一種新型防垢劑的合成及評價

李明(中石化勝利油田有限公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000)

油田注水開發生產過程中，注入水以及開采層位中的生產水中可能含有大量的鈣鎂離子和碳酸根、碳酸氫根以及硫酸根等離子。由于注入水和生產水的配伍性，以及生產過程中溫度、壓力等條件的變化，鈣鎂離子很可能和一些陰離子反應生成難容的鹽類沉淀，在近井地帶、井筒以及地面集輸系統形成結垢現象，造成產能的下降以及后續的結垢腐蝕問題。

本實驗應用NH4Cl、甲醛溶液、PCl3、NaOH溶液、雙氧水合成了氮氧基三亞甲基膦酸[3]，用于防止油田生產中的結垢問題，室內性能評價指標均遠遠優于防垢劑ATMP。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

儀器:四口燒瓶，恒溫水浴，電動攪拌器，冷凝管，加熱器，滴液漏斗，溫度計，紅外光譜儀，動態巖心驅替裝置，自動取樣器，ICP儀器，分析天平。

材料:NH4Cl，甲醛溶液，PCl3，40%NaOH溶液，雙氧水。

1.2 實驗方法

以氯化銨、甲醛、三氯化磷為主要原料合成新型防垢劑的反應為Mannich反應類型[4]。其反應原理的第一步是三氯化磷水解生成亞磷酸，再把亞磷酸看作一般參與Mannich反應的含有C-H活潑氫化物的磷化物，最終合成ATMP。反應方程式見式(1-1)和(1-2):

在恒溫水浴中，將ATMP晶體加入到三口燒瓶中，再加入蒸餾水，然后用質量分數40%的NaOH調節溶液pH；冷卻至室溫后緩慢滴加H2O2攪拌；滴加完畢后升溫，反應一定時間即得氮氧基三亞甲基膦酸溶液；將產物趁熱倒入已預熱的無水乙醇溶液中，攪拌后靜置，溶液冷卻后底層出現白色晶體，抽濾后得到氮氧基三亞甲基膦酸晶體。

2 結果與討論

2.1 氮氧基三亞甲基膦酸合成條件討論

2.1.1 pH值對產物靜態防垢率的影響

實驗結果表明，在pH=9時產物的防垢效果最好，可能是由于ATMP在pH為9的條件下反應活性最大。

2.1.2 反應時間對產物靜態防垢率的影響

反應時間為3h時防垢效果較好，靜態防垢率達到86.72%。當時間少于3h時，反應時間不充足，原材料的轉化程度低，合成的有效物質含量不高，所以靜態防垢率不高；當反應時間多于3h時，合成的有效物質部分活性變差，產生雜質，所以防垢效果降低。

2.1.3 反應溫度對產物靜態防垢率的影響

60℃時靜態防垢率最高。溫度低，反應速度慢，因此在終止反應時其生成的有效物質含量低；溫度過高，破壞已生成的有效物質結構，致使活性降低，防垢效果變差。

2.1.4 物料配比對產物靜態防垢率的影響

當氨基三亞甲基膦酸:H2O2=1:2.5時，防垢效果最好，靜態防垢率達到了90.27%。

綜合考慮以上因素，確定氮氧基三亞甲基膦酸的最佳合成條件(測試濃度均為20mg/L):反應溫度為60℃，pH值為9，氨基三亞甲基膦酸:H2O2=1:2.5，反應時間為3h。

2.2 合成產物的性能評價

ATMP(記為物質A)和氮氧基三亞甲基膦酸(記為物質B)均以其提純抽濾后固體粉末狀態進行以下實驗研究,實驗所用模擬地層水注入水為SL油田現場取樣。

2.2.1 動態最低有效防垢濃度(MIC)實驗的結果與分析

空白結垢時間為57分鐘，相同的結垢時間物質B比A的MIC值更低。

2.2.2 防垢劑動態吸附實驗結果與分析

由物質A和B最佳吸附-解吸實驗的實驗濃度采用105mg/L，由實驗數據可以看出，物質A有效返排體積為370PV時，而物質B在返排體積為425PV時濃度則保持在20mg/L左右，此值仍高于該防垢劑的最低有效濃度(15mg/L)。因此，由該實驗可知物質B比A有較好的吸附-解吸性能，可在巖心中長時間滯留，獲得較長的使用壽命。

3 結語

(1)氮氧基三亞甲基膦酸的最佳合成條件:反應溫度60℃，pH值為9，ATMP:H2O2=1:2.5，反應時間為3h。

(2)氮氧基三亞甲基膦酸的靜態防垢率高于ATMP，最低有效使用濃度低于ATMP。

(3)氮氧基三亞甲基膦酸的有效返排體積更高為425PV。

[1]張吉明.油水井筒腐蝕結垢及防垢除垢工藝研究[D].天津:天津工業大學，2007.

[2]王兵，李長俊，廖柯熹，等.管道結垢原因分析及常用除垢方法[J].油氣儲運，2008，27(2):59-62.