正交試驗(yàn)法分析含磷阻垢劑吸附量的影響因素

任坤峰，舒福昌，羅 剛，王 珊，林科雄，郭 慶

（1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州 434000；3.中海油研究總院，北京 100027）

為了解決注入水與地層水的不相溶問題，常在注水系統(tǒng)投加化學(xué)防垢劑。采用向井下連續(xù)或間歇擠注化學(xué)防垢劑的方法可阻止油井結(jié)垢，即將防垢劑溶液注入地層，利用防垢劑的吸附或與地層中某些物質(zhì)的反應(yīng)，使防垢劑吸附在巖石表面或沉積在孔隙中。油井生產(chǎn)時(shí)，防垢劑緩慢溶解或脫附進(jìn)入產(chǎn)出液而起到防垢的作用[1]。

井下擠注防垢技術(shù)的關(guān)鍵在于防垢劑的優(yōu)選。要使擠注防垢有效期較長，則首先要求防垢劑在地層中有較好的吸附性能[2]?？梢酝ㄟ^靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)對防垢劑的吸附性能進(jìn)行研究。并采用正交試驗(yàn)方法來評估地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)時(shí)間對阻垢劑吸附量大小的影響，可以減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，達(dá)到較好的試驗(yàn)結(jié)果。

1 含磷阻垢劑吸附量評價(jià)方法

1.1 水中微量含磷阻垢劑濃度測定原理

在酸性溶液中以及室溫下，有機(jī)膦酸鹽防垢劑被硫酸鈰銨氧化成正磷酸，反應(yīng)式如下：

根據(jù)這一反應(yīng)，取一定量含有有機(jī)膦酸鹽防垢劑的水樣，加入過量的硫酸鈰銨，使之與有機(jī)膦酸鹽防垢劑反應(yīng)，多余的硫酸鈰銨用亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定[3]，反應(yīng)式為：

以亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積（mL），求得水樣中有機(jī)膦酸鹽防垢劑的含量。

1.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)方法

（1）用3 %KCl 鹽水配制一定濃度（500 mg/L）的防垢劑溶液待用。

（2）準(zhǔn)備過20～40 目、40～60 目、60～80 目篩的地層礦物（蒙脫石、高嶺石、石英石）。

（3）按一定液固比=10：1 的比例將防垢劑溶液和固體混合于錐形瓶中，并搖勻。

（4）將錐形瓶置于恒溫水浴鍋中保溫，到預(yù)定時(shí)間t 時(shí)，從上部液相中取樣品，采用硫酸鈰銨氧化法測量溶液中未被吸附的防垢劑濃度，用下式計(jì)算t 時(shí)刻防垢劑的吸附量[4]：

式中：Γt-防垢劑的表觀吸附量，mg/g；C0、C-地層礦物吸附前后液相中的防垢劑濃度，mg/L；v-吸附體系中的液相體積，mL；m-地層礦物的質(zhì)量，g。

（5）在其他條件一定的情況下，改變溫度、時(shí)間，考察溫度和時(shí)間對吸附性能的影響。

2 試驗(yàn)和結(jié)果

2.1 正交試驗(yàn)方法的應(yīng)用

為了研究影響阻垢劑吸附量大小的各因素之間的關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)藥品。通常，試驗(yàn)要覆蓋全部的因素組合，即采用全面試驗(yàn)法，但如果使用的因素?cái)?shù)目變多，因素的水平數(shù)目也變多時(shí)，試驗(yàn)量就會相應(yīng)變大[5]。例如本試驗(yàn)的試驗(yàn)因素為4 個，因素的水平數(shù)目為3 個，如果采用全面試驗(yàn)法，就需要進(jìn)行34=81 次試驗(yàn)。因此，要把所有的試驗(yàn)都做完就會非常不容易。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過方差分析和SN 比來找出試驗(yàn)的較好試驗(yàn)條件。在試驗(yàn)中，以地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間作為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)條件（見表1）。試驗(yàn)采用4 個因素，分別為地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間，每個試驗(yàn)因素采用3 個水平（見表2）。因此采用L9（34）正交試驗(yàn)表（見表3）。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每次試驗(yàn)完成后清洗儀器并重新配置樣品，并在吸附試驗(yàn)后的溶液中取5 個樣品，測量剩余阻垢劑濃度，計(jì)算出吸附量大小，然后取其平均值。

