摘要： 氣井在開采后期經(jīng)常會(huì)因液體積聚而堵塞采氣通道，對(duì)后續(xù)開采工作造成不利后果。這些不良條件（例如高凝析油含量、高溫和高鹽度）通常會(huì)影響起泡劑的性能。本研究采用與現(xiàn)場(chǎng)處理方法相似的氣流法篩選表面活性劑，其中具有不同聚氧乙烯醚（EO）單元數(shù)的醇醚硫酸鹽（AEnS）在液體攜液率和泡沫穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。在80°C下，高質(zhì)量濃度NaCl溶液（200 g/L）和高體積分?jǐn)?shù)（20%）凝析油中，具有2個(gè)EO單元的AEnS（AE2S）攜液率達(dá)到了84%。通過(guò)相同溫度下測(cè)量的動(dòng)態(tài)表面張力和界面張力分析了擴(kuò)散速率和界面特性對(duì)AEnS泡沫的影響，而黏度和液膜厚度則反映了泡沫的機(jī)械強(qiáng)度和攜液能力。此外，透射電子顯微鏡（TEM）發(fā)現(xiàn)，AE2S在高質(zhì)量濃度NaCl溶液中形成了"樹枝狀"的膠束聚集體，顯著提高了泡沫的黏度和穩(wěn)定性。利用分子動(dòng)力學(xué)分析了AEnS、NaCl和H2O之間的相互作用，從分子力學(xué)角度證實(shí)了這三者之間能夠形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而有助于泡沫穩(wěn)定性。這些結(jié)果證明了AE2S泡沫在氣井排水采氣領(lǐng)域具有巨大潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

AE2S（白色黏稠液體，70%）購(gòu)自中國(guó)中輕化工有限公司。AE5S（水溶液，25%）和AE7S（水溶液，20%）由中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院合成。消泡劑CN1152（白色黏稠液體，100%純度）購(gòu)自上海西納化學(xué)有限公司。NaCl（分析純）和石油醚（沸點(diǎn)范圍60-90°C）購(gòu)自天津大茂化學(xué)試劑廠。AE2S、AE5S和AE7S的平均分子量分別為377、518和603 g/mol。三種表面活性劑的結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有實(shí)驗(yàn)均使用電阻率為18.25 MΩ·cm（25°C）的超純水。

1.2 方法

1.2.1 動(dòng)態(tài)表面張力（DST）

使用芬蘭Kibron公司的EZ-Pi Plus便攜式動(dòng)態(tài)表面張力儀，在（80±1）°C下采用Wilhelmy板法監(jiān)測(cè)所有樣品的動(dòng)態(tài)表面張力曲線。儀器配備高靈敏度合金絲探針，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表面張力隨時(shí)間的變化。有效表面年齡范圍為0.01至300 s。所有原始表面溶液的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

1.2.2 泡沫形態(tài)分析

使用法國(guó)Teclis公司的FoamScan進(jìn)行圖像分析以監(jiān)測(cè)發(fā)泡性能。在（80±1）°C下，使用注射器將60 mL發(fā)泡劑引入玻璃樣品池。通過(guò)以恒定速率300 mL/min通入干燥氮?dú)猱a(chǎn)生泡沫，直至泡沫到達(dá)內(nèi)玻璃管頂部，此時(shí)應(yīng)停止通氣。使用CCD相機(jī)和氣泡尺寸分析（CSA）軟件持續(xù)捕捉氣泡圖像。

1.2.3 界面張力

使用芬蘭Kibron公司的Delta-8界面張力儀，在（80±1）°C條件下，采用Wilhelmy板法測(cè)量這三種表面活性劑在石油醚-水界面的界面張力。選擇石油醚作為油相，樣品溶液作為水相。測(cè)量過(guò)程中每分鐘記錄一次，共記錄12次。

1.2.4 黏度測(cè)量

使用德國(guó)Thermo Fisher公司的Haake流變儀（MARS 40），配備CC27DG/Ti轉(zhuǎn)子測(cè)量發(fā)泡溶液的黏度。每次測(cè)量中，測(cè)量并記錄（80±1）°C下發(fā)泡溶液在剪切速率范圍50-200 s?1內(nèi)的黏度。

1.2.5 膠束結(jié)構(gòu)

使用日本JOEL公司的TEM（JEM-1011）測(cè)量四種表面活性劑溶液樣品的膠束聚集狀態(tài)。每個(gè)樣品在觀察前均經(jīng)過(guò)（80±1）°C的熱穩(wěn)定性處理，即將其置于熱水浴中6小時(shí)。

1.2.6 柱內(nèi)發(fā)泡和攜液性能

如圖2所示的裝置用于評(píng)估每種泡沫在不同條件下的攜液性能。測(cè)量遵循SY/T 5761《排水采氣用起泡劑技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。裝置的核心單元是一個(gè)垂直透明柱（玻璃材質(zhì)，高度100 cm，內(nèi)徑2.5 cm），其中預(yù)加載的100 mL發(fā)泡溶液在N?流動(dòng)作用下轉(zhuǎn)化為泡沫，流速為2 L/min。產(chǎn)生的泡沫向上流動(dòng)并在泡沫接收器中積聚。使用以下公式獲得攜液效率：

攜液效率 = V / 200 × 100%

其中V為泡沫接收器中液體的體積。使用消泡劑CN1152和4°C冷水循環(huán)進(jìn)行消泡。每次運(yùn)行期間，外部連接的恒溫水浴提供恒定的（80±1）°C溫度。每次運(yùn)行至少重復(fù)兩次以確保可重復(fù)性。

1.2.7 模型構(gòu)建和模擬細(xì)節(jié)

使用Materials Studio（2019版）軟件的Forcite模塊模擬AE2S、AE5S、AE7S、NaCl和H2O分子的部分電荷，采用廣泛使用的COMPASS力場(chǎng)。模型最初使用Amorphous Cell模塊構(gòu)建，其幾何構(gòu)型通過(guò)Smart Minimizer方法在5000步內(nèi)優(yōu)化，力場(chǎng)容差為1.0 kcal/mol/?。在所有方向施加周期性邊界條件。每個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬在NVT系綜中進(jìn)行200 ps。溫度控制在353 K，溫度控制方法為Nose-Hoover。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 fs，每10 ps記錄一次動(dòng)力學(xué)軌跡信息。庫(kù)侖相互作用使用Ewald求和方法計(jì)算，而范德華相互作用采用基于原子的方法計(jì)算。

200 g/L NaCl共存體系的建模方法如下：AE2S（圖3a）、AE5S（圖3b）和AE7S（圖3c）置于NaCl溶液中。模擬盒尺寸設(shè)置為4×4×4 nm。模擬盒沿Z軸延伸至8 nm。分子居中放置，兩側(cè)留出真空區(qū)域以構(gòu)建真空-水界面。在每個(gè)鹽水體系中（圖3a-c），AE2S、AE5S和AE7S的分子數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為8。圖3a-c體系對(duì)應(yīng)的水分子數(shù)分別為4224、4032和3888。每次分子動(dòng)力學(xué)模擬（200 ps）后，計(jì)算徑向分布函數(shù)（RDF）和均方位移（MSD）用于分析。