油田用化学品和高分子聚合物助剂的发展

汪晓鹏

（甘肃省轻工研究院有限责任公司，甘肃兰州730000）

油田用助剂产品的种类多样，在油田开发过程中发挥了不可替代的作用。当今，油田用化学品占90%的是高分子聚合物，是油田工业中使用量最大和最普遍的。应用于石油勘探、钻采、集输和注水及水处理等工艺过程的各个环节，以保证和改善油田作业流体的性能。包括矿物产品、有机化工产品、天然材料、合成高分子材料等。按照来源分为天然高分子聚合物、天然改性聚合物、合成高分子聚合物和生物聚合物。随着我国对能源的需求不断增长，相应的油田助剂产业也在蓬勃发展，已经形成了一定的开发规模，对油田开发与油气运输起到了不可忽视的促进作用。随着科学技术的不断发展，新产品的开发已经提上了油田助剂产业的发展日程，尤其新型合成高分子聚合物材料、天然改性材料以及绿色环保材料和助剂的研发。因此，对助剂产品的开发与前景分析对油田助剂产业的进一步发展具有深远和现实的意义，现予叙述如下[1]。

1 钻井用化学品

主要包括钻井液和水泥外加剂两大类。目前钻井泥浆用化学品有18类、上千个商品牌号，水泥外加剂有11 类200 余种牌号。中国每年钻井一万多口，进尺约15000 k m，该类化学品无论在数量和品种，在油田上的应用已占化学品总量的60%以上，也是油田化学产业中发展最快、品种最多、水平最高、应用效果最好的一类油田化学品。

（1）钻井液化学品。主要有杀菌剂、缓蚀剂、除钙剂、消泡剂、乳化剂、降滤失剂、絮凝剂、起泡剂、堵漏剂、润滑剂、解卡剂、pH 控制剂、表面活性剂、页岩抑制剂、降黏剂、温度稳定剂、增黏剂、加重剂等。（2）水泥外加剂。主要有促凝剂、消泡剂、降滤失剂、减阻剂（分散剂）、防气窜剂、减轻外掺料、防漏外掺料、缓凝剂、增强剂、加重外掺料等。（3）其他。如增黏剂有重晶石、膨润土；降滤失剂有天然木质素磺酸盐、淀粉及其改性物、单宁等；增黏剂有纤维素类聚合物、瓜胶及其衍生物、生物聚合物、合成聚合物、表面活性剂等。

该类助剂是专用化学品和高分子聚合物，是钻井液和水泥浆用量最大者，仅合成高分子聚合物在我国钻井作业中年用量6 万吨以上。主要有①乙烯基单体多元共聚物。此类化学品在泥浆中主要起增黏、降虑失、流型改进和稳定井壁的作用，并且具有很好的抗高温（200 ℃）、抗饱和盐钙能力，现已广泛用于我国各个主要油田的钻井作业，年产量万吨以上。②阴离子聚合物系列产品。该类产品除含有—CONH2之外，还有不等量的—COONa、SO3Na，相对分子质量在30×104～500×104，对多分散的搬土胶体体系起到高分子护胶作用。在有大量Na+、Ca2+、Mg2+等无机离子存在之条件下，能有效维护搬土粒子的稳定性。该系列产品的抗温（约200 ℃）、抗盐能力强，故而特别适用于深井、超深井、石膏、盐岩和高矿化度的复杂情况下钻井作业，已在我国10 多个油田中应用，年用量达5000余吨，经济效益非常可观。③两性离子聚合物系列产品。该类产品是由多种阳离子、非离子和阴离子单体经共聚聚合而形成的水溶性高分子聚合物，因聚合物中单体种类、比例不同及工艺条件不同、共聚物的分子量也不同，故它们的理化性能及在泥浆中的应用作用各异。该系列产品具有良好的抗高温（180 ℃）、抗饱和盐钙能力和很强的抑制性，能有效防止底层伤害，保护油气层产能，已在我国16 个油田5000 多个井口应用。结果表明，该系列化学品已成功地用于直井、斜井、丛式井、深井、超深井（最深达5700 m）及淡水、盐水、饱和盐水、轻泥浆及重泥浆体系。与其他处理剂相比具有显著优势，采用该系列产品配制而成的钻井液钻探打井，一般井径扩大率降至4%～6%，平均机械钻井速度提高8%～30%，采油量提高20%，缩短完井周期5～30 d，取得了巨大的成效。其中，两性离子聚合物合成技术和产品，曾一度被评为国家科技进步奖。产品已出口印度、泰国和日本等东南亚国家。④阳离子聚合物产品。包括阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）和聚季铵盐聚合物产品，与非离子聚合物复配使用，形成阳离子泥浆体系。该体系具有强抑制性，适合强造浆、已坍塌井段使用，已在我国新疆油田勘探中取得了较好技术与经济效益。另外复合金属两性离子聚合物产品，其中正电胶（MMH）产品在水溶液中形成无机凝胶体系，具有很好的流变性能，复合金属两性离子聚合物系正电胶与两性离子聚合物的复合体，它兼具正电胶和两性离子聚合物的强抑制性和良好流变性能。为近年来新开发的一种新型钻井泥浆处理剂，在新疆、中原、大港等油田应用效果良好。

