油田注水系統(tǒng)碳酸鹽阻垢劑的制備與應(yīng)用

王 吉

中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院，天津 300131

海上油氣田開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，二氧化碳等伴生氣體與含鹽類增加，在外部環(huán)境改變的條件下，如溫度升高、壓力降低、攪動(dòng)，往往造成油套管、井下、輸油管線、彎頭、閘門等處結(jié)碳酸垢[1-3]。結(jié)垢嚴(yán)重會(huì)造成管線壓差過(guò)大，最終導(dǎo)致平臺(tái)停產(chǎn)；結(jié)垢還會(huì)造成計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)失真，結(jié)垢產(chǎn)物會(huì)促成其與砂、泥、油垢等結(jié)團(tuán)和板結(jié)，在較短時(shí)間內(nèi)容易使管線堵塞[4]。因此，經(jīng)濟(jì)有效地解決油氣集輸系統(tǒng)的結(jié)垢已成為各油田普遍關(guān)注的重要課題和迫切需要解決的生產(chǎn)問(wèn)題[5]。共聚物阻垢劑具有防垢性能佳、熱穩(wěn)定性好、無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為在油田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究熱點(diǎn)[6-8]。現(xiàn)用丙烯酸、馬來(lái)酸酐、烯丙基聚乙二醇、烯丙基磺酸鈉為原料，通過(guò)自由基水溶液共聚合成碳酸鹽阻垢劑，合成的阻垢劑防垢效率高，能有效緩解油田回注水管線結(jié)垢情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

丙烯酸(AA)、烯丙基聚乙二醇(XPEG-700)、馬來(lái)酸酐(MAH)、烯丙基磺酸鈉(SAS)、過(guò)硫酸銨(APS)，均為分析純。

CJF-005型磁力攪拌高壓反應(yīng)釜，威海新元化工；FA1004分析天平，上海精科；76-1恒溫水浴電動(dòng)攪拌機(jī)，華巖儀器；DZF-305干燥箱，上海精宏。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取一定質(zhì)量的丙烯酸、烯丙基聚乙二醇、馬來(lái)酸酐、烯丙基磺酸鈉以及過(guò)硫酸銨，分別用蒸餾水配制成20%的水溶液。首先將烯丙基磺酸鈉水溶液加入2 L高壓反應(yīng)釜中，用氮?dú)庵脫Q釜中的空氣，并保持壓力恒定在0.6 MPa；，升溫至40 ℃開(kāi)始滴加丙烯酸、烯丙基聚乙二醇、馬來(lái)酸酐以及引發(fā)劑過(guò)硫酸銨混合溶液，4 h 滴完，再升溫至80 ℃，保持壓力恒定反應(yīng)4 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后卸壓冷卻，用40%的NaOH 溶液中和至pH為7，得到新型碳酸鹽阻垢劑，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 合成新型碳酸鹽阻垢劑的結(jié)構(gòu)式

1.3 防垢率評(píng)價(jià)

根據(jù)SY/T 5673—1993《油田用防垢劑性能評(píng)定方法》，計(jì)算阻垢劑對(duì)生產(chǎn)水的防垢率。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體用量對(duì)防垢率的影響

固定丙烯酸的用量為15.0 g，引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量為單體質(zhì)量的0.8%，考察XPEG-700、MAH、SAS的用量(分別以A,B,C表示)對(duì)防垢率的影響，采用正交試驗(yàn)方案，以碳酸垢防垢率為指標(biāo)，合成的阻垢劑加注濃度為30 mg/L，確定合適的單體配比。選用L9(33)正交表，表1和表2分別給出了因素水平、實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果。

表1 L9(33)正交試驗(yàn)因素水平

表2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

由表2可以看出，XPEG-700對(duì)碳酸鹽阻垢劑的效果影響最大，其次是SAS，MAH對(duì)碳酸鹽阻垢劑的效果影響最小。各因素影響趨勢(shì)見(jiàn)圖2～圖4，XPEG-700的最佳用量是7.0 g，這是因?yàn)閄PEG-700主要利用其空間位阻分散結(jié)垢分子，降低結(jié)垢反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)速率，當(dāng)XPEG-700加注量不足時(shí)，合成分子的空間位阻效應(yīng)不能得到有效發(fā)揮，但隨著XPEG-700用量繼續(xù)增加，會(huì)相對(duì)減少酸的百分含量，使合成產(chǎn)物中有活性電荷的羧基含量減少，電荷斥力作用減弱，抑制結(jié)垢效果降低；磺酸鹽中的強(qiáng)離子性基團(tuán)會(huì)對(duì)金屬離子的絡(luò)合吸附程度產(chǎn)生影響。當(dāng)磺酸鹽的加入量逐漸增加時(shí)，合成的阻垢劑分子對(duì)鈣、鎂等金屬離子的絡(luò)合吸附能力逐漸增強(qiáng)，防垢效率不斷提高，但是隨著磺酸鹽加入量的繼續(xù)增加，聚合到主鏈分子上的磺酸基團(tuán)達(dá)到飽和，未參加反應(yīng)的SAS就相當(dāng)于雜質(zhì)混在阻垢劑分子中，使相應(yīng)的有效組分減少，防垢能力變差；合成阻垢劑的防垢性能隨著MAH用量的增加而增加，當(dāng)MAH用量超過(guò)6.0 g時(shí)，可能會(huì)使合成的阻垢劑分子的分子量偏高，從而影響合成阻垢劑的防垢性能?？傊?，制備碳酸鹽阻垢劑的最佳單體配比為A2B2C2，即單體用量比為：m(AA)∶m(XPEG-700)∶m(MAH)∶m(SAS)=15.0∶7.0∶6.0∶6.0。

