油田用新型阻垢剂的研究和应用

杨红丽，杨珠普，严茹

（1.延安职业技术学院，陕西 延安 716000；2.中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司，河北 唐山 063000）

在油田开采阶段，地层水会大量溶解阴离子和阳离子，这些离子是导致结垢的重要原因。与此同时，油田开采还会改变原有的地层压力、温度和pH值，地下水原有化学稳定性也会因此受到影响。之后，地下水中的结晶沉淀会在化学反应下被析出，最终形成污垢，致使石油生产效率和质量大幅度下降。因此对油田用新型阻垢剂的研究和应用进行分析，其意义十分重大。

1 油田结垢的原因

在查阅相关资料后得知，碳酸盐、硫酸盐和有机垢是油田污垢的主要组成部分，其形成途径包括两种，分别为表面结晶以及大量结晶。在石油开采的过程中，地层水会对阴阳离子进行溶解，导致大量的污垢生成。除此之外，操作条件的改变，同样是污垢形成的原因。可以将油田结构的原因分为以下几种：1）油田水温和矿化程度的变化；2）注入水的离子组成是否与岩石离子生成交换反应；3）地质条件、矿物特征以及岩石种类；4）储油层的环境，这里所说的环境主要是化学和物理层面的环境。5）原油成分以及水的影响［1］。

2 阻垢剂的种类和未来发展趋势

通过上文分析可知，油垢产生的原因较多，而阻垢剂的应用，可以实现对油垢的预防。国内外学者也就此展开了研究，主要研究内容包括成垢预测模型、沉淀过程动力学和阻垢技术。在经过多年研究之后，对于阻垢剂的研究，取得了突破式的进展。研究学者认为，在溶液中成垢物质的关系，具有平衡性的特点，而阻垢剂在进入溶液后，会对成垢物质产生吸附力，以此来破坏污垢生长与溶解之间的平衡特性。

目前，环境保护已经成为了国内外油田阻垢剂的未来发展趋势，绿色阻垢剂的开发备受重视。20世纪30年代，天然产物是主要的阻垢剂，但应用表明，这种以天然物质为主的阻垢剂，在性能和组成上存在缺陷，阻垢效果也因此不尽如人意。而硫酸或盐酸的加入，可以在一定程度弥补天然产物的固有缺陷，继而增强阻垢效果，但效果依然有限。在经过一段时间的发展后，国内外学者对磷酸盐阻垢剂进行了研究，发现这种阻垢剂在应用过程中，容易生成难溶物。此类物质一旦生成，就会使阻垢剂的应用效果受到限制。20世纪60年代，石油工业的发展速度十分显著，在促进国家经济发展的同时，对环境造成了严重破坏。以环境保护为目标，开发环保型阻垢剂成为了世界各国的共识。在这一背景下，有机磷酸型阻垢剂成为了研发的新方向。进入70年代后，低分子质量聚丙烯酸的研发和应用，促进了阻垢剂的发展。20世纪90年代至今，磺酸基团特性被研究人员所利用，通过聚合物的引入，使阻垢剂在进入溶液后的分散速度加快，其性能显著提升。目前，PESA以及PASP等环境友好型阻垢剂的应用较为普遍［2］。

2.1 天然阻垢剂

在20世纪30年代，科学技术和经济实力不支持世界各国研究阻垢剂。在这一时期，天然物质成为了阻垢剂的最佳选择，究其原因，主要是天然物质具有无毒、应用成本低廉、降解难度低和容易获取的优势。但应用表明，这种阻垢剂由于组成和性能稳定性较差，故效果有限，在其他阻垢剂研制成功后，逐渐被淘汰。

2.2 含磷类阻垢剂

含磷类阻垢剂可以分为两种，一种是有机磷酸盐阻垢剂；另一种是含磷聚合物阻垢剂。有机磷酸盐阻垢剂的阻垢机理为降低晶体生长速度和促进晶格畸变。与天然阻垢剂相比，这种阻垢剂的组成和化学稳定性较强，且适用范围广，不易水解。基于这些优势，使其受到了国内外研究者的高度关注。

含磷聚合物阻垢剂属于聚合物，其组成部分包括无机次磷酸和其他有机单体。这些单体主要是磷酸亚基聚羧酸、聚磷基羧酸等。国内学者基于这种阻垢剂的优点，对其进行了合成，并命名为甲叉型磷酸钠阻垢剂。在油田污水中的试验应用结果表明，将其与增效剂和粘合剂相融合，所制备的固定阻垢剂，其阻垢率高达98%以上.除此之外，其他学者也对此类阻垢剂展开了研究，比如：国外学者研制的膦酰基酸阻垢剂，在油田污水中应用，可以抑制晶体的生长速度。国内学者张洪利等人合成的低磷水解马来酸酐阻垢剂，在添加量为4mg／L时，其静态阻垢率高达99%以上，且合成方法较为简单，应用均相催化方法即可。

2.3 聚合物阻垢剂

聚合物阻垢属于化学阻垢方法。国外学者基于衣康酸与乙烯基磺盐酸等化学物质，制备了阻垢剂MA-AA。这种阻垢剂在高温环境下的应用效果极为显著，在特定条件下的阻垢率为100%。

3 油田用新型阻垢剂的应用研究

3.1 油田用新型阻垢剂的研制背景

某油田位于我国南部地区，油田温度较高，碳酸盐垢是油田水主要的堵塞物。与此同时，堵塞物中还含有一定的腐蚀产物和泥沙。油田水温度最高可达70℃以上，且存在非常高的矿化程度。考虑到油田水垢物的类型和水温，项目部门在分析比较的基础上，通过合成的方式，制备了一种适用于高水温和高盐度条件的阻垢剂。应用表明，这种新型阻垢剂在处理硫酸钙垢和碳酸盐垢时，可以取得良好的效果。晶格畸变、络合增溶是其主要作用机理。