2 采油用化学品

采油用化学品分为酸化、压裂和采油用其他化学品。酸化法、压裂用化学品主要用于中低渗透层、裂缝性底层的改造，是当前扩大油气流通道孔道和提高油气井产量的必需品。酸化用化学品包括防淤渣剂、助排剂、乳化剂、防乳化剂、降滤失剂、起泡剂、缓速剂、稠化剂等。压力用化学品包含杀菌剂、助排剂、交联剂、黏土稳定剂、减阻剂、破胶剂、支撑剂、pH值控制剂和增黏剂等。主要品种有：①交联剂。三氯化铝、铬盐、锆盐、柠檬酸铝等；②成胶剂。一般为天然高分子聚合物如瓜尔胶及其衍生物、纤维素衍生物等，合成高分子有PAM、MPAM、AMP 等，还有生物聚合物。③表面活性剂。有发泡剂、乳化剂、防乳化剂等。④破胶剂。一般为过硫酸盐，过硫酸铵、过硫酸钾，联胺（肼）。⑤采油其它化学品。有解堵剂、黏土稳定剂、调剖剂、降凝剂、防沙剂和堵水剂等。采油用化学品与钻井用化学品相比，无论品种还是数量都较少，而且不配套。尚需进口方能满足需求。根据国内油田状况，低渗透油储藏资源丰富，储量达300000 万吨。急需开发“控水稳油”工程所需的堵水-调剖剂以提高产量，其中代表性化学品有：堵水调剖剂、酸胶束、压裂液用化学品。

3 油气集输用化学品

油气集输用化学品主要有缓蚀剂、破乳剂、乳化剂、流动改性剂、抑泡剂、减阻剂、天然气净化剂、水合物抑制剂、海面浮油清洁剂、管道清洗剂、防蜡剂、降凝剂、降黏剂等。我国油气集输用化学品的研发始于20 世纪60 年代，目前已有14 类，数百个产品。其中原油破乳剂用量最大，年需2 万吨。国内原油大多属于石蜡基原油，蜡含量大于10%的原油约占原油总产量的90%，石蜡多为不带支链的正构烷烃，蜡的碳原子数分布多为C13～C40。我国西部吐哈油田C36～C70的蜡占总量的50%。此类化学品的应用主要有：（1）原油破乳剂。中国原油有90%是靠注水开发的，原油大部分以乳化液（W/O 或O/W 型）的形式采出的，外输至炼厂前必须进行脱水处理。当前应用较多、效果不错的有环氧烷和环丙烷的嵌段聚醚类、酚醛树脂、多亚乙基多胺、烷基苯酚树脂非离子型；多元线型或体型聚合物；两离子聚合物及复配物等。年需要量2 万余吨。（2）原油清防蜡剂。常用清防蜡剂有水溶型、油溶性和乳液型。广泛应用于我国1.5 万口油井。（3）长输管线化学降凝降黏剂。中国1700 km的输油管线，其中90%原油通过管线输送至炼厂、码头，但前提是必须加热输送。添加降黏剂可节省大量燃料油，节能降耗，同时降低成本。