表1 試驗(yàn)條件

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 試驗(yàn)分析和結(jié)果討論

根據(jù)上述步驟進(jìn)行了試驗(yàn)后，測量并計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算SN 比，并以SN 比為指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表3 中列出了計(jì)算出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先，通過直觀分析法來看，由表3 中各號試驗(yàn)的Γt 值可以看出第9 號試驗(yàn)的Γt值最小，為0.13，對應(yīng)的試驗(yàn)條件為A3B3C2D1；并且由極差的計(jì)算結(jié)果可知R1＞R4＞R3＞R2，所以，地層礦物類型，即因素A 是最主要的，其次是試驗(yàn)時(shí)間（因素D）、試驗(yàn)溫度（因素C），而礦物顆粒大小（因素B）影響最小，因此在試驗(yàn)中應(yīng)選擇石英石來做吸附量大小的試驗(yàn)結(jié)果作為主要參考對象。

表4 方差分析表

其次，以SN 比為指標(biāo)，進(jìn)行方差分析，用方差分析來分析試驗(yàn)，將上述數(shù)據(jù)整理成方差分析表（見表4）。試驗(yàn)沒有空列，因?yàn)?0.005 最小，所以將作為誤差平方和，方差分析表明，只有因素A 也就是地層礦物類型對吸附量的影響是顯著的。并且表明，在此試驗(yàn)中，礦物顆粒大小是對吸附量的影響最小的因素，其他3 個因素則對吸附量均有較大的影響，但是，地層礦物類型是3 個因素中對吸附量的影響最大的因素。對于顯著因素A，其最優(yōu)的水平為A3，對其余因素也選取最優(yōu)水平，則由表3 可知，最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為A3B3C2D1，也就是地層礦物類型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗(yàn)溫度為80 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為5 h，這與直觀分析法的判讀結(jié)果是一致的。并結(jié)合實(shí)際考慮，目標(biāo)油田地層礦物組分中石英石含量是最大的，并且儲層溫度在80 ℃～100 ℃范圍內(nèi)，所以選擇由正交試驗(yàn)法得出的最優(yōu)試驗(yàn)方案來進(jìn)行阻垢劑的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，并能夠達(dá)到相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3 結(jié)論

（1）含磷阻垢劑在地層中的吸附量大小對阻垢劑的阻垢效果有較大的影響，通過正交試驗(yàn)法優(yōu)選出了最佳試驗(yàn)方案，并通過靜態(tài)吸附量實(shí)驗(yàn)評價(jià)了含磷阻垢劑的吸附性能。

（2）在4 個實(shí)驗(yàn)因素中，地層礦物類型對吸附量影響最大，礦物顆粒大小對吸附量影響最小。

（3）最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案組合為A3B3C2D1，也就是地層礦物類型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗(yàn)溫度為80 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為5 h。

（4）采用正交試驗(yàn)法和靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)評價(jià)阻垢劑吸附量，可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，并能能夠達(dá)到相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

［1］ 夏小春，莫成孝，王同友.國外防垢劑擠注工藝研究進(jìn)展［J］.油田化學(xué)，2009，（3）：338-343.

［2］ 閆方平，任韶然，樊澤霞，等.井下擠注用防垢劑的選擇與實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法［J］.石油與天然氣化工，2007，（6）：495-499.

［3］ 王銀山，申蕙云，孫永剛，等.油田采出水中微量含磷防垢劑的測定［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，（1）：149-150.

［4］ 左景欒，任韶然，于洪敏，等.防垢劑吸附性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油與天然氣化工，2008，（2）：145-148.

［5］ 李艷玲，范艷花，陶偌偈.SPSS16_0 軟件在化學(xué)正交試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.探索實(shí)踐，2011，（6）：17-19.