擠注用多功能阻垢劑的篩選及其吸附性能研究

黃茗

(中石化勝利油田分公司臨盤采油廠，山東 臨邑 251500)

陳麗

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

韓煒，石秀慧

(中石化勝利油田分公司臨盤采油廠，山東 臨邑 251500)

楊歡，尹先清

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

近年來，隨著商河油田注水開發(fā)的逐步深入，采出液的含水量逐年增加，部分區(qū)塊采出液水體結垢、堵塞等各種問題日益嚴重，直接影響著油田生產的穩(wěn)定及高效運行。關于結垢機理問題，國內外眾多學者進行了大量相關研究。Cheong等[1]研究了碳酸鈣垢黏附性/結晶的過程。Lin等[2]研究了清除硫酸鈣垢的影響因素。Gryta[3]指出堿結垢對設備的影響。Oleg[4]推導出硫酸鈣表面結晶時的表面成核動力學機理。現(xiàn)場上有多種阻垢技術，其中井下擠注防垢技術是近年來興起的一種新防垢技術。左景欒等[5]分析了油井結垢特點、垢的組成和結垢機理，提出了采取化學防垢和擠注防垢劑的可行措施，在純梁油田樊41塊應用效果良好。筆者針對商河油田的生產實際，進行井下擠注防垢技術的研究，該技術的應用將會有效解決井筒結垢導致采油設備損壞的問題，確保油田正常開采，提高油田開發(fā)的經(jīng)濟效益。

1 試驗部分

1.1 試驗藥品

圖1 動態(tài)環(huán)路試驗裝置圖

羥基亞乙基二膦酸四鈉(HEDP-4Na，國藥集團)；羥基乙叉二膦酸(HEDP，國藥集團)；乙二胺四甲叉膦酸鈉(EDTMPS，國藥集團)；2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTCA，國藥集團)；多元共聚物與羥基乙叉二膦酸按質量比1∶1復配(AMH-HP，荊州埃科)。

1.2 試驗儀器

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀ICP(HK-9600，北京華科天成科技有限公司)；自制動態(tài)環(huán)路試驗儀(圖1)。

1.3 試驗方法

1.3.1靜態(tài)吸附試驗

試驗采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定磷含量。試驗步驟如下：①分別配制0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25mg/L磷標準溶液，用ICP測定其對應的發(fā)射強度，并繪制出擬合的標準曲線；②用待測定的阻垢劑浸泡巖屑3h，每隔30min抽取濾液，用離心機離心，然后過濾，用硝化液硝化阻垢劑溶液直至有機膦完全轉化為無機磷；③取硝化后的阻垢劑溶液1mL，緩慢加入5mL鹽酸，用蒸餾水定容至50mL。用ICP測定其發(fā)射強度，再由曲線方程計算出含磷質量濃度，最后得出吸附量。

1.3.2動態(tài)吸附/解吸試驗

先用填砂管制作人造巖心(?38mm× 300mm)，將篩選出的阻垢劑溶液注入人造巖心中，注入過程中隨時測量排出液體中阻垢劑的質量濃度。當阻垢劑在巖心中吸附量達到飽和時(質量濃度不再變化)，停止注入。

分別向巖心中注入質量分數(shù)為3%的NaCl和質量分數(shù)為2%的KCl混合溶液進行預處理；然后注入不同質量濃度(3000、5000、8000mg/L)的阻垢劑溶液，恒溫24h；再用質量分數(shù)為3%的NaCl和質量分數(shù)為2%KCl的混合溶液正向驅替，流速均為10PV/h(PV為孔隙體積倍數(shù))。隔一定時間取樣，檢測流出液體中阻垢劑的質量濃度，并記錄累計流出體積。繪制防垢劑質量濃度與累計流出體積的關系曲線，觀察阻垢劑在巖心中的吸附與解吸情況。

1.3.3動態(tài)環(huán)路試驗

為了更接近儲層實際條件，進行了動態(tài)環(huán)路試驗，驗證阻垢劑的最低有效質量濃度值(即加入阻垢劑后結垢時間為不加阻垢劑結垢時間的3～5倍時所對應的阻垢劑質量濃度)[6,7]。

2 阻垢率的測定

表1 不同質量濃度下阻垢劑的防垢率

選取HEDP-4Na、HEDP、EDTMPS、PBTCA、AMH-HP等5種阻垢劑，測定其防垢率，結果如表1所示。5種不同阻垢劑在質量濃度為50mg/L時防垢效果最好，其中AMH-HP的防垢率達到了96.30%；在相同質量濃度下，不同種類的阻垢劑也可能有相同的防垢效果，如EDTMPS、HEDP在質量濃度為50mg/L時防垢率相近。

3 阻垢劑的優(yōu)選

3.1 靜態(tài)吸附

用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測未知濃度阻垢劑的發(fā)射強度，將其代入擬合曲線，從而計算出阻垢劑的質量濃度[8]。將吸附后的阻垢劑質量濃度與吸附前的進行比較，判斷阻垢劑的吸附效果，篩選出效果最好的阻垢劑。阻垢劑吸附量與時間的關系曲線如圖2所示。阻垢劑吸附量隨著時間的增加而增加，在3h之后吸附量基本保持不變，同時在接近吸附平衡時AMH-HP吸附量最大，吸附效果最好。

