油田用化學品和高分子聚合物助劑的發展

汪曉鵬

（甘肅省輕工研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000）

油田用助劑產品的種類多樣，在油田開發過程中發揮了不可替代的作用。當今，油田用化學品占90%的是高分子聚合物，是油田工業中使用量最大和最普遍的。應用于石油勘探、鉆采、集輸和注水及水處理等工藝過程的各個環節，以保證和改善油田作業流體的性能。包括礦物產品、有機化工產品、天然材料、合成高分子材料等。按照來源分為天然高分子聚合物、天然改性聚合物、合成高分子聚合物和生物聚合物。隨著我國對能源的需求不斷增長，相應的油田助劑產業也在蓬勃發展，已經形成了一定的開發規模，對油田開發與油氣運輸起到了不可忽視的促進作用。隨著科學技術的不斷發展，新產品的開發已經提上了油田助劑產業的發展日程，尤其新型合成高分子聚合物材料、天然改性材料以及綠色環保材料和助劑的研發。因此，對助劑產品的開發與前景分析對油田助劑產業的進一步發展具有深遠和現實的意義，現予敘述如下[1]。

1 鉆井用化學品

主要包括鉆井液和水泥外加劑兩大類。目前鉆井泥漿用化學品有18類、上千個商品牌號，水泥外加劑有11 類200 余種牌號。中國每年鉆井一萬多口，進尺約15000 k m，該類化學品無論在數量和品種，在油田上的應用已占化學品總量的60%以上，也是油田化學產業中發展最快、品種最多、水平最高、應用效果最好的一類油田化學品。

（1）鉆井液化學品。主要有殺菌劑、緩蝕劑、除鈣劑、消泡劑、乳化劑、降濾失劑、絮凝劑、起泡劑、堵漏劑、潤滑劑、解卡劑、pH 控制劑、表面活性劑、頁巖抑制劑、降黏劑、溫度穩定劑、增黏劑、加重劑等。（2）水泥外加劑。主要有促凝劑、消泡劑、降濾失劑、減阻劑（分散劑）、防氣竄劑、減輕外摻料、防漏外摻料、緩凝劑、增強劑、加重外摻料等。（3）其他。如增黏劑有重晶石、膨潤土；降濾失劑有天然木質素磺酸鹽、淀粉及其改性物、單寧等；增黏劑有纖維素類聚合物、瓜膠及其衍生物、生物聚合物、合成聚合物、表面活性劑等。

該類助劑是專用化學品和高分子聚合物，是鉆井液和水泥漿用量最大者，僅合成高分子聚合物在我國鉆井作業中年用量6 萬噸以上。主要有①乙烯基單體多元共聚物。此類化學品在泥漿中主要起增黏、降慮失、流型改進和穩定井壁的作用，并且具有很好的抗高溫（200 ℃）、抗飽和鹽鈣能力，現已廣泛用于我國各個主要油田的鉆井作業，年產量萬噸以上。②陰離子聚合物系列產品。該類產品除含有—CONH2之外，還有不等量的—COONa、SO3Na，相對分子質量在30×104～500×104，對多分散的搬土膠體體系起到高分子護膠作用。在有大量Na+、Ca2+、Mg2+等無機離子存在之條件下，能有效維護搬土粒子的穩定性。該系列產品的抗溫（約200 ℃）、抗鹽能力強，故而特別適用于深井、超深井、石膏、鹽巖和高礦化度的復雜情況下鉆井作業，已在我國10 多個油田中應用，年用量達5000余噸，經濟效益非?？捎^。③兩性離子聚合物系列產品。該類產品是由多種陽離子、非離子和陰離子單體經共聚聚合而形成的水溶性高分子聚合物，因聚合物中單體種類、比例不同及工藝條件不同、共聚物的分子量也不同，故它們的理化性能及在泥漿中的應用作用各異。該系列產品具有良好的抗高溫（180 ℃）、抗飽和鹽鈣能力和很強的抑制性，能有效防止底層傷害，保護油氣層產能，已在我國16 個油田5000 多個井口應用。結果表明，該系列化學品已成功地用于直井、斜井、叢式井、深井、超深井（最深達5700 m）及淡水、鹽水、飽和鹽水、輕泥漿及重泥漿體系。與其他處理劑相比具有顯著優勢，采用該系列產品配制而成的鉆井液鉆探打井，一般井徑擴大率降至4%～6%，平均機械鉆井速度提高8%～30%，采油量提高20%，縮短完井周期5～30 d，取得了巨大的成效。其中，兩性離子聚合物合成技術和產品，曾一度被評為國家科技進步獎。產品已出口印度、泰國和日本等東南亞國家。④陽離子聚合物產品。包括陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）和聚季銨鹽聚合物產品，與非離子聚合物復配使用，形成陽離子泥漿體系。該體系具有強抑制性，適合強造漿、已坍塌井段使用，已在我國新疆油田勘探中取得了較好技術與經濟效益。另外復合金屬兩性離子聚合物產品，其中正電膠（MMH）產品在水溶液中形成無機凝膠體系，具有很好的流變性能，復合金屬兩性離子聚合物系正電膠與兩性離子聚合物的復合體，它兼具正電膠和兩性離子聚合物的強抑制性和良好流變性能。為近年來新開發的一種新型鉆井泥漿處理劑，在新疆、中原、大港等油田應用效果良好。