3.2 油田用新型阻垢剂的性能研究

1）研究方法。静态沉淀法是性能研究所采用的方法，通过这一方法的使用，对新型阻垢剂的应用性能进行科学合理的评价。实验人员将不同结垢类型作为依据，对油田水进行模拟，同时确保所模拟的油田水，在水质上存在差异，然后在这些油田水中添加新型阻垢剂，经过一段时间的放置后进行对比和检测。没有添加阻垢剂以及添加不同浓度阻垢剂的油田水是检测对象，而检测内容为结构离子的变化程度。阻垢剂阻垢率的计算，需要将检测结果作为依据。

2）新型阻垢剂的性能评价。首先，本次试验对比了新型阻垢剂和几种常用阻垢剂的性能，结果表明，在70℃及以上的高温条件下，新型阻垢剂的性能远远高于普通的阻垢剂，并且在药剂使用量上相对较少，在70℃的条件下，药剂使用量仅为30mg／L，在经过24h的阻垢后，其阻垢率为95%左右。

其次，实验对新型阻垢剂在不同温度条件下的阻垢性能进行了研究。实验表明，新型阻垢剂的阻垢性能，会随着温度的上升而下降，但应用效果依然显著，在80℃及以上的温度条件下，增加阻垢剂的用量，可以保证阻垢率的性能。以80℃温度条件为例，在温度为80℃的油田水中按照40mg／L的标准添加阻垢剂，其阻垢率高达90%以上。

再次，评价阻垢剂的热稳定性能。为保证评价结果的准确性，实验人员向容量为1L的泥浆罐中添加了200mL的新型阻垢剂，在经过去氧加压后，将其置于恒温干燥箱之中加热，加热温度为90℃，时长为24h，在加热结束后，取出等待其自然冷却，最后取样检测，评价新型阻垢剂的应用性能。

实验表明，新型阻垢剂在加热前其阻垢率为83.6%，在加热后阻垢率为83.5%其阻垢性能变化幅度较小，表明新型阻垢剂具有良好的耐热性能。

最后对新型阻垢剂的毒性进行评价。本次评价采取了实验的方式，实验内容由两部分构成，分别为小白鼠急性经口毒性实验以及家兔眼睛刺激性实验。结果表明，新型阻垢剂具有一定毒性和腐蚀性［3］。

3.3 新型阻垢剂的现场应用效果评价

为了对新型阻垢剂的现场应用效果进行准确评价，试验分别在两处油井内进行，现场应用试验的周期为1年。研究人员在分析结构物后得知，结构物由多个部分构成，主要包括油污、盐酸镁、碳酸钙、固体泥沙等等。

1）第一处油井的油压为3MPa，油井内的温度高达92℃，产水量为每日600m3。由于油井内设备应用时间较长，故油田水冷却系统和传输系统在近期发生了多起结垢和腐蚀现象，使油井排水、采油和油田水处理工作无法正常开展。为降低处理难度，油田企业每隔一个季度，都会应用化学清洗的方法进行除垢。

试验表明，在不应用阻垢剂的条件下，油田水的结构问题十分严重，沉垢量为104mg／L，在油田水传输阶段，平均沉垢量为26mg／L。在新型阻垢剂应用之后，油田水沉垢量大幅度下降，故应用效果较为显著。在除垢剂用量为12kg／d时，平均阻垢率为94.8%。在试验期间内，新型阻垢剂都表现出较为良好的性能，油田内部设备的运转效率也因此而提升，可以保证生产工作的正常进行。

2）第二处试验油井，与第一处油井相比，油田水结垢现象尤为严重。为观察阻垢效果，将可移动观察管段安装到结垢最为严重的管线处，其长度约为0.5m。不适用阻垢剂和应用新型阻垢剂的管道内部结垢情况，如图1和图2所示。

图1 未使用阻垢剂的管道内壁结垢情况

图2 应用新型阻垢剂的管道内部结垢情况

试验表明，如果不使用阻垢剂，则管道在运行半年后，其内壁结垢情况十分严重。在测量后得知，平均结垢厚度可达1.5cm，管道前端后末端，厚度甚至超过了2cm。而应用新型阻垢剂的管道，其表面十分光滑，无法通过肉眼观察到结垢情况。由此可见，新型阻垢剂的应用，可以取得良好的阻垢效果，在阻垢剂使用量为25mg／L时，阻垢率为91%，并且阻垢率会随着阻垢剂用量的增加而上升，最高阻垢率达到了99%。

此外，与目前常用阻垢剂相比，这种新型阻垢剂的用量和价格较为低廉。在阻垢率大致相同的情况下，新型阻垢剂的药剂成本仅为常用阻垢剂的50%。这里所说的常用阻垢剂是指UT2-3以及XH-4223［4］。

4 结论

综上所述，在新时期背景下，我国经济发展速度十分显著，对石油的用量也不断增加。为满足社会需求，我国石油企业在进口石油的同时，不断提高国内石油的产量。但产量的提升，却影响了油井设备的使用寿命。具体表现为结垢和腐蚀问题频繁出现，导致设备和管道受损，无法继续投入生产。为此，建议石油企业在开采石油的过程中，重视新型阻垢剂的使用。试验表明，这种新型阻垢剂具有良好的阻垢性能，适用于油田水输送管线、排水采油井站以及回注井站的油田水防垢，并且，新型阻垢剂的应用，可以降低阻垢成本，具有十分重要的应用价值。