油田水阻垢剂的阻垢机理及其研究进展

16杭州化工2009年3月2009.39（1）

油田水阻垢剂的阻垢机理及其研究进展

姚培正，包秀萍，郭丽梅，刘敏

（天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津300457）

摘要：油田水垢组成复杂，除传统的钙、镁外，钡、锶成分也较突出。针对阻垢剂的阻垢机理以及阻

垢剂的发展情况，笔者在传统单剂基础上，以有机膦酸盐阻垢剂2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBT-

CA）：羟基亚乙基二磷酸（HEDP）=1：2复配，对CaCO3产生了最佳的阻垢效果。将马来酸（MA）、醋酸

乙烯酯（VC）、丙烯酸甲酯（MAC）在引发剂的作用下与有机膦酸盐类阻垢剂复配，合成防钡锶垢的阻垢剂DY-2，加药量50mg/L，其阻垢率达99.5%。绿色阻垢剂PASP和PESA的阻垢效果也较明显。关键词：油田水垢；阻垢剂；阻垢机理；应用油田开发到中后期，注水量增加，原油含水成分也由单一变为复杂，原油处理条件也变得更为苛刻。水中除CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4垢外，还有FeS、MgCO3、MgSO4、Mg（OH）2、Ca3（PO4）2、

—

＝

＝

—

OH

—

OH

—

量增多，水质日益复杂，原油质量变重变差，垢的

—CH—C—N—CH—CH2—C—N——

CH2

O＝C—O

M2+

O—C＝O

CH2

——

O＝C—O—M2+

—

O—C＝O

SiO2等垢，设备和管线的结垢问题日益突出，已

严重影响装置的正常操作和企业的经济效益，结垢严重时还会造成管道或设备的堵塞，迫使停产除垢，这不仅缩短了装置的运行周期，还可能给装置的安全生产带来隐患［1］。因此，设备和管线的结垢问题已成为影响装置安全、平稳、长周期、满负荷生产运行的一大瓶颈，研究能够有效防止或减轻结垢的阻垢剂，对油田正常生产具有重要意义。

图1

＝

HOHO

PASP与金属离子螯合作用示意图

度大于一定值后，这种阻垢作用的增加就不明显了。阈值效应是阻垢效果的宏观表现，一定程度上反映了阻垢机理。从动力学角度讲，晶体生长的台阶化理论认为，晶体生长是通过比较少量的活性生长点的发展进行的，这些少量的活性生长点就是晶格的扭折位置，因此，只要在少量活性生长点部位吸附了阻垢剂，垢的小晶体就难以继续生长［4，5］。

1阻垢剂的阻垢机理

目前阻垢剂的作用机理归纳起来主要有以下

几种。

1.1螯合增溶作用

这类具有螯合作用的阻垢剂化合物分子中有

1.3晶格畸变作用

当水中产生结垢物的微小晶核时，阻垢剂会

两个或多个配位键，极易与水中的成垢阳离子

吸附在晶体的界面上，或掺杂在晶格的点阵当中，使得晶体不能严格按照晶格排列正常成长，晶体发生畸变，晶格扭曲，晶粒之间的聚集困难（如图2所示）。因此这些晶格畸变晶体所形成的沉积物，难以形成致密而牢固的垢层，以结构疏松的软垢形式存在，易被水流冲走，从而防止其沉积成硬垢［6］。

