固体消泡机理及工艺发展现状

1. 1 消泡剂消泡机理

关于泡沫的消泡机理，目前国内外尚未研究清楚，但消泡方式主要有两种: 第一种是消泡剂在泡沫液体系中利用消泡剂溶液自身的表面张力等性质对体系中泡沫进行破泡，同时对整个泡沫液体系进行抑泡; 第二种是消泡剂通过与起泡剂发生化学反应，改变起泡剂的化学物性，使其失去起泡能力实现消泡。第二种方式在反应过程中极易生成不溶性脂肪酸盐，容易对设备管道造成堵塞以及发生腐蚀，现场一般运用较少。

对于第一种消泡方式的而言，消泡剂一般要求具有两方面的性能: 1) 破泡性，即将已形成的泡沫迅速破泡的性能，铺展性( 分散性) 好的物质，其破泡性能好;

2) 抑泡性，即抑制溶液起泡的能力，溶解度越小的物质其抑泡性越好。铺展性良好且溶解度小的化学品可以被认为是较好的消泡剂。这两种性质也被大家称作是消泡剂的铺展作用和插入作用。

1. 1. 1 铺展作用

根据Sydney Ｒ 的研究理论，消泡剂因其表面张力较低，能够自动在泡沫表面铺展。在整个铺展的过程中，消泡剂分子不仅会带走邻近表面的一层液体，使液膜变薄; 同时还会在液膜表面产生一定的扰动，使得体系中的泡沫受到周围大表面张力膜层的强力牵引，使液膜达到临界液膜厚度以下，导致液膜破裂，最终实现破泡的目的。其中，表征铺展能力的铺展系数S 可表示为:

S = γF － γFD － γD……………………( 1)

式中: γF为体系内泡沫液体的表面张力;

γFD为消泡剂与泡沫液之间的界面张力;

γD为消泡剂表面张力。

1. 1. 2 插入作用

当分散在泡沫液中的消泡剂分子进入到泡沫液体中，整个泡沫液体体系的自由能将会发生改变，破坏膜层的原有平衡，其体系自由能改变的大小可以用插入系数E 来表示:

E = γF + γD － γFD……………………( 2)

其中，当E ＞ 0 时，消泡剂能插入到泡沫溶液的部分表面中，插入的局部由于消泡剂的扩展将逐渐变为体系的薄弱环节，最终使得泡沫破裂。若E ＜ 0，则消泡剂分子不能进入到泡沫溶液体系表面。

因此，较为理想的工业用消泡剂一般均具有以下3个特点: 消泡剂不溶于将要进行消泡的体系介质; 消泡剂溶液有正的铺展系数; 消泡剂溶液有正的插入系数。

消泡剂按照其成分主要可以分为硬脂酸皂、硬脂酰胺等酯类，脂肪醇、脂肪醚类及其他硅类产品。其中硅类消泡剂是化工生产、石化等行业中使用最为广泛的一类消泡剂。纯硅油由于价格昂贵，溶解度较小且难以乳化，消泡效果并不理想。现场使用的硅类消泡剂一般是用二甲基硅油、乙基硅油等与二氧化硅气溶胶以及其他乳化剂、稳定剂等助剂混合后制备而成，其统称为有机硅消泡剂。按照物理状态，消泡剂又可大致分为两种，分别是油状、乳液状的液体消泡剂和膏状的固体消泡剂。其中，油状、乳液状的液体消泡剂作为最早使用的消泡剂，很早之前就在泡沫排水采气工艺中得以运用，其工艺技术相对比较成熟，加注多采用平衡罐或者往复泵进行泵入，国内外已有过很多相关报道。但固体消泡剂在最近几年才得以推广，目前已逐渐在靖边气田、吉林、青海以及川渝地区气田加以运用。

1. 2 固体消泡工艺发展现状

1. 2. 1 固体消泡剂研究现状

固体消泡剂因其制备工艺简单、贮存稳定性好、运输方便等优点在石化行业逐渐被人们采用。早在80年代初期，已有学者对固体消泡剂进行过相关研究，发现该类型消泡剂在对聚乙二醇烷基醚磺酸钠水溶液进行消泡时比传统乳液型有机硅消泡剂效果更好。

固体消泡剂一般由活性组分、助剂、载体3 部分组成。其制备方法主要有以下3 种: 将活性组分直接喷洒在固体消泡剂载体表面，此方法制备的消泡剂适用温度范围宽; 将活性组分与软化点较低的脂肪醇、脂肪酸、石蜡等物质一起熔融，再将熔融后的物质在载体上进行附着，合成蜡封型固体消泡剂; 将部分成膜的物质包裹在活性组分物质外部，并加以混合，合成包封型固体消泡剂，此类消泡剂稳定性较强，可实现活性组分缓慢释放的目的，是一种延时释放的有机硅消泡剂。固体消泡剂的制备过程主要是通过将常规消泡剂配料如二甲基硅油、二氧化硅和聚乙二醇等物质混合均匀后进行加热，并在恒温( 70 ～ 90 ℃) 一段时间后，将其全部融化并冷却成型，最后压制成圆棒状。

1.  2. 2 固体消泡装置发展情况

目前常用的固体消泡加注装置主要分为卧式与立式两种，其结构分别见图1~2。卧式固体消泡装置在其进口端和出口端分别装有入口导流锥和出口导正叶轮，当高压高流速的天然气、地层水等混合流体进入装置入口后，迅速按螺旋运动轨迹前行，对加装在装置中部的固体消泡棒产生圆周性的切削力，使消泡棒缓慢溶解并与混合流体充分混合，在流体流经装置出口位置时，导正叶轮产生反作用力，使得消泡液与混合流体再次充分混合，达到消泡的目的。而立式固体消泡装置则主要通过其加注筒下端形成的积液段将加注的消泡棒浸泡在筒体中加以溶解，当气流通过混合形成的消泡溶液后实现消泡目的。固体消泡装置的安装位置一般位于单井井口针形节流阀后的集输管线上，也可安装在集气脱水站进站管线上，对进站气体进行二次消泡，进一步保证气质的洁净度。

通过两种装置在现场运用实例发现，对于某些产水量较小、产气量较高的气井，含泡沫地层水的天然气混合流体会迅速通过消泡装置; 此时，由于在卧式装置中药剂与流体的接触时间较短，药剂溶解相对缓慢，常常达不到最低的消泡液浓度要求，影响流体的消泡效果。较卧式固体消泡装置而言，立式固体消泡装置的药剂与混合流体的接触时间更长，气液对药剂冲刷作用力更大，在同等条件下，消泡剂的溶解速率可大大提高( 一般为卧式装置的3～8倍) 。因此，对于在调整药剂后仍无法满足消泡效果的气井，应使用立式消泡装置来提高药剂的溶解速率，以保证消泡需求。