自动消泡型泡排剂的研制及其性能评价

近年来，泡沫排水采气技术因施工简单、排水效果佳、成本低等优点已成为解决气井井底积液的主要措施之一。泡沫排水法是通过向井底注入泡排剂，使其在气液两相混合垂直流动过程中，生成大量的含水泡沫，随气流从井底携带到地面，达到排水采气的目的。目前主要使用常规表面活性剂复配体系作为泡排剂。这种泡排剂所产生的泡沫较为稳定，当泡沫状地层水被携带至地面后，需要加入消泡剂以便使气水分离。这需要一定的加注设备，而且可能存在消泡缓慢、不彻底等问题。基于此，笔者利用CO2 /N2开关型表面活性剂独特的性质，

研制出一种可自动消泡的泡排剂。该泡排剂具有良好的起泡性能，产生泡沫将井底液体带出井筒，携液量大。当泡沫被排至地面接触到空气( N2) 后，该泡排剂立即失去表面活性，泡沫自动破裂，实现自动消泡的目的。使用这种自动消泡型的泡排剂可以避免使用消泡剂，同时避免因消泡过程带来的复杂问题，有效的提高泡沫排水作业效率。

1 、实验部分

1． 1 材料与仪器

月桂酸、乙醚、二甲苯、N-( 2-羟乙基) 乙二胺、聚乙二醇PEG6000、聚乙二醇PEG8000、羧甲基纤维素钠( CMC) 、四氢呋喃( THF) 、二甲亚砜( SMSO) 均为分析纯; 二氧化碳、氮气均为99． 5%。WQF-520 型红外光谱仪; Bruker-400 型核磁共振光谱仪; DT-102A 型全自动界面张力仪; 2152Ross-Miles 泡沫仪。

1． 2 JT-1 合成路线

合成路线如下:

1． 3 JT-1 合成方法

1．3．1 JT-1 中间体( 2-十一烷基-1-羟乙基咪唑啉)的合成

将月桂酸10 g( 0．05mol) ，N-( 2-羟乙基) 乙二胺6．76 g( 0．065 mol) ，二甲苯( 带水剂)加入三口烧瓶中，连接好分水器、冷凝管、温度计等; 在138 ℃下回流约4 h，直至没有水从二甲苯层滴往水

层。然后持续在138 ℃左右，去除二甲苯，移除分水器，升温到220 ℃反应约4 h。冷却至室温，得到黄色固体; 碾碎后，用乙醚洗3 次，得到白色粉末11． 73 g，产率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 压片) : 3 311． 17 cm － 1 为O—H 的伸缩振动峰，1641． 12 cm － 1为—CN— 双键的伸缩振动峰。

1． 3． 2 JT-1 的合成将1 g( 3． 7 mmol) 2-十一烷基-1-羟乙基咪唑啉溶于四氢呋喃( THF) ，通入二氧化碳直至无白色沉淀产生，过滤得JT-1 白色粉末0． 83 g，产率67． 2%。

1． 4 表面张力测定方法

按照《GB 11276—2007 表面活性剂临界胶束浓度的测定》的测定方法进行，测定25 ℃时JT-1 在不同浓度下的表面张力。

1． 5 泡沫性能评价方法

配制不同浓度的JT-1 表面活性剂溶液，向溶液中通入CO2排出空气，用保鲜膜密封防止与空气接触。在常温下，将100 mL 泡排剂溶液倒入1 000 mL带有刻度的透明玻璃钢杯中，隔绝空气，高速搅拌60 s，停止搅拌即刻记下此时的泡沫体积Vmax( 表示泡排剂的最大起泡体积) ，同时记录从泡沫中析出50 mL 液体所需时间T1 /2( 表示泡沫的出液半衰期) ，以此作为泡沫稳定性的量度。

1． 6 泡沫动态携液评价方法

泡沫的动态携液评价采用气流法，实验装置参照美国API 标准模拟气井结构，将Ross-Miles 泡沫仪改装为标准的评价装置。测定时，在带有刻度长1． 2 m，直径36 mm 的泡沫管柱内注入500 mL 待测液体，在管柱的下端安装一块玻砂板，以一定量的气流通过玻砂板，使带刻度的管柱内试液产生泡沫并经气流带出，测定一定时间内泡沫携带出液体的体积。

1． 7 泡排棒的制备

选择分子量较高、成膜成型性较好的PEG6000和PEG8000，以及CMC 为泡排棒的包裹材料，在90 ℃条件下加热熔融混合均匀，再加入一定量的泡排剂，充分搅拌使其混合均匀，然后倒入圆柱状模具中，挤压成型，制得棒状的固体泡排棒，通过自然烘干，得到干燥的泡排棒产品。其中泡排剂质量分数为10%，聚乙二醇混合物质量分数为70%，CMC 质量分数为20%。聚乙二醇混合物中m( PEG8000)∶ m ( PEG6000 ) = 2 ∶ 1，制备的泡排棒规格为Ф16 mm × 40 mm。

