一种新型防垢剂的合成及评价

2022-09-11

油田注水开发生产过程中, 注入水以及开采层位中的生产水中可能含有大量的钙镁离子和碳酸根、碳酸氢根以及硫酸根等离子。由于注入水和生产水的配伍性, 以及生产过程中温度、压力等条件的变化, 钙镁离子很可能和一些阴离子反应生成难容的盐类沉淀, 在近井地带、井筒以及地面集输系统形成结垢现象, 造成产能的下降以及后续的结垢腐蚀问题。

本实验应用NH4Cl、甲醛溶液、PCl3、Na OH溶液、双氧水合成了氮氧基三亚甲基膦酸[3], 用于防止油田生产中的结垢问题, 室内性能评价指标均远远优于防垢剂ATMP。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

仪器:四口烧瓶, 恒温水浴, 电动搅拌器, 冷凝管, 加热器, 滴液漏斗, 温度计, 红外光谱仪, 动态岩心驱替装置, 自动取样器, ICP仪器, 分析天平。

材料:NH4Cl, 甲醛溶液, PCl3, 40%Na OH溶液, 双氧水。

1.2 实验方法

以氯化铵、甲醛、三氯化磷为主要原料合成新型防垢剂的反应为Mannich反应类型[4]。其反应原理的第一步是三氯化磷水解生成亚磷酸, 再把亚磷酸看作一般参与Mannich反应的含有C-H活泼氢化物的磷化物, 最终合成ATMP。反应方程式见式 (1-1) 和 (1-2) :

作者简介:李明, 男, 助工, 生于1983年, 2011年毕业于中国石油大学 (华东) 油气井工程专业, 现从事水平井修井完井研究工作。

在恒温水浴中, 将ATMP晶体加入到三口烧瓶中, 再加入蒸馏水, 然后用质量分数40%的Na OH调节溶液p H;冷却至室温后缓慢滴加H2O2搅拌;滴加完毕后升温, 反应一定时间即得氮氧基三亚甲基膦酸溶液;将产物趁热倒入已预热的无水乙醇溶液中, 搅拌后静置, 溶液冷却后底层出现白色晶体, 抽滤后得到氮氧基三亚甲基膦酸晶体。

2 结果与讨论

2.1 氮氧基三亚甲基膦酸合成条件讨论

2.1.1 p H值对产物静态防垢率的影响

实验结果表明, 在p H=9时产物的防垢效果最好, 可能是由于ATMP在p H为9的条件下反应活性最大。

2.1.2 反应时间对产物静态防垢率的影响

反应时间为3h时防垢效果较好, 静态防垢率达到86.72%。当时间少于3h时, 反应时间不充足, 原材料的转化程度低, 合成的有效物质含量不高, 所以静态防垢率不高;当反应时间多于3h时, 合成的有效物质部分活性变差, 产生杂质, 所以防垢效果降低。

2.1.3 反应温度对产物静态防垢率的影响

60℃时静态防垢率最高。温度低, 反应速度慢, 因此在终止反应时其生成的有效物质含量低;温度过高, 破坏已生成的有效物质结构, 致使活性降低, 防垢效果变差。

2.1.4 物料配比对产物静态防垢率的影响

当氨基三亚甲基膦酸:H2O2=1:2.5时, 防垢效果最好, 静态防垢率达到了90.27%。

综合考虑以上因素, 确定氮氧基三亚甲基膦酸的最佳合成条件 (测试浓度均为20mg/L) :反应温度为60℃, p H值为9, 氨基三亚甲基膦酸:H2O2=1:2.5, 反应时间为3h。

2.2 合成产物的性能评价

ATMP (记为物质A) 和氮氧基三亚甲基膦酸 (记为物质B) 均以其提纯抽滤后固体粉末状态进行以下实验研究, 实验所用模拟地层水注入水为SL油田现场取样。

2.2.1 动态最低有效防垢浓度 (MIC) 实验的结果与分析

空白结垢时间为57分钟, 相同的结垢时间物质B比A的MIC值更低。

2.2.2 防垢剂动态吸附实验结果与分析

由物质A和B最佳吸附-解吸实验的实验浓度采用105mg/L, 由实验数据可以看出, 物质A有效返排体积为370PV时, 而物质B在返排体积为425PV时浓度则保持在20mg/L左右, 此值仍高于该防垢剂的最低有效浓度 (15mg/L) 。因此, 由该实验可知物质B比A有较好的吸附-解吸性能, 可在岩心中长时间滞留, 获得较长的使用寿命。