油田用新型阻垢劑的研究和應(yīng)用

楊紅麗，楊珠普，嚴(yán)茹

（1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司，河北 唐山 063000）

在油田開采階段，地層水會(huì)大量溶解陰離子和陽(yáng)離子，這些離子是導(dǎo)致結(jié)垢的重要原因。與此同時(shí)，油田開采還會(huì)改變?cè)械牡貙訅毫Α囟群蚿H值，地下水原有化學(xué)穩(wěn)定性也會(huì)因此受到影響。之后，地下水中的結(jié)晶沉淀會(huì)在化學(xué)反應(yīng)下被析出，最終形成污垢，致使石油生產(chǎn)效率和質(zhì)量大幅度下降。因此對(duì)油田用新型阻垢劑的研究和應(yīng)用進(jìn)行分析，其意義十分重大。

1 油田結(jié)垢的原因

在查閱相關(guān)資料后得知，碳酸鹽、硫酸鹽和有機(jī)垢是油田污垢的主要組成部分，其形成途徑包括兩種，分別為表面結(jié)晶以及大量結(jié)晶。在石油開采的過(guò)程中，地層水會(huì)對(duì)陰陽(yáng)離子進(jìn)行溶解，導(dǎo)致大量的污垢生成。除此之外，操作條件的改變，同樣是污垢形成的原因?？梢詫⒂吞锝Y(jié)構(gòu)的原因分為以下幾種：1）油田水溫和礦化程度的變化；2）注入水的離子組成是否與巖石離子生成交換反應(yīng)；3）地質(zhì)條件、礦物特征以及巖石種類；4）儲(chǔ)油層的環(huán)境，這里所說(shuō)的環(huán)境主要是化學(xué)和物理層面的環(huán)境。5）原油成分以及水的影響［1］。

2 阻垢劑的種類和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)上文分析可知，油垢產(chǎn)生的原因較多，而阻垢劑的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油垢的預(yù)防。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也就此展開了研究，主要研究?jī)?nèi)容包括成垢預(yù)測(cè)模型、沉淀過(guò)程動(dòng)力學(xué)和阻垢技術(shù)。在經(jīng)過(guò)多年研究之后，對(duì)于阻垢劑的研究，取得了突破式的進(jìn)展。研究學(xué)者認(rèn)為，在溶液中成垢物質(zhì)的關(guān)系，具有平衡性的特點(diǎn)，而阻垢劑在進(jìn)入溶液后，會(huì)對(duì)成垢物質(zhì)產(chǎn)生吸附力，以此來(lái)破壞污垢生長(zhǎng)與溶解之間的平衡特性。

目前，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外油田阻垢劑的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，綠色阻垢劑的開發(fā)備受重視。20世紀(jì)30年代，天然產(chǎn)物是主要的阻垢劑，但應(yīng)用表明，這種以天然物質(zhì)為主的阻垢劑，在性能和組成上存在缺陷，阻垢效果也因此不盡如人意。而硫酸或鹽酸的加入，可以在一定程度彌補(bǔ)天然產(chǎn)物的固有缺陷，繼而增強(qiáng)阻垢效果，但效果依然有限。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磷酸鹽阻垢劑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種阻垢劑在應(yīng)用過(guò)程中，容易生成難溶物。此類物質(zhì)一旦生成，就會(huì)使阻垢劑的應(yīng)用效果受到限制。20世紀(jì)60年代，石油工業(yè)的發(fā)展速度十分顯著，在促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。以環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)，開發(fā)環(huán)保型阻垢劑成為了世界各國(guó)的共識(shí)。在這一背景下，有機(jī)磷酸型阻垢劑成為了研發(fā)的新方向。進(jìn)入70年代后，低分子質(zhì)量聚丙烯酸的研發(fā)和應(yīng)用，促進(jìn)了阻垢劑的發(fā)展。20世紀(jì)90年代至今，磺酸基團(tuán)特性被研究人員所利用，通過(guò)聚合物的引入，使阻垢劑在進(jìn)入溶液后的分散速度加快，其性能顯著提升。目前，PESA以及PASP等環(huán)境友好型阻垢劑的應(yīng)用較為普遍［2］。

2.1 天然阻垢劑

在20世紀(jì)30年代，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不支持世界各國(guó)研究阻垢劑。在這一時(shí)期，天然物質(zhì)成為了阻垢劑的最佳選擇，究其原因，主要是天然物質(zhì)具有無(wú)毒、應(yīng)用成本低廉、降解難度低和容易獲取的優(yōu)勢(shì)。但應(yīng)用表明，這種阻垢劑由于組成和性能穩(wěn)定性較差，故效果有限，在其他阻垢劑研制成功后，逐漸被淘汰。

