓度为250ppm，起泡剂浓度为4000ppm作用泡排减阻体系的浓度指标。

[0101] 3.2本发明体系抗温抗盐性能的测定

[0102] 3.2.1本发明体系抗温性能的评价

[0103] 配置起泡剂浓度为4000ppm，减阻剂浓度为250ppm的泡沫减阻体系，评价其抗温性能。

[0104] 表6 泡排体系抗温性能评价

[0105]

[0106] 在温度达到140℃时，体系的泡沫性能与减阻性能保持良好，这说明体系有着良好的抗温能力。这是因为起泡剂为磺酸盐型起泡剂，减阻剂单体AMPS带有磺酸根离子，大大地增强了体系的抗温能力。

[0107] 3.2.2本发明体系抗盐性能的评价

[0108] 配置起泡剂浓度为4000ppm，减阻剂浓度为250ppm的泡排减阻体系，向复配体系中分别加入不同质量分数的NaCl和CaCl2，测定体系泡沫以及减阻性能。

[0109] 泡排体系在NaCl溶液中的泡沫性能变化曲线参见附图5；

[0110] 泡排体系在CaCl2溶液中的减阻性能变化曲线参见附图6；

[0111] 泡排体系在盐溶液中的减阻性能变化曲线参见附图7。

[0112] 由图5可知，当NaCl质量分数达到30％时，体系任然具有一定的的起泡性能并能保持稳定，说明体系泡沫性能抗NaCl能力良好，抗NaCl能力达到30％。

[0113] 由图6可知，当CaCl2质量分数小于25％时，起泡高度缓和的下降，当达到30％时，起泡能力明显降低，当质量分数大于15％时，泡沫稳定性能明显减小。对比体系的抗KCl能力，体系抗CaCl2能力明显减小，这是因为CaCl2中带有二价的钙离子。体系抗钙盐能力达到20％。

[0114] 由图7可知，随着钠盐、钙盐浓度的增加，体系的减租性能都减小，这是因为盐离子中的阳离子屏蔽了减阻剂上的阴离子是的减阻性能降低。加入钙盐的体系减小更加明显。

[0115] 小结：温度达到140℃时，泡排体系的泡沫及减阻性能保持良好，抗温指标达到140℃；加入一定的浓度的盐溶液中，体系的起泡性能和减阻性能良好，所以体系抗NaCl浓度达到30％，抗CaCl2浓度达到20％。