正交试验法分析含磷阻垢剂吸附量的影响因素

任坤峰，舒福昌，罗 刚，王 珊，林科雄，郭 庆

（1.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023；2.荆州市汉科新技术研究所，湖北荆州 434000；3.中海油研究总院，北京 100027）

为了解决注入水与地层水的不相溶问题，常在注水系统投加化学防垢剂。采用向井下连续或间歇挤注化学防垢剂的方法可阻止油井结垢，即将防垢剂溶液注入地层，利用防垢剂的吸附或与地层中某些物质的反应，使防垢剂吸附在岩石表面或沉积在孔隙中。油井生产时，防垢剂缓慢溶解或脱附进入产出液而起到防垢的作用[1]。

井下挤注防垢技术的关键在于防垢剂的优选。要使挤注防垢有效期较长，则首先要求防垢剂在地层中有较好的吸附性能[2]。可以通过静态吸附实验对防垢剂的吸附性能进行研究。并采用正交试验方法来评估地层矿物种类、矿物颗粒大小、试验温度、试验时间对阻垢剂吸附量大小的影响，可以减少不必要的试验次数，达到较好的试验结果。

1 含磷阻垢剂吸附量评价方法

1.1 水中微量含磷阻垢剂浓度测定原理

在酸性溶液中以及室温下，有机膦酸盐防垢剂被硫酸铈铵氧化成正磷酸，反应式如下：

根据这一反应，取一定量含有有机膦酸盐防垢剂的水样，加入过量的硫酸铈铵，使之与有机膦酸盐防垢剂反应，多余的硫酸铈铵用亚铁标准溶液滴定[3]，反应式为：

以亚铁标准溶液消耗的体积（mL），求得水样中有机膦酸盐防垢剂的含量。

1.2 静态吸附实验方法

（1）用3 %KCl 盐水配制一定浓度（500 mg/L）的防垢剂溶液待用。

（2）准备过20～40 目、40～60 目、60～80 目筛的地层矿物（蒙脱石、高岭石、石英石）。

（3）按一定液固比=10：1 的比例将防垢剂溶液和固体混合于锥形瓶中，并摇匀。

（4）将锥形瓶置于恒温水浴锅中保温，到预定时间t 时，从上部液相中取样品，采用硫酸铈铵氧化法测量溶液中未被吸附的防垢剂浓度，用下式计算t 时刻防垢剂的吸附量[4]：

式中：Γt-防垢剂的表观吸附量，mg/g；C0、C-地层矿物吸附前后液相中的防垢剂浓度，mg/L；v-吸附体系中的液相体积，mL；m-地层矿物的质量，g。

（5）在其他条件一定的情况下，改变温度、时间，考察温度和时间对吸附性能的影响。

2 试验和结果

2.1 正交试验方法的应用

为了研究影响阻垢剂吸附量大小的各因素之间的关系，利用实验室现有试验仪器和试验药品。通常，试验要覆盖全部的因素组合，即采用全面试验法，但如果使用的因素数目变多，因素的水平数目也变多时，试验量就会相应变大[5]。例如本试验的试验因素为4 个，因素的水平数目为3 个，如果采用全面试验法，就需要进行34=81 次试验。因此，要把所有的试验都做完就会非常不容易。为了减少试验次数，采用正交方法设计试验，通过方差分析和SN 比来找出试验的较好试验条件。在试验中，以地层矿物种类、矿物颗粒大小、试验温度和试验时间作为试验因素进行试验。

2.2 试验部分

试验条件（见表1）。试验采用4 个因素，分别为地层矿物种类、矿物颗粒大小、试验温度和试验时间，每个试验因素采用3 个水平（见表2）。因此采用L9（34）正交试验表（见表3）。为了确保试验结果的准确性，在每次试验完成后清洗仪器并重新配置样品，并在吸附试验后的溶液中取5 个样品，测量剩余阻垢剂浓度，计算出吸附量大小，然后取其平均值。

表1 试验条件

表2 因素水平表

表3 正交试验表及试验数据

2.3 试验分析和结果讨论

根据上述步骤进行了试验后，测量并计算数据，计算SN 比，并以SN 比为指标进行统计分析，表3 中列出了计算出的试验数据。首先，通过直观分析法来看，由表3 中各号试验的Γt 值可以看出第9 号试验的Γt值最小，为0.13，对应的试验条件为A3B3C2D1；并且由极差的计算结果可知R1＞R4＞R3＞R2，所以，地层矿物类型，即因素A 是最主要的，其次是试验时间（因素D）、试验温度（因素C），而矿物颗粒大小（因素B）影响最小，因此在试验中应选择石英石来做吸附量大小的试验结果作为主要参考对象。

表4 方差分析表

其次，以SN 比为指标，进行方差分析，用方差分析来分析试验，将上述数据整理成方差分析表（见表4）。试验没有空列，因为=0.005 最小，所以将作为误差平方和，方差分析表明，只有因素A 也就是地层矿物类型对吸附量的影响是显著的。并且表明，在此试验中，矿物颗粒大小是对吸附量的影响最小的因素，其他3 个因素则对吸附量均有较大的影响，但是，地层矿物类型是3 个因素中对吸附量的影响最大的因素。对于显著因素A，其最优的水平为A3，对其余因素也选取最优水平，则由表3 可知，最优的试验设计方案为A3B3C2D1，也就是地层矿物类型为石英石，矿物颗粒大小为60～80 目，试验温度为80 ℃，试验时间为5 h，这与直观分析法的判读结果是一致的。并结合实际考虑，目标油田地层矿物组分中石英石含量是最大的，并且储层温度在80 ℃～100 ℃范围内，所以选择由正交试验法得出的最优试验方案来进行阻垢剂的静态吸附实验，可以节省试验时间，节约试验成本，并能够达到相应的试验目的。

3 结论

（1）含磷阻垢剂在地层中的吸附量大小对阻垢剂的阻垢效果有较大的影响，通过正交试验法优选出了最佳试验方案，并通过静态吸附量实验评价了含磷阻垢剂的吸附性能。

（2）在4 个实验因素中，地层矿物类型对吸附量影响最大，矿物颗粒大小对吸附量影响最小。

（3）最优的试验设计方案组合为A3B3C2D1，也就是地层矿物类型为石英石，矿物颗粒大小为60～80 目，试验温度为80 ℃，试验时间为5 h。

（4）采用正交试验法和静态吸附实验评价阻垢剂吸附量，可以节省试验时间，节约试验成本，并能能够达到相应的试验目的。

［1］ 夏小春，莫成孝，王同友.国外防垢剂挤注工艺研究进展［J］.油田化学，2009，（3）：338-343.

［2］ 闫方平，任韶然，樊泽霞，等.井下挤注用防垢剂的选择与实验评价方法［J］.石油与天然气化工，2007，（6）：495-499.

［3］ 王银山，申蕙云，孙永刚，等.油田采出水中微量含磷防垢剂的测定［J］.石油天然气学报，2012，（1）：149-150.

［4］ 左景栾，任韶然，于洪敏，等.防垢剂吸附性能实验研究［J］.石油与天然气化工，2008，（2）：145-148.

［5］ 李艳玲，范艳花，陶偌偈.SPSS16_0 软件在化学正交试验中的应用［J］.探索实践，2011，（6）：17-19.