油田用新型阻垢劑的研究和應用

楊紅麗，楊珠普，嚴茹

（1.延安職業技術學院，陜西 延安 716000；2.中國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，地層水會大量溶解陰離子和陽離子，這些離子是導致結垢的重要原因。與此同時，油田開采還會改變原有的地層壓力、溫度和pH值，地下水原有化學穩定性也會因此受到影響。之后，地下水中的結晶沉淀會在化學反應下被析出，最終形成污垢，致使石油生產效率和質量大幅度下降。因此對油田用新型阻垢劑的研究和應用進行分析，其意義十分重大。

1 油田結垢的原因

在查閱相關資料后得知，碳酸鹽、硫酸鹽和有機垢是油田污垢的主要組成部分，其形成途徑包括兩種，分別為表面結晶以及大量結晶。在石油開采的過程中，地層水會對陰陽離子進行溶解，導致大量的污垢生成。除此之外，操作條件的改變，同樣是污垢形成的原因。可以將油田結構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；3）地質條件、礦物特征以及巖石種類；4）儲油層的環境，這里所說的環境主要是化學和物理層面的環境。5）原油成分以及水的影響［1］。

2 阻垢劑的種類和未來發展趨勢

通過上文分析可知，油垢產生的原因較多，而阻垢劑的應用，可以實現對油垢的預防。國內外學者也就此展開了研究，主要研究內容包括成垢預測模型、沉淀過程動力學和阻垢技術。在經過多年研究之后，對于阻垢劑的研究，取得了突破式的進展。研究學者認為，在溶液中成垢物質的關系，具有平衡性的特點，而阻垢劑在進入溶液后，會對成垢物質產生吸附力，以此來破壞污垢生長與溶解之間的平衡特性。

目前，環境保護已經成為了國內外油田阻垢劑的未來發展趨勢，綠色阻垢劑的開發備受重視。20世紀30年代，天然產物是主要的阻垢劑，但應用表明，這種以天然物質為主的阻垢劑，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天然產物的固有缺陷，繼而增強阻垢效果，但效果依然有限。在經過一段時間的發展后，國內外學者對磷酸鹽阻垢劑進行了研究，發現這種阻垢劑在應用過程中，容易生成難溶物。此類物質一旦生成，就會使阻垢劑的應用效果受到限制。20世紀60年代，石油工業的發展速度十分顯著，在促進國家經濟發展的同時，對環境造成了嚴重破壞。以環境保護為目標，開發環保型阻垢劑成為了世界各國的共識。在這一背景下，有機磷酸型阻垢劑成為了研發的新方向。進入70年代后，低分子質量聚丙烯酸的研發和應用，促進了阻垢劑的發展。20世紀90年代至今，磺酸基團特性被研究人員所利用，通過聚合物的引入，使阻垢劑在進入溶液后的分散速度加快，其性能顯著提升。目前，PESA以及PASP等環境友好型阻垢劑的應用較為普遍［2］。

2.1 天然阻垢劑

在20世紀30年代，科學技術和經濟實力不支持世界各國研究阻垢劑。在這一時期，天然物質成為了阻垢劑的最佳選擇，究其原因，主要是天然物質具有無毒、應用成本低廉、降解難度低和容易獲取的優勢。但應用表明，這種阻垢劑由于組成和性能穩定性較差，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，一種是有機磷酸鹽阻垢劑；另一種是含磷聚合物阻垢劑。有機磷酸鹽阻垢劑的阻垢機理為降低晶體生長速度和促進晶格畸變。與天然阻垢劑相比，這種阻垢劑的組成和化學穩定性較強，且適用范圍廣，不易水解。基于這些優勢，使其受到了國內外研究者的高度關注。

含磷聚合物阻垢劑屬于聚合物，其組成部分包括無機次磷酸和其他有機單體。這些單體主要是磷酸亞基聚羧酸、聚磷基羧酸等。國內學者基于這種阻垢劑的優點，對其進行了合成，并命名為甲叉型磷酸鈉阻垢劑。在油田污水中的試驗應用結果表明，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98%以上.除此之外，其他學者也對此類阻垢劑展開了研究，比如：國外學者研制的膦酰基酸阻垢劑，在油田污水中應用，可以抑制晶體的生長速度。國內學者張洪利等人合成的低磷水解馬來酸酐阻垢劑，在添加量為4mg／L時，其靜態阻垢率高達99%以上，且合成方法較為簡單，應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阻垢方法。國外學者基于衣康酸與乙烯基磺鹽酸等化學物質，制備了阻垢劑MA-AA。這種阻垢劑在高溫環境下的應用效果極為顯著，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