4 三次采油用化学品

三次采油用化学品包括碱剂、高温起泡剂、混溶剂、流度控制剂、牺牲剂、表面活性剂、助表面活性剂、增溶剂、薄膜扩链剂、稠化剂等。我国三次采油率的潜力很大，总计地质储量674000 万吨，按平均提高采收率12.4%计算，实施后可增加采储量84000 万吨。前景诱人。同时与之配套的化学品数量巨大，其中化合物367.6 万吨、表面活性剂1481.5 万吨、碱类11 万吨。在当下的技术和经济条件下，欲大规模工业化提高采收率。尤其要重点采用聚合物类，适合于聚合物驱地质储量436000 万吨，按平均提高采收率8.6%计算，实施后可增加采储量38000 万吨，约为目前中国年产油量的2.7 倍，则需聚合物224 万吨。因此，要加强提高高分子聚合物应用的研究。积极创新，不断探索开发聚合物和蒸汽驱技术、碱/表面活性剂/聚合物三元复合材料的研究与应用。另外，随着采油业的发展，化学品的需求也与日俱增。适用于三次采油和稠油开采的高分子聚合物及表面活性剂需求更大，聚合物约需5～6 万吨/年，表面活性剂约需10 万吨/年。

5 油田水处理化学品技术

油田水处理化学品主要有杀菌剂、缓蚀剂、黏土稳定、助滤剂、絮凝剂、浮选剂、除油剂、除氧剂、防垢剂、除垢剂等。当前，世界各国普遍采用注水开发，中国也不例外，有90%的石油开采用该技术，采出的油水乳化液经脱水后的净油，输往炼厂，污水要经过化学、物理和生物处理法，方能除去其中的微量油、机械杂质等有害物质并达标后再注回底层，以驱动石油开采。我国年需处理回注水高达10108 m3，需各种水处理剂6.33万吨，是油田开发非常重要的化学品之一。

6 油田用聚合物

当今，油田用化学品的90%是高分子聚合物材料。油田用聚合物已应用于石油钻井、采油、集输和水处理等各个环节和工程中。有效地保证了石油产业链的顺利完成。按来源可分为天然聚合物、天然改性聚合物、合成聚合物和生物聚合物。其中天然聚合物又包括淀粉、纤维素、木质素、植物胶以及一些天然矿物材料等；合成聚合物有聚丙烯酸（盐）、聚丙烯酰胺、含磺酸聚合物、丙烯酸与丙烯酰胺等单体或多元共聚物、聚乙烯醇（PVA）、酚醛树脂及磺酸盐、氨基树脂及磺酸盐、酮醛缩聚物及磺酸盐、聚醚胺、聚胺、聚季铵盐、聚乙烯吡咯烷酮等。按其在油田中的作用又可分为通用聚合物、钻井用、油气开采用、提高采油率、油气集输和油田水处理聚合物等[2]。

7 结语

目前，我国油田用化学品除少数仍需进口，国产油田化学品基本满足石油勘探和生产需求。随着石油工业战略布局的优化，以“稳定东部，发展西部”为指导的整体战略的实施，为油田化学品的研制、开发和应用提出了新课题。当前，我国老油田的储油量和产量占全国总量的90%左右，这类油田多进入高含水期，综合含水量在80%以上，油田采出量约占地质储量的35%，地下还残留65%左右。如何采取提高采收率（EOR）新技术和新方法使东部老油田继续稳产，是当前和今后及其迫切的任务。这也是研发化学驱油剂的动力，油田用化学品市场将更加广阔，预计年产值将达30 亿元左右。未来我国油田用化学品研发的主攻方向为钻井用、油气开采用、油气集输用、油田水处理、提高采收率等化学品。

尽管多年来取得长足的进步，但在品种数量、质量等方面与国外相比，仍然存在一定的差距。特别是压裂酸化用聚合物，驱油耐温抗盐型聚合物、高效水处理絮凝剂等有待提高。这为科研工作者提出了新的攻关课题和研发方向。油田用化学品总体的发展应朝着新型、高效、低污染和无污染、绿色化的目标迈进，例如，天然与合成高分子聚合物的改性以及生物聚合物的绿色化应用等。