HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的影響

李樹林

(大慶油田有限責(zé)任公司 第一采油廠，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

在油田生產(chǎn)過程中，由于壓力、溫度等因素的變化，以及不配伍水的混合，導(dǎo)致結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，從而給生產(chǎn)帶來極大的危害[1]。

碳酸鈣垢是油田水中最常見的垢，它在水中的溶解度很低。影響油田水結(jié)垢除了注入水質(zhì)這一主要因素外，最重要的就是碳酸鈣的溶解平衡[2]。

油田水中碳酸鈣的溶解平衡可以用下列可逆反應(yīng)來表示：

該反應(yīng)處于平衡時，水中溶解的碳酸鈣、二氧化碳和碳酸氫鈣量保持不變，這樣就不會結(jié)垢。油田水結(jié)垢的規(guī)律可按下式表示：水溶液→過飽和度→晶體析出→晶體長大→結(jié)垢。當(dāng)鹽在水中的溶解速度等于鹽從水中析出的速度時，該鹽在水中的溶解量達(dá)到飽和。當(dāng)壓力、溫度、pH值等因素改變后，鹽在水中處于過飽和的暫穩(wěn)或不穩(wěn)狀態(tài)，此時離子的濃度積大于溶度積，過飽和部分的鹽就沉淀析出[3]。

根據(jù)此規(guī)律，我們結(jié)合部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)的阻垢性能，作出如下實驗。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

無水CaCl2、NaHCO3、EDTA、KOH、NaOH、氨水和鉻黑T等。實驗儀器主要包括恒溫攪拌器、電子天平、恒溫水浴、電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

1.2 實驗方法及原理

用16.7 g/L的氯化鈣溶液及等量的25.2 g/L的碳酸氫鈉溶液制備碳酸鈣溶液，并向其中加入高、低兩種濃度的HPAM溶液。達(dá)到平衡后，通過測定溶液中成垢陽離子濃度的變化，進(jìn)而研究HPAM在各種反應(yīng)條件下對碳酸鈣垢形成的影響。具體方法參照GB/T16632-1996《水處理劑阻垢性能的測試-碳酸鈣沉淀法》和SY/T5673-93《油田用防垢劑性能評價方法》。

2 結(jié)果分析

2.1 低濃度HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的影響

(1)濃度的影響

圖1所示為不同濃度的HPAM溶液在40 ℃下對碳酸鈣結(jié)垢的影響。

圖1 鈣離子濃度隨HPAM濃度變化 圖2 鈣離子濃度隨反應(yīng)時間的變化

從圖1看出，隨HPAM濃度的增加，溶液中的鈣離子濃度呈逐漸上升趨勢，達(dá)到7.5 mg/L時，隨著HPAM濃度繼續(xù)增加，溶液中鈣離子的增加速度變緩。

該結(jié)果表明，較高濃度的HPAM對碳酸鈣的形成有抑制作用，但這種抑制作用不明顯。這是因為：一方面HPAM含有多個配位鍵，與鈣離子形成螯合物，抑制碳酸鈣晶體的速度；另一方面HPAM粘度高，增大了碳酸鈣過飽和溶液的粘度，從而離子遷移的速度減慢，而晶核生長和晶粒長大是靠離子遷移聚積而成的[4]；第三方面就是HPAM易吸附在晶粒和晶核上，抑制碳酸鈣的結(jié)晶沉淀速度。

(2)反應(yīng)時間的影響

從上個實驗發(fā)現(xiàn)，HPAM濃度增至7.5 mg/L后，鈣離子濃度的增加速度開始減慢，因此在下面的實驗中，針對濃度7.5 mg/L、溫度為40 ℃的HPAM溶液，研究其在不同時間下對碳酸鈣結(jié)垢的影響，如圖2所示。

圖2表明，當(dāng)加入HPAM溶液與空白溶液(未加入HPAM)中鈣離子的變化趨勢相近時，鈣離子濃度都隨反應(yīng)時間增加而緩慢下降。但是，加入HPAM溶液中的鈣離子濃度的下降速度比空白樣的慢。反應(yīng)的前兩個小時內(nèi)，加入HPAM的溶液中的鈣離子濃度從300 mg/L降到80.14 mg/L，而空白溶液中鈣離子濃度從300 mg/L降到50.12mg/L，其下降程度遠(yuǎn)大于前者。這說明HPAM的抑制作用主要發(fā)生在碳酸鈣的形成初期，而且HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的抑制作用不隨反應(yīng)時間增加而變化。

(3)溫度的影響

由于碳酸鈣形成過程本就受溫度影響較大，因此研究HPAM在不同溫度下對碳酸鈣結(jié)垢影響的同時，應(yīng)與同溫度下的空白值做對比。圖3所示為不同溫度下HPAM溶液對碳酸鈣結(jié)垢的影響。