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

3.2 油田用新型阻垢劑的性能研究

1）研究方法。靜態沉淀法是性能研究所采用的方法，通過這一方法的使用，對新型阻垢劑的應用性能進行科學合理的評價。實驗人員將不同結垢類型作為依據，對油田水進行模擬，同時確保所模擬的油田水，在水質上存在差異，然后在這些油田水中添加新型阻垢劑，經過一段時間的放置后進行對比和檢測。沒有添加阻垢劑以及添加不同濃度阻垢劑的油田水是檢測對象，而檢測內容為結構離子的變化程度。阻垢劑阻垢率的計算，需要將檢測結果作為依據。

2）新型阻垢劑的性能評價。首先，本次試驗對比了新型阻垢劑和幾種常用阻垢劑的性能，結果表明，在70℃及以上的高溫條件下，新型阻垢劑的性能遠遠高于普通的阻垢劑，并且在藥劑使用量上相對較少，在70℃的條件下，藥劑使用量僅為30mg／L，在經過24h的阻垢后，其阻垢率為95%左右。

其次，實驗對新型阻垢劑在不同溫度條件下的阻垢性能進行了研究。實驗表明，新型阻垢劑的阻垢性能，會隨著溫度的上升而下降，但應用效果依然顯著，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的標準添加阻垢劑，其阻垢率高達90%以上。

再次，評價阻垢劑的熱穩定性能。為保證評價結果的準確性，實驗人員向容量為1L的泥漿罐中添加了200mL的新型阻垢劑，在經過去氧加壓后，將其置于恒溫干燥箱之中加熱，加熱溫度為90℃，時長為24h，在加熱結束后，取出等待其自然冷卻，最后取樣檢測，評價新型阻垢劑的應用性能。

實驗表明，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。

最后對新型阻垢劑的毒性進行評價。本次評價采取了實驗的方式，實驗內容由兩部分構成，分別為小白鼠急性經口毒性實驗以及家兔眼睛刺激性實驗。結果表明，新型阻垢劑具有一定毒性和腐蝕性［3］。

3.3 新型阻垢劑的現場應用效果評價

為了對新型阻垢劑的現場應用效果進行準確評價，試驗分別在兩處油井內進行，現場應用試驗的周期為1年。研究人員在分析結構物后得知，結構物由多個部分構成，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，油井內的溫度高達92℃，產水量為每日600m3。由于油井內設備應用時間較長，故油田水冷卻系統和傳輸系統在近期發生了多起結垢和腐蝕現象，使油井排水、采油和油田水處理工作無法正常開展。為降低處理難度，油田企業每隔一個季度，都會應用化學清洗的方法進行除垢。

試驗表明，在不應用阻垢劑的條件下，油田水的結構問題十分嚴重，沉垢量為104mg／L，在油田水傳輸階段，平均沉垢量為26mg／L。在新型阻垢劑應用之后，油田水沉垢量大幅度下降，故應用效果較為顯著。在除垢劑用量為12kg／d時，平均阻垢率為94.8%。在試驗期間內，新型阻垢劑都表現出較為良好的性能，油田內部設備的運轉效率也因此而提升，可以保證生產工作的正常進行。

2）第二處試驗油井，與第一處油井相比，油田水結垢現象尤為嚴重。為觀察阻垢效果，將可移動觀察管段安裝到結垢最為嚴重的管線處，其長度約為0.5m。不適用阻垢劑和應用新型阻垢劑的管道內部結垢情況，如圖1和圖2所示。

圖1 未使用阻垢劑的管道內壁結垢情況

圖2 應用新型阻垢劑的管道內部結垢情況

試驗表明，如果不使用阻垢劑，則管道在運行半年后，其內壁結垢情況十分嚴重。在測量后得知，平均結垢厚度可達1.5cm，管道前端后末端，厚度甚至超過了2cm。而應用新型阻垢劑的管道，其表面十分光滑，無法通過肉眼觀察到結垢情況。由此可見，新型阻垢劑的應用，可以取得良好的阻垢效果，在阻垢劑使用量為25mg／L時，阻垢率為91%，并且阻垢率會隨著阻垢劑用量的增加而上升，最高阻垢率達到了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%。這里所說的常用阻垢劑是指UT2-3以及XH-4223［4］。

4 結論

綜上所述，在新時期背景下，我國經濟發展速度十分顯著，對石油的用量也不斷增加。為滿足社會需求，我國石油企業在進口石油的同時，不斷提高國內石油的產量。但產量的提升，卻影響了油井設備的使用壽命。具體表現為結垢和腐蝕問題頻繁出現，導致設備和管道受損，無法繼續投入生產。為此，建議石油企業在開采石油的過程中，重視新型阻垢劑的使用。試驗表明，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，新型阻垢劑的應用，可以降低阻垢成本，具有十分重要的應用價值。