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油田硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理及防垢技術(shù)研究進(jìn)展

文檔作者：馬文杰，唐禮強(qiáng)，蒲彬文檔來源：成都齊達(dá)水處理工程股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2023年08月15日
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2016年5月馬文杰等．油田硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理及防垢技術(shù)研究進(jìn)展5 1
油田硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理及防垢技術(shù)研究進(jìn)展
馬文杰，唐禮強(qiáng)，蒲彬
(成都齊達(dá)水處理工程股份有限公司，成都610000)
摘要總結(jié)了在油氣田開發(fā)中硫酸鋇的結(jié)垢機(jī)理及其影響因素；介紹了化學(xué)、物理和工藝技術(shù)
對(duì)硫酸鋇垢的防治。重點(diǎn)綜述了高性能阻垢劑的研制和改變宏觀和微觀形態(tài)的阻垢劑的特殊性
能，論述了超聲波和納濾膜技術(shù)防硫酸鋇垢的機(jī)理和應(yīng)用，對(duì)硫酸鋇防垢技術(shù)的發(fā)展作了展望。
關(guān)鍵詞硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理防垢阻垢劑油田
油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，注水采油(SOR)技
術(shù)的應(yīng)用使油田進(jìn)入高含水期，同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的
結(jié)垢問題¨‘2 J。在地層、井筒、設(shè)備和地面系統(tǒng)等
中會(huì)發(fā)生結(jié)垢，從而堵塞油氣孔隙和通道，造成滲
透率降低，油氣產(chǎn)量減少，能耗增大和產(chǎn)生垢下腐
蝕，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)"‘4 J。
油田結(jié)垢類型有碳酸鹽垢(CaCO，)、硫酸鹽
垢(CaSO。，BaSO。，SrSO。)和鐵垢等，且相互問形
成混合垢∞J。對(duì)碳酸鈣和硫酸鈣垢的防垢技術(shù)
較成熟，且可采用酸化工藝除碳酸鹽垢∞J。硫酸
鋇垢不溶于酸，其質(zhì)地堅(jiān)硬，在油田上，很難清
除_7|。防硫酸鋇垢成為采油技術(shù)研究的重點(diǎn)，其
防垢技術(shù)主要分為化學(xué)、物理和工藝防垢。
1硫酸鋇的結(jié)垢機(jī)理和影響因素
1．1硫酸鋇的結(jié)垢機(jī)理
通過對(duì)硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理的研究，硫酸鋇結(jié)垢的
主要原因是：化學(xué)不相容性(流體的不配伍性)和
熱力學(xué)不穩(wěn)定性舊j。化學(xué)不相容性是造成硫酸鋇
結(jié)垢的最主要原因：當(dāng)注入水中含大量s諺一時(shí)，與
地層水中Ba2+相遇易產(chǎn)生BaSO。垢一J。其結(jié)垢過
程：Ba2+和so：一過飽和溶液，形成BaSO。晶體，產(chǎn)
生BaSO。沉淀；由于硫酸鋇具有極低的溶度積，且
產(chǎn)生沉淀的速度快于其他類型的垢¨0。11 J。由熱力
學(xué)不穩(wěn)定造成的結(jié)垢，是由于溫度、壓力、pH、鹽含
量等影響因素的改變，打破原有的BaSO。在水中溶
解平衡而造成沉淀物析出¨引。
出現(xiàn)復(fù)雜BaSO。混合垢的形成原因是通過
吸附與吸留作用：在靜電力作用下，選擇性的吸附
垢晶離子，且離子價(jià)數(shù)越高越易被吸附，導(dǎo)致多種
結(jié)垢離子出現(xiàn)共沉積；在沉淀過程中，在吸留作用
下，新的沉積物進(jìn)入原來沉淀的晶體中，形成更復(fù)
雜的混合垢¨“。