圖3 鈣離子濃度隨溫度變化 圖4 鈣離子濃度隨pH值變化

(4)pH值的影響

圖4所示為不同pH值下HPAM溶液對碳酸鈣結(jié)垢的影響。從圖4看出，隨pH值的增加，HPAM開始是對碳酸鈣結(jié)垢有抑制作用的， pH=9時抑制作用最顯著；隨pH值的繼續(xù)增大，這種抑制作用開始下降。這是因為pH值在7～10時，HPAM的粘度隨著pH值的而增加，其抑制作用增強(qiáng)。但隨著pH值的增大，碳酸鈣結(jié)垢的趨勢增強(qiáng)。pH值在7～10時，HPAM的抑制作用占主導(dǎo)；而在11～12時，碳酸鈣的結(jié)垢趨勢占主導(dǎo)。

2.2 高濃度HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的影響

(1)濃度的影響

圖5所示為不同濃度的HPAM溶液在40 ℃下對碳酸鈣結(jié)垢的影響。

圖5 鈣離子濃度隨HPAM濃度的變化 圖6 鈣離子隨反應(yīng)時間的變化

從圖5可以看出，隨著濃度的增加，溶液中的鈣離子先增加后下降。該結(jié)果表明，濃度低于1500 mg/L時，HPAM對碳酸鈣的抑制作用隨其濃度的增加而增大；但濃度超過1500 mg/L時，HPAM對碳酸鈣的抑制作用隨其濃度的增大而減小。這是因為：盡管HPAM濃度的增加會抑制碳酸鈣結(jié)垢，但碳酸鈣的結(jié)垢量也在增加，因此當(dāng)HPAM促使碳酸鈣結(jié)垢的正面影響超過它所起的負(fù)面影響時，就會造成這種抑制作用減小。

(2)反應(yīng)時間的影響

通過上面的實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度增加到1500 mg/L時，HPAM對碳酸鈣的抑制作用最大。故下面的實驗，選用濃度為1500 mg/L的HPAM在40 ℃下反應(yīng)時間對碳酸鈣結(jié)垢的影響。如圖6所示。

從圖6看出，兩種溶液變化趨勢接近，都隨反應(yīng)時間的增加而緩慢下降，但加入HPAM溶液中的鈣離子的下降速度比空白樣的慢。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)時間從2 h到12 h，加入HPAM溶液中的鈣離子濃度從130.24mg/L下降到106.22 mg/L，空白溶液中鈣離子濃度從50.12 mg/L下降到37 .02mg/L，這是因為在反應(yīng)初期加入HPAM的溶液中的鈣離子濃度明顯高于空白樣中鈣離子濃度。這說明HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的抑制作用主要發(fā)生在結(jié)垢初期，并且抑制作用隨反應(yīng)時間的變化不明顯。

(3)溫度的影響

考察HPAM在不同溫度下對碳酸鈣結(jié)垢影響的同時，應(yīng)該與同溫度條件下的空白對比。對比實驗結(jié)果如圖7。

圖7 鈣離子濃度隨溫度的變化 圖8 鈣離子濃度隨pH值的變化

從圖7看出，含有HPAM的試樣與空白樣中的鈣離子濃度均隨溫度的升高而降低，這是因為碳酸鈣的溶解度隨溫度升高而降低。實驗結(jié)果證明，HPAM在不同溫度下對碳酸鈣結(jié)垢均有抑制作用。其中，40 ℃時抑制作用最明顯，50 ℃和60 ℃時次之，70 ℃和80 ℃時抑制作用最小。

(4)pH值的影響

圖8所示為不同pH值下HPAM溶液對碳酸鈣結(jié)垢的影響。

從圖8中看出，HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的抑制作用隨pH升高而下降。這說明pH值在11～12時，HPAM溶液粘度隨pH值的升高而下降，而碳酸鈣結(jié)垢的趨勢隨pH值的升高一直増加。但在7～12時，HPAM的抑制作用一直占主導(dǎo)。

3 結(jié) 語

1)高濃度、低濃度的HPAM都能抑制碳酸鈣結(jié)垢。

2)高濃度的HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的抑制作用比低濃度的強(qiáng)。

3)高、低兩種濃度的HPAM對碳酸鈣結(jié)垢的抑制作用發(fā)生在結(jié)垢初期，并且隨溫度的升高而減小。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 左景欒,任韶然,于洪敏.油田防垢技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].石油工程建設(shè),2008(2):7-8.

[2] 江淑娟,吳松林.油田開發(fā)英語[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[3] Gallup,D.L.Aluminum silicate scale formation and inhibition (2):scale solubilities and laboratory and field inhibition tests[J]. Geothermics,1998,27(1):485-501.

[4] 林培滋,黃世煜,初惠萍.溫度對碳酸鈣結(jié)垢過程的影響[J].石油與天然氣化工, 1999,28(2):128-129.