2 采油用化學品

采油用化學品分為酸化、壓裂和采油用其他化學品。酸化法、壓裂用化學品主要用于中低滲透層、裂縫性底層的改造，是當前擴大油氣流通道孔道和提高油氣井產量的必需品。酸化用化學品包括防淤渣劑、助排劑、乳化劑、防乳化劑、降濾失劑、起泡劑、緩速劑、稠化劑等。壓力用化學品包含殺菌劑、助排劑、交聯劑、黏土穩定劑、減阻劑、破膠劑、支撐劑、pH值控制劑和增黏劑等。主要品種有：①交聯劑。三氯化鋁、鉻鹽、鋯鹽、檸檬酸鋁等；②成膠劑。一般為天然高分子聚合物如瓜爾膠及其衍生物、纖維素衍生物等，合成高分子有PAM、MPAM、AMP 等，還有生物聚合物。③表面活性劑。有發泡劑、乳化劑、防乳化劑等。④破膠劑。一般為過硫酸鹽，過硫酸銨、過硫酸鉀，聯胺（肼）。⑤采油其它化學品。有解堵劑、黏土穩定劑、調剖劑、降凝劑、防沙劑和堵水劑等。采油用化學品與鉆井用化學品相比，無論品種還是數量都較少，而且不配套。尚需進口方能滿足需求。根據國內油田狀況，低滲透油儲藏資源豐富，儲量達300000 萬噸。急需開發“控水穩油”工程所需的堵水-調剖劑以提高產量，其中代表性化學品有：堵水調剖劑、酸膠束、壓裂液用化學品。

3 油氣集輸用化學品

油氣集輸用化學品主要有緩蝕劑、破乳劑、乳化劑、流動改性劑、抑泡劑、減阻劑、天然氣凈化劑、水合物抑制劑、海面浮油清潔劑、管道清洗劑、防蠟劑、降凝劑、降黏劑等。我國油氣集輸用化學品的研發始于20 世紀60 年代，目前已有14 類，數百個產品。其中原油破乳劑用量最大，年需2 萬噸。國內原油大多屬于石蠟基原油，蠟含量大于10%的原油約占原油總產量的90%，石蠟多為不帶支鏈的正構烷烴，蠟的碳原子數分布多為C13～C40。我國西部吐哈油田C36～C70的蠟占總量的50%。此類化學品的應用主要有：（1）原油破乳劑。中國原油有90%是靠注水開發的，原油大部分以乳化液（W/O 或O/W 型）的形式采出的，外輸至煉廠前必須進行脫水處理。當前應用較多、效果不錯的有環氧烷和環丙烷的嵌段聚醚類、酚醛樹脂、多亞乙基多胺、烷基苯酚樹脂非離子型；多元線型或體型聚合物；兩離子聚合物及復配物等。年需要量2 萬余噸。（2）原油清防蠟劑。常用清防蠟劑有水溶型、油溶性和乳液型。廣泛應用于我國1.5 萬口油井。（3）長輸管線化學降凝降黏劑。中國1700 km的輸油管線，其中90%原油通過管線輸送至煉廠、碼頭，但前提是必須加熱輸送。添加降黏劑可節省大量燃料油，節能降耗，同時降低成本。