2 、结果与讨论

2． 1 表面活性

表面张力是反映表面活性剂表面活性大小的一个重要物化性能指标，对泡沫的起泡能力、液膜强度及厚度有很大影响。图1 为系列JT-1 水溶液在25 ℃时表面张力随溶液浓度对数( lgC) 的变化曲线。

由图1 可知，低浓度时随着表面活性剂浓度的增大，溶液的表面张力不断减小，当到一定浓度时，溶液的表面张力不再有显著变化。按照Gibbs 吸附定理画线，通过表面张力转折前后两直线的交点确定出双子咪唑啉季铵盐表面活性剂的临界胶束浓度cmc值为7．852×10－4mol/L，对应的表面张力γ为29．03mN/m，并计算出JT-1在气液界面最大吸附量Гmax = 3．15×10－10mol /cm2。

2． 2 起泡性能及泡沫稳定性

在采用泡沫排水采气技术时，要求泡排剂具有较好的起泡性及稳泡性。实验测定了不同质量分数下JT-1 所形成的泡沫性能，见图2。

由图2可知， JT-1 的起泡性能较好，在质量分数为0． 3%左右时，泡沫的起泡体积达到最大值，因此， JT-1 的最佳使用质量分数为0．3% ～ 0．4%。为了考察JT-1 在不同温度下的起泡性能，实验测定了不同温度下泡沫的初始体积H0和5 min 时的体积H5，结果见图3。

由图3 可知，随着温度的增加，泡沫体积逐渐减小，当温度达到70 ℃左右时，泡沫高度迅速下降，表明此温度时泡沫的性能稳定性较差，因为当温度超过70 ℃时， JT-1 容易发生分解，表面活性降低; 在低温的条件下， JT-1 可以保持很好的泡沫稳定性。

2． 3 自动消泡性能

为了考察JT-1 的自动消泡性能，实验配制了一组SDS 溶液和两组JT-1溶液，质量分数均为0． 3%，采用搅拌法进行发泡，将JT-1 产生的泡沫一组隔绝空气，一组暴露在空气中，测定三组泡沫的泡沫体积随时间的变化，结果见图4。

由图4可知，SDS形成的泡沫与JT-1 形成的泡沫在无空气存在条件下相比，SDS泡沫体积减小的速率比JT-1 泡沫减小的速率慢，SDS 在10 min后泡沫体积减小到初始体积的一半，而JT-1 泡沫几乎完全消失。JT-1 在有无空气条件下相比，有空气存在时泡沫体积减小速率非常快，3 min 后泡沫几乎完全消失，表明JT-1 在空气存在的条件下可以实现迅速消泡，其自动消泡性能较好。

2． 4 排水性能评价

依据泡排棒的制备方法将JT-1 做成自动消泡型泡排棒，同时与可控释放Ⅱ号泡排棒作对比。可控释放Ⅱ号泡排棒所用泡排剂为阴阳离子表面活性剂复配体系，配方为m( SDS) ∶ m( AOS) ∶ m( AES) ∶m( CTAB) = 1∶ 2∶ 2∶ 2。按照动态排水评价方法，确定气体流量为2 L /min，温度为25 ℃，排水时间为10 min，利用CO2作为驱动气体，泡沫排出后均暴露于空气中，测定两组泡排棒的携液量和完全消泡时间，结果见图5。

由图5 可知，两种泡排棒的消泡时间相差较大，Ⅱ号的消泡时间最长达到45 min，而JT-1 的消泡时间为3 min 左右，表明JT-1 泡排棒接触空气后能够迅速的消泡。两者的携液量相差不大， JT-1 泡排棒的携液量略大于Ⅱ号， JT-1 的泡沫性能优于Ⅱ号。

因此，自动消泡型泡排棒可以实现迅速消泡的作用，能够适用于中低温条件下的自动消泡。

3、结论

( 1) 根据CO2 /N2开关型表面活性剂的特点，设计制备了自动消泡型泡排剂JT-1，使其具有较好泡排性能，泡排剂将水排出井筒后与空气接触，实现自动消泡。使用这种泡排剂可以避免加入消泡剂，同时避免因消泡过程带来的复杂问题，有效的提高泡沫排水作业效率。

( 2) JT-1 表现出良好的表面活性和起泡性能，cmc 值为7．852×10 －4mol/L，表面张力最低达到29．03 mN/m; 当JT-1 的质量分数为3% 时，起泡体积达到1 000 mL 以上，起泡性能强; 在70 ℃以下，JT-1 的泡沫稳定性较好，高于70 ℃后JT-1 不稳定，易分解失去表面活性，起泡及稳泡性能变差，其适用于中低温条件下的排水。

( 3) 将该泡排剂制备成泡排棒，与阴阳离子表面活性剂复配型Ⅱ号泡排棒相比，该泡排棒携液能力略强，在3 min 内实现迅速完全消泡。