綠色阻垢劑在油田中的應用

楊紅麗，駱薇，武存喜，李國榮，侯玉霞

（1.延安職業技術學院，陜西 延安 716000；2.西安職業技術學院 陜西 西安 710077）

在石油生產和化工企業中，很多都需要添加阻垢劑來對于管道和設備的結垢以及腐蝕現象進行預防和處理。在油田相關工作開展中，也需要對于相應設備和管道的結垢和腐蝕問題進行處理[1-4]。傳統油田生產中使用的阻垢劑其中還有一定的污染物和毒性，對于生態環境會帶來一定的污染。隨著人類對于生態保護的意識不斷增強，新時期，油田生產中應用阻垢劑，也需要考慮降低污染、保護生態的需要，因此，油田生產中的綠色阻垢劑應用研究備受青睞[5-6]，這是實現油田綠色環保生產的需要。

1 緩蝕阻垢原理分析

在油田生產中，需要用到循環冷卻水系統和大量的運輸管道及傳輸設備，而這些設備和管道中的結垢現象是必然的，長期不處理結垢問題，可能導致管道阻塞或設備腐蝕，所以，一般需要通過使用緩蝕阻垢劑來化解。這是一種化學的阻垢方式，就其應用原理來看，主要是通過螯合以及分散作用來阻止污垢或雜質在管道和設備中的黏附[7-11]。阻垢劑可以和管道或設備的金屬離子之間產生配位鍵，這樣就會形成一種環狀的螯合物，阻垢劑讓易結垢離子在沒有析出之前穩定的居于管道液體中，這時候的離子無法進一步增大，從而達到阻垢的效果。而分散作用則是因為阻垢劑中有較多的負電基團，能夠將結垢中的細小微粒吸附過去，防止晶核不斷增大。不過，這里的阻垢劑高分子要分子更小，因為高分子阻垢劑要是過大，則會導致吸附架橋作用更加突出，這時候的阻垢劑可能就變成了混凝劑，這樣反而不能阻止晶核變大，其自身就可能變成最大的阻礙。

2 綠色環保阻垢劑類型

2.1 聚天冬氨酸（PASP）

這種阻垢劑的開發靈感來源于海洋生物代謝，是目前開發成功并廣泛應用的一種新型綠色阻垢劑，也是現階段綠色阻垢劑研究的重要對象之一。這一阻垢劑最早于20世紀90年代在美國被開發應用，這種阻垢劑無論是從原料、制備過程還是使用對環境的影響來看，都是十分環保的，阻垢劑的可降解性較好。在針對這類阻垢劑的實驗研究中還發現，其成分和葡萄糖降解性能十分類似。相關學者在研究中還發現，針對不同接種量、不同濃度的聚天冬氨酸的溶解速度最快只要4 天，最慢要20 天就能夠實現完全降解[12-14]。

就其分子結構來看，主要成分為酰胺鍵和羧基，屬于中性化的阻垢劑。這種阻垢劑能夠實現和鈣、鐵、銅等物質的螯合，能夠有效改變鈣鹽晶體結構，讓晶體結構變軟，從而實現阻垢的效果。在這類阻垢劑的研究中，為進一步提升阻垢效果，學者們也對于阻垢效果的不同影響因素進行了一一驗證，得出最理想的合成方案。此外，研究也進一步探索了在發揮阻垢劑性能的基礎上的成本控制方案，探索以聚天冬氨酸為主體的復配物生產，也獲得了一定的研究成效。這類物質緩蝕性比較理想，能夠和多種離子進行螯合，對于阻止金屬腐蝕有很好的應用效果。這種綠色阻垢劑是陽極型，將其添加到不含溶解氧的水中，只需要低濃度的該阻垢劑就能夠起到很好的防腐蝕效果[15]。

2.2 聚環氧琥珀酸（PESA）

這是一種不含磷的有機化合物，其應用中的阻垢以及緩蝕效果都非常好。且這種阻垢劑也具備較好的生物降解性，在高堿、高金屬含量的液體傳輸系統中有很好的應用效果，是目前油田管道和設備阻垢的新型綠色材料之一，也是綠色化學的成功開發成果。

現階段，PESA 的阻垢效果和環保性得到了越來越多的肯定，國內已經有很多企業開始生產這種阻垢劑，相關研究中也積極探索這類阻垢劑的效果優化方案[16-18]。在相關實驗中發現，聚環氧琥珀酸針對硫酸鋇、碳酸鈣、氟化鈣以及硫酸鈣等結垢現象有很好的處理效果，相比之下，其對磷酸鈣結垢問題處理效果相對不足。這種綠色阻垢劑也是美國實驗室研制出來的，和上述的PASP 幾乎是同一時期問世。在這類物質研究成功后，日本以及其他國家也開始對于這一阻垢劑進行衍生物開發[19]。在這一阻垢劑的實驗研究和產品開發中，我國也進行了大量的人力物力和財力投入，獲得了一定的成效。就其對結垢的處理原理來看，實驗探究了其對碳酸鈣的成垢處理過程，研究發現，這種阻垢劑的分散效果非常突出，可以讓垢粒延緩增大速度，且其晶格畸變效果也十分突出，可以讓鈣垢形成的晶體特征明顯削弱直至完全消失。在相關實驗中，進一步驗證了聚環氧琥珀酸對于硫酸鋇、氟化鈣以及硫酸鈣等同樣具有很好的阻垢效果。