4 三次采油用化學品

三次采油用化學品包括堿劑、高溫起泡劑、混溶劑、流度控制劑、犧牲劑、表面活性劑、助表面活性劑、增溶劑、薄膜擴鏈劑、稠化劑等。我國三次采油率的潛力很大，總計地質儲量674000 萬噸，按平均提高采收率12.4%計算，實施后可增加采儲量84000 萬噸。前景誘人。同時與之配套的化學品數量巨大，其中化合物367.6 萬噸、表面活性劑1481.5 萬噸、堿類11 萬噸。在當下的技術和經濟條件下，欲大規模工業化提高采收率。尤其要重點采用聚合物類，適合于聚合物驅地質儲量436000 萬噸，按平均提高采收率8.6%計算，實施后可增加采儲量38000 萬噸，約為目前中國年產油量的2.7 倍，則需聚合物224 萬噸。因此，要加強提高高分子聚合物應用的研究。積極創新，不斷探索開發聚合物和蒸汽驅技術、堿/表面活性劑/聚合物三元復合材料的研究與應用。另外，隨著采油業的發展，化學品的需求也與日俱增。適用于三次采油和稠油開采的高分子聚合物及表面活性劑需求更大，聚合物約需5～6 萬噸/年，表面活性劑約需10 萬噸/年。

5 油田水處理化學品技術

油田水處理化學品主要有殺菌劑、緩蝕劑、黏土穩定、助濾劑、絮凝劑、浮選劑、除油劑、除氧劑、防垢劑、除垢劑等。當前，世界各國普遍采用注水開發，中國也不例外，有90%的石油開采用該技術，采出的油水乳化液經脫水后的凈油，輸往煉廠，污水要經過化學、物理和生物處理法，方能除去其中的微量油、機械雜質等有害物質并達標后再注回底層，以驅動石油開采。我國年需處理回注水高達10108 m3，需各種水處理劑6.33萬噸，是油田開發非常重要的化學品之一。

6 油田用聚合物

當今，油田用化學品的90%是高分子聚合物材料。油田用聚合物已應用于石油鉆井、采油、集輸和水處理等各個環節和工程中。有效地保證了石油產業鏈的順利完成。按來源可分為天然聚合物、天然改性聚合物、合成聚合物和生物聚合物。其中天然聚合物又包括淀粉、纖維素、木質素、植物膠以及一些天然礦物材料等；合成聚合物有聚丙烯酸（鹽）、聚丙烯酰胺、含磺酸聚合物、丙烯酸與丙烯酰胺等單體或多元共聚物、聚乙烯醇（PVA）、酚醛樹脂及磺酸鹽、氨基樹脂及磺酸鹽、酮醛縮聚物及磺酸鹽、聚醚胺、聚胺、聚季銨鹽、聚乙烯吡咯烷酮等。按其在油田中的作用又可分為通用聚合物、鉆井用、油氣開采用、提高采油率、油氣集輸和油田水處理聚合物等[2]。

7 結語

目前，我國油田用化學品除少數仍需進口，國產油田化學品基本滿足石油勘探和生產需求。隨著石油工業戰略布局的優化，以“穩定東部，發展西部”為指導的整體戰略的實施，為油田化學品的研制、開發和應用提出了新課題。當前，我國老油田的儲油量和產量占全國總量的90%左右，這類油田多進入高含水期，綜合含水量在80%以上，油田采出量約占地質儲量的35%，地下還殘留65%左右。如何采取提高采收率（EOR）新技術和新方法使東部老油田繼續穩產，是當前和今后及其迫切的任務。這也是研發化學驅油劑的動力，油田用化學品市場將更加廣闊，預計年產值將達30 億元左右。未來我國油田用化學品研發的主攻方向為鉆井用、油氣開采用、油氣集輸用、油田水處理、提高采收率等化學品。

盡管多年來取得長足的進步，但在品種數量、質量等方面與國外相比，仍然存在一定的差距。特別是壓裂酸化用聚合物，驅油耐溫抗鹽型聚合物、高效水處理絮凝劑等有待提高。這為科研工作者提出了新的攻關課題和研發方向。油田用化學品總體的發展應朝著新型、高效、低污染和無污染、綠色化的目標邁進，例如，天然與合成高分子聚合物的改性以及生物聚合物的綠色化應用等。