1．2影響硫酸鋇結(jié)垢因素
通過研究發(fā)現(xiàn)，鹽含量對(duì)硫酸鋇的溶解度影
響大，在鹽效應(yīng)作用下，當(dāng)NaCl含量增大，Ba2+與
SO：一相互間吸引力減弱，BaSO。溶解度增大，增
大到一定值后不再增加；溫度增加，BaSO。溶解度
增大，但增大幅度較??；壓力和pH對(duì)BaS04結(jié)垢
的影響很，J、114 3。
根據(jù)油田硫酸鋇結(jié)垢因素，建立了數(shù)學(xué)模型
預(yù)測(cè)其結(jié)垢趨勢(shì)，如化學(xué)一力學(xué)模型和硫酸鋇沉
積模型預(yù)測(cè)硫酸鋇的沉積及流動(dòng)特性和在地層的
多項(xiàng)流動(dòng)中Ba2+和SO；一的擴(kuò)散，對(duì)地層的傷
害¨卜16J。雖然這些模型還不能準(zhǔn)確反映硫酸鋇
在地層中結(jié)垢的真實(shí)性，但對(duì)于油田防垢還具有
一定的指導(dǎo)意義。
通過硫酸鋇結(jié)垢機(jī)理和影響因素的研究及分
析了很多油田的不同部位的垢樣，發(fā)現(xiàn)硫酸鋇結(jié)
垢主要集中在地層．尤其在注水井近井地帶內(nèi)結(jié)
垢嚴(yán)重，及集輸系統(tǒng)內(nèi)結(jié)垢。
2化學(xué)防硫酸鋇垢
化學(xué)防垢是通過加入阻垢劑，利用其絡(luò)合增
溶作用、分散作用、晶格畸變作用阻止垢的形成和
沉積，是油田常用防垢技術(shù)¨7|。在化學(xué)防垢技術(shù)
方面，目前主要是研制和合成性能優(yōu)越和特殊性
能的阻垢劑。
2．1研制和合成的阻垢劑
在阻垢劑研制和合成中，多數(shù)是聚合物阻垢
劑，其次綠色阻垢劑及水溶性單體阻垢劑。
2．1．1聚合物阻垢劑
針對(duì)硫酸鋇的阻垢劑，除一些有機(jī)膦(如
收稿日期：2015～10—13。
作者簡介：馬文杰，工程師，碩士，從事工業(yè)水處理和油田化
學(xué)方面的研究。52
精細(xì)石油化工進(jìn)展
ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS 第17卷第3期
PBTCA，DTPMP等)外，以聚合物類阻垢劑為主，
其以丙烯酸(AA)或馬來酸酐(MA)為主要原料，
與含其他官能團(tuán)的單體(如含磺酸基、酯基、酰胺
基等)共聚而成。由于多官能團(tuán)的作用，提高了
共聚物阻垢劑的阻垢性能及抗鹽性、抗溫性等。
目前阻硫酸鋇垢的共聚物有：以馬來酸酐
(MA)、甲基丙烯酸(MAA)、丙烯磺酸鈉(SAS)為
原料，其物質(zhì)的量比1．0：0．8：0．1，1％引發(fā)劑過
硫酸銨，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20．48％，反應(yīng)溫度80℃，
反應(yīng)時(shí)間5 h，合成了阻垢劑MMS；在標(biāo)準(zhǔn)條件
下，MMS濃度200 mg／L時(shí)，對(duì)硫酸鋇的最高阻垢
率達(dá)99％，且具有較好的抗溫性和抗鹽性¨81。
以MA、丙烯酰胺(AM)、2一丙烯酰胺一2一
甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸羥丙酯(HPA)為原
料，其質(zhì)量比為12：6：4：3，引發(fā)劑過硫酸銨為單
體總質(zhì)量的14．5％，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時(shí)間
4 h，反應(yīng)完成后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為7～8，合
成了MA—AM—AMPS—HPA阻垢劑；在標(biāo)準(zhǔn)條
件下，該阻垢劑用量40 mg／L，對(duì)硫酸鋇的最高阻
垢率達(dá)99％；且在高pH下具有較好的阻垢效果
和抗鹽性¨引。
以MAA、2一(Ⅳ，J7v一二亞甲基羧基)胺甲基一
丙烯酰胺基二乙酸(MOPBG)、AMPS為原料，其物
質(zhì)的量比為3：2：1，反應(yīng)溫度為75℃，引發(fā)劑硫酸
銨為單體總質(zhì)量的8％一10％，保溫時(shí)間3 h，合成
了MAA—MOPBG—AMPS阻垢劑；由于MOPBG含
4個(gè)羧基，其用量20 mg／L，對(duì)硫酸鋇的阻垢率達(dá)