在使用聚環氧琥珀酸處理結垢問題時，一般其阻垢緩蝕的效果會根據藥量投入的增加而不斷增強。單獨使用這類阻垢劑，只需要很少的量就能夠對碳鋼起到很好的緩蝕阻垢效果。而隨著聚環氧琥珀酸添加量的不斷增多，碳鋼腐蝕速率也會不斷降低。眾多實驗研究表明，以聚環氧琥珀酸合成的阻垢劑具有很好的阻垢性能，且相關生產原料和使用過程等都十分環保[20]。除碳鋼外，單獨使用聚環氧琥珀酸來處理結垢的其他金屬構件，效果并不是很好，所以需要和其他緩蝕劑進行復配，研發低磷阻垢劑，可以有效增強緩蝕阻垢效果。

2.3 木質素磺酸鈉類

對造紙廠廢渣污泥中的木質素磺化能夠得到木質素磺酸鈉，這是一種成本低廉、生物降解性好的天然阻垢劑。將這種木質素磺酸鈉和有機磷、鋅鹽以及苯并三唑等作用，可以復配得出性能比較理想的阻垢劑，且這類阻垢劑中的有機磷含量會明顯減少，排放不會造成水體富營養化問題，可以達到環保、綠色的使用效果。在研究中發現，將木質素磺酸鈉和丙烯酸接枝，生產的阻垢劑的除垢效率達到60%以上，整體緩蝕阻垢性能比較理想。這類阻垢劑是充分利用了造紙廠的污泥來作為原材料的，可以降低造紙廠的污泥帶來的二次污染，還能夠變廢為寶，用較低的成本來獲得綠色阻垢劑的生產原料，是真正的環保型阻垢劑[21]。不過需要注意的是，在造紙廠的污泥中進行木質素磺酸鈉的制備，相應制備品質和用純木質素磺酸鈉制備的產物質量還是有一定差距的，不同途徑得到的木質素磺酸鈉復配得出的阻垢劑性能上存在哪些差異，還需要進一步的實驗研究來驗證。

3 綠色阻垢劑的發展方向

近年來，隨著生態環境的進一步惡化，人們對于生產生活中的生態保護更加關注，尤其是工業生產中，探索綠色、低碳、環保的生產發展模式已經成為一種硬性要求了。油田類生產中，為了阻止管道阻塞和設備腐蝕，會長期使用阻垢劑，傳統阻垢劑對于生態環境會帶來一定危害，所以研究綠色阻垢劑很有必要。研究發現，有機磷類的阻垢劑在高硬度、高酸堿度以及高溫的石油企業開采、機械等冷卻水系統中應用效果更好，起到的緩蝕阻垢效果更理想。且使用上述的幾種綠色阻垢劑，能夠在發揮阻垢效果的同時，有效降低污染，保護環境。

近年來，高分子緩蝕阻垢劑的市場前景以及科技研發都比較好，相對而言，這些阻垢劑產品效果突出，毒性弱，熱穩定性理想，能夠滿足高溫工作要求，發揮很好的阻垢效果。目前市場上的阻垢劑很多都是單體投加的，要是將其和其他阻垢劑結合起來應用，能夠達到不一樣的復配效果，這也是目前綠色阻垢劑研究的重要方向之一[22]。但是可以看到的是，未來的阻垢劑研究中，會越來越關注阻垢劑研發的成本、綠色環保性能。

此外，阻垢劑的反滲透性也是重點研究方向和領域，相關藥劑研發人員對標世界一流企業和產品，打造核心技術，對兩種進口某品牌8 倍濃縮液、一種進口某品牌5 倍濃縮液、兩種國產某品牌反滲透阻垢劑開展研發工作。在試驗過程中，研發人員將反滲透系統回收率設定在75%，用碳酸鹽沉積法測定自研反滲透阻垢劑阻垢性能。通過試驗研發，不斷提升阻垢劑的反滲透性能。

4 結束語

目前，綠色環保生產是大勢所趨，在油田生產中，也需要迎合時代發展需要，積極探索綠色低碳環保的生產模式。在油田生產中，阻垢劑應用是重要一環，這是保證生產管道和設備有效運行的關鍵，就目前的油田阻垢劑使用來看，有多種綠色阻垢劑可供選擇，相關阻垢劑研發中，也需要進一步把握油田阻垢劑的應用特點和需要，不斷提升阻垢劑性能，減少不利影響和污染，為綠色生產服務。