正交試驗法分析含磷阻垢劑吸附量的影響因素

任坤峰，舒福昌，羅 剛，王 珊，林科雄，郭 慶

（1.長江大學化學與環境工程學院，湖北荊州 434023；2.荊州市漢科新技術研究所，湖北荊州 434000；3.中海油研究總院，北京 100027）

為了解決注入水與地層水的不相溶問題，常在注水系統投加化學防垢劑。采用向井下連續或間歇擠注化學防垢劑的方法可阻止油井結垢，即將防垢劑溶液注入地層，利用防垢劑的吸附或與地層中某些物質的反應，使防垢劑吸附在巖石表面或沉積在孔隙中。油井生產時，防垢劑緩慢溶解或脫附進入產出液而起到防垢的作用[1]。

井下擠注防垢技術的關鍵在于防垢劑的優選。要使擠注防垢有效期較長，則首先要求防垢劑在地層中有較好的吸附性能[2]。可以通過靜態吸附實驗對防垢劑的吸附性能進行研究。并采用正交試驗方法來評估地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗溫度、試驗時間對阻垢劑吸附量大小的影響，可以減少不必要的試驗次數，達到較好的試驗結果。

1 含磷阻垢劑吸附量評價方法

1.1 水中微量含磷阻垢劑濃度測定原理

在酸性溶液中以及室溫下，有機膦酸鹽防垢劑被硫酸鈰銨氧化成正磷酸，反應式如下：

根據這一反應，取一定量含有有機膦酸鹽防垢劑的水樣，加入過量的硫酸鈰銨，使之與有機膦酸鹽防垢劑反應，多余的硫酸鈰銨用亞鐵標準溶液滴定[3]，反應式為：

以亞鐵標準溶液消耗的體積（mL），求得水樣中有機膦酸鹽防垢劑的含量。

1.2 靜態吸附實驗方法

（1）用3 %KCl 鹽水配制一定濃度（500 mg/L）的防垢劑溶液待用。

（2）準備過20～40 目、40～60 目、60～80 目篩的地層礦物（蒙脫石、高嶺石、石英石）。

（3）按一定液固比=10：1 的比例將防垢劑溶液和固體混合于錐形瓶中，并搖勻。

（4）將錐形瓶置于恒溫水浴鍋中保溫，到預定時間t 時，從上部液相中取樣品，采用硫酸鈰銨氧化法測量溶液中未被吸附的防垢劑濃度，用下式計算t 時刻防垢劑的吸附量[4]：

式中：Γt-防垢劑的表觀吸附量，mg/g；C0、C-地層礦物吸附前后液相中的防垢劑濃度，mg/L；v-吸附體系中的液相體積，mL；m-地層礦物的質量，g。

（5）在其他條件一定的情況下，改變溫度、時間，考察溫度和時間對吸附性能的影響。

2 試驗和結果

2.1 正交試驗方法的應用

為了研究影響阻垢劑吸附量大小的各因素之間的關系，利用實驗室現有試驗儀器和試驗藥品。通常，試驗要覆蓋全部的因素組合，即采用全面試驗法，但如果使用的因素數目變多，因素的水平數目也變多時，試驗量就會相應變大[5]。例如本試驗的試驗因素為4 個，因素的水平數目為3 個，如果采用全面試驗法，就需要進行34=81 次試驗。因此，要把所有的試驗都做完就會非常不容易。為了減少試驗次數，采用正交方法設計試驗，通過方差分析和SN 比來找出試驗的較好試驗條件。在試驗中，以地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗溫度和試驗時間作為試驗因素進行試驗。

2.2 試驗部分

試驗條件（見表1）。試驗采用4 個因素，分別為地層礦物種類、礦物顆粒大小、試驗溫度和試驗時間，每個試驗因素采用3 個水平（見表2）。因此采用L9（34）正交試驗表（見表3）。為了確保試驗結果的準確性，在每次試驗完成后清洗儀器并重新配置樣品，并在吸附試驗后的溶液中取5 個樣品，測量剩余阻垢劑濃度，計算出吸附量大小，然后取其平均值。

表1 試驗條件

表2 因素水平表

表3 正交試驗表及試驗數據

2.3 試驗分析和結果討論

根據上述步驟進行了試驗后，測量并計算數據，計算SN 比，并以SN 比為指標進行統計分析，表3 中列出了計算出的試驗數據。首先，通過直觀分析法來看，由表3 中各號試驗的Γt 值可以看出第9 號試驗的Γt值最小，為0.13，對應的試驗條件為A3B3C2D1；并且由極差的計算結果可知R1＞R4＞R3＞R2，所以，地層礦物類型，即因素A 是最主要的，其次是試驗時間（因素D）、試驗溫度（因素C），而礦物顆粒大小（因素B）影響最小，因此在試驗中應選擇石英石來做吸附量大小的試驗結果作為主要參考對象。

表4 方差分析表

其次，以SN 比為指標，進行方差分析，用方差分析來分析試驗，將上述數據整理成方差分析表（見表4）。試驗沒有空列，因為=0.005 最小，所以將作為誤差平方和，方差分析表明，只有因素A 也就是地層礦物類型對吸附量的影響是顯著的。并且表明，在此試驗中，礦物顆粒大小是對吸附量的影響最小的因素，其他3 個因素則對吸附量均有較大的影響，但是，地層礦物類型是3 個因素中對吸附量的影響最大的因素。對于顯著因素A，其最優的水平為A3，對其余因素也選取最優水平，則由表3 可知，最優的試驗設計方案為A3B3C2D1，也就是地層礦物類型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗溫度為80 ℃，試驗時間為5 h，這與直觀分析法的判讀結果是一致的。并結合實際考慮，目標油田地層礦物組分中石英石含量是最大的，并且儲層溫度在80 ℃～100 ℃范圍內，所以選擇由正交試驗法得出的最優試驗方案來進行阻垢劑的靜態吸附實驗，可以節省試驗時間，節約試驗成本，并能夠達到相應的試驗目的。

3 結論

（1）含磷阻垢劑在地層中的吸附量大小對阻垢劑的阻垢效果有較大的影響，通過正交試驗法優選出了最佳試驗方案，并通過靜態吸附量實驗評價了含磷阻垢劑的吸附性能。

（2）在4 個實驗因素中，地層礦物類型對吸附量影響最大，礦物顆粒大小對吸附量影響最小。

（3）最優的試驗設計方案組合為A3B3C2D1，也就是地層礦物類型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗溫度為80 ℃，試驗時間為5 h。

（4）采用正交試驗法和靜態吸附實驗評價阻垢劑吸附量，可以節省試驗時間，節約試驗成本，并能能夠達到相應的試驗目的。

［1］ 夏小春，莫成孝，王同友.國外防垢劑擠注工藝研究進展［J］.油田化學，2009，（3）：338-343.

［2］ 閆方平，任韶然，樊澤霞，等.井下擠注用防垢劑的選擇與實驗評價方法［J］.石油與天然氣化工，2007，（6）：495-499.

［3］ 王銀山，申蕙云，孫永剛，等.油田采出水中微量含磷防垢劑的測定［J］.石油天然氣學報，2012，（1）：149-150.

［4］ 左景欒，任韶然，于洪敏，等.防垢劑吸附性能實驗研究［J］.石油與天然氣化工，2008，（2）：145-148.

［5］ 李艷玲，范艷花，陶偌偈.SPSS16_0 軟件在化學正交試驗中的應用［J］.探索實踐，2011，（6）：17-19.