2.2 含磷類阻垢劑

含磷類阻垢劑可以分為兩種，一種是有機(jī)磷酸鹽阻垢劑；另一種是含磷聚合物阻垢劑。有機(jī)磷酸鹽阻垢劑的阻垢機(jī)理為降低晶體生長(zhǎng)速度和促進(jìn)晶格畸變。與天然阻垢劑相比，這種阻垢劑的組成和化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，且適用范圍廣，不易水解?；谶@些優(yōu)勢(shì)，使其受到了國(guó)內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。

含磷聚合物阻垢劑屬于聚合物，其組成部分包括無(wú)機(jī)次磷酸和其他有機(jī)單體。這些單體主要是磷酸亞基聚羧酸、聚磷基羧酸等。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于這種阻垢劑的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了合成，并命名為甲叉型磷酸鈉阻垢劑。在油田污水中的試驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明，將其與增效劑和粘合劑相融合，所制備的固定阻垢劑，其阻垢率高達(dá)98%以上.除此之外，其他學(xué)者也對(duì)此類阻垢劑展開了研究，比如：國(guó)外學(xué)者研制的膦?；嶙韫竸?，在油田污水中應(yīng)用，可以抑制晶體的生長(zhǎng)速度。國(guó)內(nèi)學(xué)者張洪利等人合成的低磷水解馬來(lái)酸酐阻垢劑，在添加量為4mg／L時(shí)，其靜態(tài)阻垢率高達(dá)99%以上，且合成方法較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用均相催化方法即可。

2.3 聚合物阻垢劑

聚合物阻垢屬于化學(xué)阻垢方法。國(guó)外學(xué)者基于衣康酸與乙烯基磺鹽酸等化學(xué)物質(zhì)，制備了阻垢劑MA-AA。這種阻垢劑在高溫環(huán)境下的應(yīng)用效果極為顯著，在特定條件下的阻垢率為100%。

3 油田用新型阻垢劑的應(yīng)用研究

3.1 油田用新型阻垢劑的研制背景

某油田位于我國(guó)南部地區(qū)，油田溫度較高，碳酸鹽垢是油田水主要的堵塞物。與此同時(shí)，堵塞物中還含有一定的腐蝕產(chǎn)物和泥沙。油田水溫度最高可達(dá)70℃以上，且存在非常高的礦化程度?？紤]到油田水垢物的類型和水溫，項(xiàng)目部門在分析比較的基礎(chǔ)上，通過(guò)合成的方式，制備了一種適用于高水溫和高鹽度條件的阻垢劑。應(yīng)用表明，這種新型阻垢劑在處理硫酸鈣垢和碳酸鹽垢時(shí)，可以取得良好的效果。晶格畸變、絡(luò)合增溶是其主要作用機(jī)理。

3.2 油田用新型阻垢劑的性能研究

1）研究方法。靜態(tài)沉淀法是性能研究所采用的方法，通過(guò)這一方法的使用，對(duì)新型阻垢劑的應(yīng)用性能進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)人員將不同結(jié)垢類型作為依據(jù)，對(duì)油田水進(jìn)行模擬，同時(shí)確保所模擬的油田水，在水質(zhì)上存在差異，然后在這些油田水中添加新型阻垢劑，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放置后進(jìn)行對(duì)比和檢測(cè)。沒(méi)有添加阻垢劑以及添加不同濃度阻垢劑的油田水是檢測(cè)對(duì)象，而檢測(cè)內(nèi)容為結(jié)構(gòu)離子的變化程度。阻垢劑阻垢率的計(jì)算，需要將檢測(cè)結(jié)果作為依據(jù)。

2）新型阻垢劑的性能評(píng)價(jià)。首先，本次試驗(yàn)對(duì)比了新型阻垢劑和幾種常用阻垢劑的性能，結(jié)果表明，在70℃及以上的高溫條件下，新型阻垢劑的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的阻垢劑，并且在藥劑使用量上相對(duì)較少，在70℃的條件下，藥劑使用量?jī)H為30mg／L，在經(jīng)過(guò)24h的阻垢后，其阻垢率為95%左右。

其次，實(shí)驗(yàn)對(duì)新型阻垢劑在不同溫度條件下的阻垢性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明，新型阻垢劑的阻垢性能，會(huì)隨著溫度的上升而下降，但應(yīng)用效果依然顯著，在80℃及以上的溫度條件下，增加阻垢劑的用量，可以保證阻垢率的性能。以80℃溫度條件為例，在溫度為80℃的油田水中按照40mg／L的標(biāo)準(zhǔn)添加阻垢劑，其阻垢率高達(dá)90%以上。

再次，評(píng)價(jià)阻垢劑的熱穩(wěn)定性能。為保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)人員向容量為1L的泥漿罐中添加了200mL的新型阻垢劑，在經(jīng)過(guò)去氧加壓后，將其置于恒溫干燥箱之中加熱，加熱溫度為90℃，時(shí)長(zhǎng)為24h，在加熱結(jié)束后，取出等待其自然冷卻，最后取樣檢測(cè)，評(píng)價(jià)新型阻垢劑的應(yīng)用性能。