Ca2+、Mg2+等形成稳定的可溶性螯合物（如图1所

示），从而提高了水中Ca2+、Mg2+离子的允许浓度，相对来说就增大了钙、镁盐的溶解度［2，3］。

1.2阈值效应（ThresholdEffect）

阈值效应又称低剂量效应或溶限效应，即低

剂量的阻垢剂就有很好的阻垢效果。当阻垢剂浓

：＝

—

—N—C—CH2—CH—N—C—CH—

第1期

姚培正，等：油田水阻垢剂的阻垢机理及其研究进展

17

CaCO3

CaCO3

CaCO3CaCO3

CaCO3

CaCO3CaCO3

CaCO3

入，阻垢剂发展由无机到有机至聚合物，从含磷到无磷环境友好型。表1所示为阻垢剂的发展状况。

表1

类别

名称

常用阻垢剂

备注

CaCO3

图2PASP使CaCO3晶格畸变示意图

1.4分散作用

阴离子型或非离子型的聚合物吸附在水中结

垢物的晶粒上面，改变晶粒表面原来的电荷状况，使这些微晶体带上相同的电荷，利用静电斥力阻碍微晶体间相互接触或碰撞而长大、沉积（如图

3所示）；或者是聚合物大分子将微晶体吸附在

其中，把有成垢可能的晶粒“包裹”起来，避免它聚集和沉积。这些成垢晶粒能稳定地处在分散状态，随水流动，从而避免了沉积成垢。

无机聚磷三聚磷酸钠和六偏磷水解生成正磷酸盐酸盐酸钠垢，促进菌藻的生长，

单剂已被取代，现多为复合磷酸盐

有机膦酸2-膦酸丁烷-1，2，4-三具有良好的化学稳定（盐）、聚羧酸、羟基二乙基二膦性，不易水解，能耐较羧酸类酸、聚丙烯酸、聚马来高的水温及高碱度

酸等

聚合物膦基聚丙烯酸、膦基聚羧酸类与其他含有不阻垢剂马来酸、丙烯酸/丙烯酸同官能团的单体或含

甲酯等二元共聚物，丙磷化合物共聚，丰富烯酸/丙烯酸羟丙酯/丙了阻垢剂品种，促进烯酸甲酯、丙烯酸/丙烯了有机膦酸（盐）共聚酰胺甲基丙烷/次磷酸物的发展等三元共聚物

绿色阻聚天冬氨酸和聚环氧取代含磷阻垢剂，可垢剂琥珀酸以生物降解，对环境

无害

2.1有机膦酸（盐）阻垢剂

有机膦酸盐是指磷原子直接与碳原子相连，

膦酸中的C-P键牢固，因此有较高的化学稳定性

和热稳定性，在高温、高pH值条件下也难水解，无毒或低毒，常用的有羟基亚乙基二磷酸（HEDP）、氨基三甲叉膦酸（ATMP）、2-膦酸丁烷-分散剂（荷负电）

微粒电负性增加排斥分开

1，2，4-三羧酸（PBTCA）、乙二胺四亚甲基膦酸

（EDTMP）等。

有机膦酸与聚磷酸盐一样也有阈值效应，即

图3分散作用示意图

1.5再生—自解脱膜假说

聚丙烯酸类阻垢剂能在金属传热面上形成一

1L水中只需投加几毫克的有机膦酸就可以阻止

几百毫克的碳酸钙发生沉淀，其阻垢性能比聚磷酸盐要好。有机膦酸是阴极型缓蚀剂，又是一类非化学计量阻垢剂，具有明显的溶限效应；当它与其它水处理剂复配使用时，又表现出理想的协同效应；对许多金属离子（如Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+等）都具有优异的鳌合能力，甚至对这些金属的无机盐如硫酸钙、碳酸钙、硅酸镁等也有较好的去活化作用［7］。

种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜，当这种膜增加到一定厚度后，在传热面上破裂，并带一定大小的垢层离开传热面。由于这种膜的不断形成和破裂，使垢层的生长受到抑制。

1.6双电层作用

阻垢剂在晶核生长附近的扩散边界层内富

集，形成双电层并阻碍成垢离子或分子簇在金属表面的聚结。而且，阻垢剂与晶核（或垢质分子簇）之间的结合是不稳定的。

2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA）同时具

有磷酸基和羧基，对碳酸钙晶种表面具有吸附作用，这种吸附作用符合Langmuir等温吸附特征。碳酸钙晶体对PBTCA的吸附属于单分子化学吸附，PBTCA吸附于晶种表面的活性生长点，从而

2阻垢剂的发展状况

随着科学技术的发展，对结垢机理研究的深

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抑制了碳酸钙的结晶生长［8］。熊金平对2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸（PBTCA）、多元醇膦酸酯（PC-

为单体，在90℃条件下进行聚合，制得了丙烯酸（AA）-烯丙基磺酸钠（SAS）共聚物阻垢剂，在使用浓度大于12mg/L时，对Ca3（PO4）2阻垢率可达99%。

将马来酸酐（MA）、醋酸乙烯酯（VC）、丙烯酸甲酯（MAC）在引发剂的作用下与有机膦酸盐类阻垢剂配合，合成阻钡锶垢的阻垢剂DY-2。在加药浓度 …… 此处隐藏：8232字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……