圖2 XPEG-700加入量對(duì)防垢率的影響

圖3 MAH加入量對(duì)防垢率的影響

圖4 SAS加入量對(duì)防垢率的影響

2.2 引發(fā)劑用量對(duì)防垢率的影響

引發(fā)劑的使用溫度以及用量會(huì)影響合成的聚合速率和分子量的分布，因此引發(fā)劑的用量會(huì)對(duì)聚合反應(yīng)產(chǎn)生重要影響[9]。在最佳反應(yīng)單體用量的情況下，研究了引發(fā)劑用量對(duì)碳酸垢防垢率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。結(jié)果表明，引發(fā)劑用量為0.8%時(shí)防垢率達(dá)到最大值，繼續(xù)增加或逐漸減少引發(fā)劑用量，防垢率逐漸減小。這是因?yàn)椋l(fā)劑用量少時(shí)合成的碳酸鹽阻垢劑分子量大，鏈段的運(yùn)動(dòng)能力較差，阻垢劑分子中極性基團(tuán)羧基和磺酸基對(duì)成垢陽(yáng)離子的螯合吸附能力減弱。當(dāng)引發(fā)劑的用量大于0.8%時(shí)，合成碳酸鹽阻垢劑的分子量過(guò)小，每個(gè)分子鏈上的極性基團(tuán)數(shù)量少，防垢劑分子的空間位阻效應(yīng)得不到充分發(fā)揮，防垢效果顯著降低。因此，引發(fā)劑過(guò)硫酸銨最佳用量為單體質(zhì)量的0.8%。

圖5 APS用量對(duì)防垢率的影響

2.3 碳酸鹽阻垢劑的紅外光譜分析

圖6 碳酸鹽阻垢劑的紅外光譜

3 碳酸鹽阻垢劑在回注水系統(tǒng)中的應(yīng)用

渤海某平臺(tái)個(gè)別單井管線結(jié)垢嚴(yán)重，根據(jù)垢樣分析, CaCO3為88%, MgCO3為7.5% ,NaCl為2%，F(xiàn)eCO3為0.5%,其他油垢為2%,確定該管線主要結(jié)垢類型為碳酸鈣垢與碳酸鎂垢。

造成油井管線結(jié)垢的主要原因是該平臺(tái)為注水開(kāi)發(fā)油田，注入水為生產(chǎn)水與水源井水按1∶1比例回注，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的水樣進(jìn)行離子成分分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。生產(chǎn)水中含有鈣鎂等成垢陽(yáng)離子，水源井水中含有大量的碳酸根等成垢陰離子，兩種水不配伍，混合后產(chǎn)生結(jié)垢。針對(duì)垢物成分與特點(diǎn)，決定使用研制新型碳酸鹽阻垢劑對(duì)該油井管線進(jìn)行阻垢治理。

表3 渤海某平臺(tái)生產(chǎn)水與水源井水分析結(jié)果

為考察新型碳酸鹽阻垢劑效果，在注水中加入不同濃度的阻垢劑，不同濃度下藥劑持續(xù)加注一周，考察加注阻垢劑前后產(chǎn)出水中鈣鎂等金屬離子含量的變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。隨著碳酸鹽阻垢劑加注濃度的增加，產(chǎn)出水中Ca2+與Mg2+含量逐漸增加，對(duì)應(yīng)的阻垢率也逐漸增加，當(dāng)阻垢劑的加注濃度不小25 mg/L時(shí)，CaCO3與MgCO3垢的阻垢率大于90%。碳酸鹽阻垢劑在現(xiàn)場(chǎng)使用后，油田回注水系統(tǒng)的結(jié)垢情況得到了很大的改善，保證了油田的安全生產(chǎn)。

表4 產(chǎn)出水中結(jié)垢離子濃度變化

4 結(jié)論

1)以丙烯酸，烯丙基聚乙二醇，馬來(lái)酸酐，烯丙基磺酸鈉為原料，過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，通過(guò)自由基水溶液共聚合成了新型碳酸鹽阻垢劑。

2)合成新型碳酸鹽阻垢劑的單體最佳配比為：m(AA)∶m(XPEG-700)∶m(MAH)∶m(SAS)=15.0∶7.0∶6.0∶6.0，引發(fā)劑用量占單體質(zhì)量的0.8%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，當(dāng)碳酸鹽阻垢劑的加注量不小于25 mg/L時(shí)，油田回注水系統(tǒng)的管線結(jié)垢情況得到有效控制。