實(shí)驗(yàn)表明，新型阻垢劑在加熱前其阻垢率為83.6%，在加熱后阻垢率為83.5%其阻垢性能變化幅度較小，表明新型阻垢劑具有良好的耐熱性能。

最后對(duì)新型阻垢劑的毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次評(píng)價(jià)采取了實(shí)驗(yàn)的方式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由兩部分構(gòu)成，分別為小白鼠急性經(jīng)口毒性實(shí)驗(yàn)以及家兔眼睛刺激性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，新型阻垢劑具有一定毒性和腐蝕性［3］。

3.3 新型阻垢劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了對(duì)新型阻垢劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，試驗(yàn)分別在兩處油井內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)的周期為1年。研究人員在分析結(jié)構(gòu)物后得知，結(jié)構(gòu)物由多個(gè)部分構(gòu)成，主要包括油污、鹽酸鎂、碳酸鈣、固體泥沙等等。

1）第一處油井的油壓為3MPa，油井內(nèi)的溫度高達(dá)92℃，產(chǎn)水量為每日600m3。由于油井內(nèi)設(shè)備應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，故油田水冷卻系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)在近期發(fā)生了多起結(jié)垢和腐蝕現(xiàn)象，使油井排水、采油和油田水處理工作無(wú)法正常開展。為降低處理難度，油田企業(yè)每隔一個(gè)季度，都會(huì)應(yīng)用化學(xué)清洗的方法進(jìn)行除垢。

試驗(yàn)表明，在不應(yīng)用阻垢劑的條件下，油田水的結(jié)構(gòu)問(wèn)題十分嚴(yán)重，沉垢量為104mg／L，在油田水傳輸階段，平均沉垢量為26mg／L。在新型阻垢劑應(yīng)用之后，油田水沉垢量大幅度下降，故應(yīng)用效果較為顯著。在除垢劑用量為12kg／d時(shí)，平均阻垢率為94.8%。在試驗(yàn)期間內(nèi)，新型阻垢劑都表現(xiàn)出較為良好的性能，油田內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率也因此而提升，可以保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行。

2）第二處試驗(yàn)油井，與第一處油井相比，油田水結(jié)垢現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。為觀察阻垢效果，將可移動(dòng)觀察管段安裝到結(jié)垢最為嚴(yán)重的管線處，其長(zhǎng)度約為0.5m。不適用阻垢劑和應(yīng)用新型阻垢劑的管道內(nèi)部結(jié)垢情況，如圖1和圖2所示。

圖1 未使用阻垢劑的管道內(nèi)壁結(jié)垢情況

圖2 應(yīng)用新型阻垢劑的管道內(nèi)部結(jié)垢情況

試驗(yàn)表明，如果不使用阻垢劑，則管道在運(yùn)行半年后，其內(nèi)壁結(jié)垢情況十分嚴(yán)重。在測(cè)量后得知，平均結(jié)垢厚度可達(dá)1.5cm，管道前端后末端，厚度甚至超過(guò)了2cm。而應(yīng)用新型阻垢劑的管道，其表面十分光滑，無(wú)法通過(guò)肉眼觀察到結(jié)垢情況。由此可見，新型阻垢劑的應(yīng)用，可以取得良好的阻垢效果，在阻垢劑使用量為25mg／L時(shí)，阻垢率為91%，并且阻垢率會(huì)隨著阻垢劑用量的增加而上升，最高阻垢率達(dá)到了99%。

此外，與目前常用阻垢劑相比，這種新型阻垢劑的用量和價(jià)格較為低廉。在阻垢率大致相同的情況下，新型阻垢劑的藥劑成本僅為常用阻垢劑的50%。這里所說(shuō)的常用阻垢劑是指UT2-3以及XH-4223［4］。

4 結(jié)論

綜上所述，在新時(shí)期背景下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度十分顯著，對(duì)石油的用量也不斷增加。為滿足社會(huì)需求，我國(guó)石油企業(yè)在進(jìn)口石油的同時(shí)，不斷提高國(guó)內(nèi)石油的產(chǎn)量。但產(chǎn)量的提升，卻影響了油井設(shè)備的使用壽命。具體表現(xiàn)為結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備和管道受損，無(wú)法繼續(xù)投入生產(chǎn)。為此，建議石油企業(yè)在開采石油的過(guò)程中，重視新型阻垢劑的使用。試驗(yàn)表明，這種新型阻垢劑具有良好的阻垢性能，適用于油田水輸送管線、排水采油井站以及回注井站的油田水防垢，并且，新型阻垢劑的應(yīng)用，可以降低阻垢成本，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。