摘要
注水开发是目前采油过程中常用的技术，通过专门的注水井向油藏内注水，维持地层压力，从而提高油气采收率。但由于注入水和地层水之间的配伍性较差，随着油田后期开采过程中注入水量大大增加，在受到管道与地层间温度、pH值、压力和矿化度等因素作用下，注水井和相应采出井中将会不可避免地出现结垢现象。随着井筒不断结垢，会逐渐增大管道内部压力，严重时会堵塞管道，影响注水和采油效率，此外还可能造成管线垢下腐蚀，破环管线结构，增加运行风险和维护成本。目前油田常用的预防结垢方式是使用含膦系的阻垢剂，然而此类阻垢剂在使用后会对水资源环境造成严重破坏。因此，开发一种适用于油田环境的绿色无膦阻垢剂已迫在眉睫。 本文将从以下四个方面进行研究:通过改变聚合条件(单体配比、反应温度、反应时间、引发剂量和链转移剂量)合成一款绿色无膦大分子阻垢剂;探讨此阻垢剂对油田常见水垢(碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡)的阻垢性能;分析此阻垢剂的阻垢机理与利用华北油田注入水来研究其实际作用效果。具体成果如下: (1)成功合成了具有良好阻垢性能的IA-AMPS-HPA(PIAH)三元聚合物阻垢剂。以衣康酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和丙烯酸羟丙酯为反应单体，过硫酸铵为引发剂，异丙醇为链转移剂，采用正交实验法和单因素实验法，研究并得到了单体质量配比、反应温度、反应时间、引发剂质量分数和链转移剂质量分数对合成新型阻垢剂的影响规律，据此合成了PIAH三元聚合物阻垢剂。然后对PIAH阻垢剂进行了红外光谱、固含量、相对分子质量和水溶性等基本性能测试。实验结果表明:在单体配比为m(IA)∶m(HPA)∶m(AMPS)=7∶1∶2,反应温度为85℃,反应时间为4h，引发剂质量分数为12％以及链转移剂质量分数为10％的条件下，合成的PIAH三元聚合物阻垢剂的阻垢性能最佳，对碳酸钙的阻垢率达91.35％;通过红外光谱分析发现，阻垢剂PIAH分子中含有羧基、羟基、磺酸基、酰胺基和酯基，而碳碳双键已消失，说明此阻垢剂合成成功;PIAH的固含量基本都保持在30％-45％之间，在最佳条件下测试其相对分子质量能够达到7.11×103,且具有较好的水溶性和热稳定性。 (2)研究了PIAH三元聚合物阻垢剂对常规水垢的阻垢性能。通过在不同PIAH阻垢剂浓度、阳离子浓度、实验温度和实验时间的条件下考察PIAH对碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡的阻垢性能。结果表明:当PIAH阻垢剂浓度分别达到40mg/L、8mg/L和80mg/L时对碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡的阻垢率达到最高，并且在较高的阳离子浓度以及高温条件下依旧保持良好的阻垢性能。 (3)分析了PIAH三元聚合物阻垢剂的阻垢机理。利用XRD和SEM对未加入和加入PIAH阻垢剂的碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡晶体进行成分分析，并通过紫外分光光度计测试其分散氧化铁性能。通过分析实验后的碳酸钙XRD结果发现，加入阻垢剂后的碳酸钙晶型从方解石转化为球霰石，且方解石对应衍射峰的强度出现降低;通过SEM分析结果能明显看出加入阻垢剂后三种晶体的形貌都从原先规则的形状变为无规则形状;利用紫外可见分光光度计分析PIAH分散氧化铁性能发现，随着PIAH添加量的提高，对形成氧化铁溶液的透光率呈现出下降趋势，说明PIAH具有良好的分散性能。综合表明，此种阻垢剂具有螯合增溶、晶格畸变和分散作用。 (4)研究了PIAH三元聚合物阻垢剂在华北油田注入水中的阻垢性能。在华北油田注入水的条件下，通过改变注入水体系中阻垢剂添加量、温度、压力、pH值以及矿化度来考察PIAH在华北油田注入水中的阻垢性能，并利用失重法研究其缓蚀性能。阻垢实验结果表明:在PIAH添加量为40mg/L最为实用且阻垢效果优于大部分市场所用阻垢剂;压力对PIAH的阻垢性能影响较小，可以忽略不计;PIAH在不同矿化度条件下仍然有较好的阻垢性能，能够适应含盐量高的环境，但在注入水体系偏碱性的条件下时其阻垢率相对较低，比较适用于偏中酸性的体系;与聚环氧琥珀酸(PESA)阻垢剂相比，PIAH具有高效益、热稳定性和耐盐性等特点;失重腐蚀实验结果表明:PIAH在华北油田注入水溶液中加入量为400mg/L时，缓蚀率能够达到88.43％,拥有良好的缓蚀性能。 综上所述，本文合成的PIAH阻垢剂能够对碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡都具有较高的阻垢性能，在华北油田的注入水下也能够达到较高的阻垢率，能够满足在高温、高矿化度以及中酸性条件下的注入水使用。
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