硫酸钡结垢影响因素及防垢剂性能评价

2020-06-09潘定成冯浦涌任坤峰林科雄

化学与生物工程 2020年5期

潘定成，冯浦涌，陈凯，任坤峰，林科雄

(1.中海油服油田生产研究院酸化所，天津 300459； 2.荆州市汉科新技术研究所，湖北荆州 434000)

在油气田的开发过程中，不配伍的流体相互混合后会随着压力和温度的变化而产生结垢。结垢不仅对油气储层的渗透率产生影响，还会对油气田地面设备产生腐蚀堵塞，并影响地面输送管道和生产设备的正常运转，从而严重影响油气田的生产开发效果[1-3]。

目前，油气田结垢的主要类型为碳酸盐垢、硫酸盐垢和硅酸盐垢。对于碳酸盐垢的结垢规律和机理的研究报道较多，且取得了明显的研究成果，而对于硫酸盐垢的结垢规律和机理的研究则相对较少[4-8]。硫酸钡垢往往比较坚硬致密，且不易溶于酸、碱以及有机溶剂等，因此其结垢量较大时对油气储层的损害往往更加明显。硫酸钡的溶解度极低，当含有硫酸根的水和含有钡离子的水接触时就会迅速形成沉淀，所以针对硫酸钡垢的防垢措施一直以来都是国内外的一个技术难题[9-11]。因此，对硫酸钡结垢的影响因素进行深入研究，不仅能够明确硫酸钡的结垢机理，还能为硫酸钡的防垢措施研究提供依据。作者研究了成垢离子浓度、温度、矿化度和pH值对硫酸钡结垢量的影响，并开展了硫酸钡防垢剂效果的评价实验。

1 实验

1.1 试剂与仪器

BaCl2·2H2O、Na2SO4、NaCl、NaOH、MgCl2、浓盐酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、铬黑T，分析纯；防垢剂HEDP、ATMP、PBTCA，市售；防垢剂HFGJ-26，实验室自制。

FA1004B型精密电子分析天平(精确至0.000 1 g)；101-A4型恒温干燥箱；PHSJ-6L型实验室pH计。

1.2 方法

1.2.1 硫酸钡结垢影响因素实验

参照国家标准GB 7477-1987《水质钙和镁总量的测定 EDTA滴定法》，采用EDTA滴定法测定结垢前后溶液中的钡离子浓度，并计算硫酸钡结垢量。为使滴定终点颜色变化更加明显，实验时在溶液中加入1 mL浓度为0.05 mol·L-1的镁离子溶液。

1.2.2 硫酸钡防垢剂效果评价实验

参照石油天然气行业标准SY/T 5673-1993《油田用防垢剂性能评定方法》，在标准规定的含有成垢离子的溶液中加入不同浓度的防垢剂，通过测定反应前后钡离子浓度的变化，来评价防垢剂的性能。

2 结果与讨论

2.1 硫酸钡结垢影响因素实验结果

2.1.1 成垢离子浓度对结垢量的影响

固定实验温度为60 ℃、时间为16 h、溶液pH值为7，首先控制溶液中的硫酸根离子浓度(0.020 mol·L-1)，考察不同钡离子浓度对硫酸钡结垢量的影响；然后控制溶液中钡离子浓度(0.020 mol·L-1)，考察不同硫酸根离子浓度对硫酸钡结垢量的影响，结果见图1。

图1 钡离子浓度(a)和硫酸根离子浓度(b)对硫酸钡结垢量的影响Fig.1 Effect of barium ion concentration(a) and sulfate ion concentration(b) on amount of barium sulfate scale

由图1可以看出，随着钡离子和硫酸根离子浓度的增大，硫酸钡结垢量逐渐增加；当溶液中两种离子浓度均达到0.020 mol·L-1时，硫酸钡结垢量最多；此后再继续增大其中一种离子浓度，硫酸钡结垢量基本保持不变。

2.1.2 温度对结垢量的影响

固定实验时间为16 h、溶液pH值为7，控制溶液中钡离子和硫酸根离子浓度均为0.005 mol·L-1，考察温度对硫酸钡结垢量的影响，结果见图2。

由图2可以看出，随着温度的升高，硫酸钡结垢量逐渐减少，90 ℃时结垢量比30 ℃时减少了93.35 mg·L-1。这是由于，硫酸钡的溶解度随着温度的升高而增大，当溶液温度较高时，硫酸钡晶体成核阻力变大，不易成核，且晶核生长速率下降，从而使结垢量减少。

图2 温度对硫酸钡结垢量的影响Fig.2 Effect of temperature on amount of barium sulfate scale

2.1.3 矿化度对结垢量的影响

固定实验温度为60 ℃、时间为16 h、溶液pH值为7，控制溶液中钡离子和硫酸根离子浓度均为0.005 mol·L-1，考察矿化度对硫酸钡结垢量的影响，结果见图3。

图3 矿化度对硫酸钡结垢量的影响Fig.3 Effect of salinity on amount of barium sulfate scale

由图3可以看出，随着溶液矿化度的升高，硫酸钡结垢量逐渐减少。这是由于，矿化度对硫酸钡的溶解度会产生一定的影响，在高矿化度盐水中，钡离子和硫酸根离子的活度会有所下降，从而降低了阴阳离子之间的吸引力，使硫酸钡的成垢趋势减弱。

2.1.4 pH值对结垢量的影响

固定实验温度为60 ℃、时间为16 h，控制溶液中钡离子和硫酸根离子浓度均为0.005 mol·L-1，考察pH值对硫酸钡结垢量的影响，结果见图4。

图4 pH值对硫酸钡结垢量的影响Fig.4 Effect of pH value on amount of barium sulfate scale

由图4可以看出，随着溶液pH值的增大，硫酸钡结垢量逐渐增加。这是由于，随着溶液pH值的增大，体系中的OH-浓度逐渐增大，容易生成Ba(OH)2，而由于同离子效应的影响，使得硫酸钡的溶解度逐渐降低，从而使其结垢量逐渐增加。

2.2 硫酸钡防垢剂效果评价实验结果

按1.2.2方法对不同类型防垢剂的静态防垢效果进行评价，考察防垢剂加量对防垢效果的影响，结果见图5。

图5 防垢剂效果评价结果Fig.5 Evaluation results of anti-scaling effect of scale inhibitor

由图5可以看出，在相同的实验条件下，随着防垢剂加量的增加，防垢率均逐渐升高。其中防垢剂HFGJ-26的防垢效果最好，当其加量达到50 mg·L-1时，对硫酸钡垢的防垢率可以达到85%以上；当加量为90 mg·L-1时，防垢率可以达到90%以上。说明自制的防垢剂HFGJ-26具有良好的防硫酸钡垢效果。