3.2 動態(tài)吸附

3.2.1阻垢劑的質量濃度

注入質量濃度分別為3000、5000、8000mg/L的AMH-HP阻垢劑溶液，記錄阻垢劑排出質量濃度與注入時間關系，試驗結果如圖3所示。在注入質量濃度下為3000mg/L時，阻垢劑的排出質量濃度明顯低于注入質量濃度為5000mg/L和8000mg/L。而當注入質量濃度為5000mg/L和8000mg/L時，排出質量濃度相差不大。考慮到經(jīng)濟因素，阻垢劑的注入質量濃度為5000mg/L最佳。

圖2 靜態(tài)吸附時不同種類阻垢劑吸附量 圖3 動態(tài)吸附時不同注入質量濃度下阻垢劑 與時間的關系 排出質量濃度與注入時間關系

3.2.2阻垢劑的注入時間

記錄阻垢劑注入質量濃度為5000mg/L時的排出質量濃度與注入時間，試驗結果如圖4所示。HEDP、HEDP-4Na和AMH-HP在試驗時間約80min時巖心中吸附量均達到飽和，不再吸附；EDTMPS和PBTCA在60min時就達到吸附飽和。對比HEDP、HEDP-4Na和AMH-HP，阻垢劑AMH-HP的飽和吸附量最大，吸附效果最佳。

3.2.3阻垢劑的注入體積

向巖心中注入不同孔隙體積倍數(shù)的阻垢劑(質量濃度為5000mg/L)，圖5為阻垢劑排出質量濃度與孔隙體積倍數(shù)的關系曲線。注入約3.0PV的EDTMPS、PBTCA溶液時，巖心中阻垢劑的排出質量濃度達到最大；注入約4.0PV的HEDP-4Na、HEDP、AMH-HP溶液時，巖心中阻垢劑的排出質量濃度達到最大。EDTMPS、PBTCA的排出質量濃度大于HEDP-4Na、HEDP、AMH-HP阻垢劑的排出質量濃度。AMH-HP排出質量濃度最小，說明AMH-HP吸附量大于HEDP-4Na和HEDP，通過吸附量的計算可知，AMH-HP的飽和吸附量最大，吸附效果最佳。

3.2.4阻垢劑吸附量

根據(jù)阻垢劑排出質量濃度與注入時間關系，通過計算得出阻垢劑吸附量與注入時間的關系曲線，如圖6所示。阻垢劑在進入地層中初期吸附速率較快，隨著時間的推移，吸附速率下降，吸附量基本保持不變。大約在注入60min后，HEDP和EDTMPS最先達到吸附平衡。AMH-HP、HEDP-4Na、PBTCA在注入80min后達到吸附平衡。AMH-HP的平衡吸附量最大，吸附效果最佳。

3.3 動態(tài)解吸

在吸附試驗達到飽和后，繼續(xù)注入清水，通過巖心驅替試驗，實時檢測排出溶液中阻垢劑的質量濃度，研究阻垢劑的解吸性能[9,10]。試驗結果如圖7所示。開始解吸時阻垢劑的質量濃度下降速度很快，后期逐漸趨于穩(wěn)定，阻垢劑擠注壽命主要體現(xiàn)在阻垢劑返排曲線的后半段。該段的斜率越小，表示阻垢劑擠注壽命越長，反之則表示阻垢劑擠注壽命較短。當解吸時間相同時(以注水時間3h為例)，PBTCA的質量濃度基本接近于0mg/L；HEDP、EDTMPS、HEDP-4Na的質量濃度均低于500mg/L；而AMH-HP的質量濃度約為600mg/L，高于500mg/L，且曲線斜率最小。因此AMH-HP的擠注壽命最長。

圖4 動態(tài)吸附時不同種類阻垢劑排出質量濃度 圖5 靜態(tài)吸附時不同種類阻垢劑排出質量濃度 與注入時間關系 與孔隙體積倍數(shù)關系

圖6 動態(tài)吸附時不同種類阻垢劑吸附量 圖7 動態(tài)解吸時不同種類阻垢劑排出質量濃度 與時間關系曲線 與注入時間的關系

圖8 不同種類阻垢劑質量濃度與結垢時間關系曲線

3.4 動態(tài)環(huán)路試驗測定MIC值

動態(tài)最低有效質量濃度(MIC)試驗結果如圖 8所示。阻垢劑質量濃度在5～20mg/L時，都可以有效地延長結垢時間。質量濃度為10mg/L時5種阻垢劑均滿足MIC值的要求。AMH-HP質量濃度為10mg/L時，結垢時間大約為170min，其阻垢效果明顯優(yōu)于其他4種阻垢劑。當結垢時間相同時(以結垢時間150min時為例)，AMH-HP的質量濃度約為8mg/L，而其他4種阻垢劑的質量濃度均大于10mg/L，故AMH-HP的經(jīng)濟性最好。

4 結論

1)篩選出5種阻垢率較高的阻垢劑，研究了該5種阻垢劑的靜態(tài)吸附量和動態(tài)吸附/解吸性等性能，試驗結果表明AMH-HP具有較好的防垢效果。

2)動態(tài)環(huán)路試驗測定阻垢劑的最低有效質量濃度。在相同的抑制結垢時間內，AMH-HP所需加入的質量濃度最低，經(jīng)濟效益最好。