97％；且具有很好的抗溫性和抗鹽性㈣j。
以MA、AA、乙烯酸乙酯(VAC)、AMPS為原
料，其物質(zhì)的量比為4：2：l：0．04，引發(fā)劑過硫酸
銨為單體總質(zhì)量的5％，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時(shí)
間5 h，合成了阻垢劑TR一2；該阻垢劑適用于高
Ba2+的環(huán)境，當(dāng)應(yīng)用在模擬油田注水過程中，用量
350 mg／L，對(duì)硫酸鋇的阻垢率80％以上；該阻垢
劑具有很好的抗溫性和抗鹽性舊1|。
以MA、AA、HPA為原料，其單體的配比為
1：0．4：0．6，引發(fā)劑過氧化氫為單體總質(zhì)量的
14％，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，合成了
MA—AA—HPA的阻垢劑；該阻垢劑在加量為
30 mg／L時(shí)，對(duì)Ba¨為370 mg／L的水質(zhì)，阻垢率
達(dá)100％，具有很好的阻硫酸鋇垢的效果悼2I。
聚合物類阻垢劑種類較多，且隨著各種功能
單體的開發(fā)，豐富了聚合物阻垢劑的多樣性。
2．1．2綠色阻垢劑
隨著對(duì)環(huán)保要求的增加，綠色阻垢劑聚環(huán)氧
琥珀酸(PESA)和聚天冬氨酸(PASP)成為研究的
熱點(diǎn)，PESA與PASP不僅具有很好的阻硫酸鋇垢
性能，且還具有一定的緩蝕性和生物降。解
性心3-24]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PESA的阻硫酸鋇垢性
能優(yōu)于PASPⅢJ。PESA相對(duì)分子質(zhì)量為1 100—
1 266時(shí)，能很好的阻止油田污水中Ba2+沉積為
硫酸鋇垢ⅢJ。
由于油田的復(fù)雜性，及生物對(duì)PESA和PASP
的降解作用，導(dǎo)致其阻垢性能變差，對(duì)其進(jìn)行改
性。目前其改性后對(duì)阻硫酸鋇垢的效果不明顯，
如ESA與SAS共聚后，對(duì)阻硫酸鋇垢的性能欠
佳【2 7|；但對(duì)綠色阻垢劑的改性會(huì)成為阻垢劑的發(fā)
展方向。
2．1．3水溶性單體阻垢劑
通過親核取代代替聚合反應(yīng)，合成了水溶性
單體阻垢劑；如以多乙烯多胺和氯乙酸鈉為原料，
其物質(zhì)的量比為4：1，水為溶劑，反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)
為60％，反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h，合
成了MCC阻垢劑；該阻垢劑是通過羧基對(duì)Ba2+
進(jìn)行螯合作用，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，用量為150 mg／L，
阻垢率為86．4％；該阻垢劑具有較好的抗鹽性，
抗溫性稍差舊引。
在阻垢劑的應(yīng)用過程中，采用將兩種或多種
阻垢劑復(fù)配后應(yīng)用，達(dá)到很好的阻垢效果，如
PEAS與PBTCA復(fù)配或與含多官能團(tuán)的共聚物復(fù)
配等。
2．2特殊性能的阻垢劑
研究了改變商品化阻垢劑的宏觀和微觀形
態(tài)，使其產(chǎn)生最優(yōu)化的效果，及提高對(duì)一些特殊地
層的適應(yīng)性。
2．2．1改變宏觀形態(tài)阻垢劑
通過改變商品化阻垢劑的外部形態(tài)實(shí)現(xiàn)阻垢
效果的優(yōu)化。研究了改變聚合物阻垢劑的結(jié)構(gòu)：
如將共聚物(AA—AM—AMPS)與交聯(lián)劑Ⅳ，J7v’一
亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)合成了聚丙烯酸類樹
脂，在Ba2+形成垢鹽前，該樹脂的立體結(jié)構(gòu)能吸
附Ba2+在其表面和活性基上，減少溶液中Ba2+，
從而起到很好的防垢效果舊J。
改變阻垢劑的狀態(tài)：將傳統(tǒng)的液體型變?yōu)楣?
體型阻垢劑，即一種或多種硫酸鋇阻垢劑通過助
劑、黏合劑(如聚乙烯醇)的作用后，膠結(jié)黏合固

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