油田固体缓蚀阻垢剂的研究进展

白海涛; 周棋舒; 张志浩; 高丽; 罕柯孜·依斯拉木江; 陈亚联; 马云

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502158

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :1784-1798 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502158

石油、天然气工业

油田固体缓蚀阻垢剂的研究进展

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Review of Solid Corrosion and Scale Inhibitors in Oilfield

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摘要

石油工业中腐蚀结垢现象普遍且危害严重,使用化学缓蚀阻垢剂是有效的解决办法。常规缓蚀阻垢剂存在药剂消耗量大、操作复杂、在管道末段作用效果差等问题,这促使油田固体缓蚀阻垢剂的研究与应用成为关键环节。从油田固体缓蚀阻垢剂的组成、成型工艺、评价方法和现场应用4个方面综述了近几年的研究进展,总结了缓蚀剂、阻垢剂及载体的性能特征,梳理了现有固体成型工艺的适用性与局限性,最后构建了固体缓蚀阻垢剂缓释性和稳定性的评价体系。现场应用表明固体缓蚀阻垢剂虽然可以显著延长作用周期,但仍存在高温失效、大液量井溶解过快等问题。该研究为解决油田腐蚀结垢、突破固体缓蚀阻垢剂技术瓶颈提供了依据,以保证油气田安全高效开发。

Abstract

Corrosion and scaling are common and serious problems in the petroleum industry. The use of chemical corrosion and scale inhibitors is an effective solution. Conventional inhibitors have problems such as high chemical consumption, complex operation, and poor effectiveness at pipeline ends. These issues make the research and application of solid corrosion and scale inhibitors increasingly critical in oilfields. The research progress of solid corrosion and scale inhibitors in oil fields in recent years was reviewed from four aspects: composition, forming process, evaluation methods and field application. The performance characteristics of corrosion inhibitors, scale inhibitors and carriers were summarized. The applicability and limitations of existing solid forming processes were sorted out. Finally, an evaluation system for the sustained-release and stability of solid corrosion and scale inhibitors was constructed. Field application shows that although solid corrosion and scale inhibitors can significantly extend the action period, there are still problems such as failure at high temperatures and rapid dissolution in large liquid volume wells. With the aim of providing a basis for solving corrosion and scaling in oil fields and breaking through the technical bottlenecks of solid corrosion and scale inhibitors, ensuring the safe and efficient development of oil and gas fields.

Graphical abstract

关键词

油田 / 固体缓蚀阻垢剂 / 载体 / 成型工艺

Key words

oil field / solid corrosion and scale inhibitor / carrier / molding process

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白海涛, 周棋舒, 张志浩, 高丽, 罕柯孜·依斯拉木江, 陈亚联, 马云. 油田固体缓蚀阻垢剂的研究进展[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 1784-1798 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502158

BAI Hai-tao, ZHOU Qi-shu, ZHANG Zhi-hao, GAO Li, ISLAMJAN Hankiz, CHEN Ya-lian, MA Yun. Review of Solid Corrosion and Scale Inhibitors in Oilfield[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 1784-1798 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502158

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在石油工业中,腐蚀结垢现象普遍存在,对油气生产效率、设备性能及安全构成严重威胁。腐蚀结垢可能导致管道堵塞,阻碍流体的正常流动;增加油气泄漏的风险;缩短设备使用寿命^[1-2];并可能引发严重的事故,对工人安全和生产构成威胁^[3]。例如,在长庆镇原油田方山作业区,管线及储罐的严重结垢堵塞,直接影响到作业区的生产稳定^[4]。因此,采取有效的缓蚀和阻垢措施,对保障石油工业的可持续发展至关重要。

使用化学缓蚀剂与阻垢剂是有效处理腐蚀和结垢的方法^[5-11]。在油田现场,往往需要同时使用缓蚀剂与阻垢剂,通过持续注入或间歇注入的方式进行处理。然而,这些传统方法存在药剂消耗量大、操作复杂以及在管道末段作用效果差等问题。针对上述问题,一些研究人员探索了固体缓蚀阻垢剂,通过将缓蚀剂和阻垢剂等的活性成分封装在载体中来缓释^[12-13]。通过合理的载体选择和制备工艺,固体缓蚀阻垢剂可以极大地延长有效成分的作用时间^[14]。开发高效、环保且适应性更强的固体缓蚀阻垢剂,已成为石油工业领域的一个重要研究方向。

现从固体缓蚀阻垢剂的组成、成型工艺、评价方法和应用效果等方面,阐述油田中固体缓蚀阻垢剂的研究进展,并对未来的发展方向提出展望。

1 固体缓蚀阻垢剂的组成

通常,固体缓蚀阻垢剂由缓蚀剂、阻垢剂、载体及其他成分组成。

1.1 缓蚀剂

腐蚀主要出现在油田钻井、酸化、开采、集输、油水处理和储运等过程中,使用缓蚀剂能够明显降低腐蚀速率^[15-17]。油田常用的缓蚀剂主要有咪唑啉类、曼尼希碱类和季铵盐类^[18]。

1.1.1 咪唑啉类缓蚀剂

咪唑啉是一类含氮的杂环有机化合物,有3种异构体^[19]:2-咪唑啉[图1(a)]、3-咪唑啉[图1(b)]和4-咪唑啉[图1(c)]。近年来,咪唑啉类缓蚀剂由于其低毒性、低成本和环境友好性等特点,受到了广泛的关注,相关研究不断深入^[20-21]。

在CO₂腐蚀环境中,咪唑啉类缓蚀剂通过咪唑啉环上的N原子与金属表面形成配位键,同时疏水烷基链向外延伸形成疏水保护膜,阻断腐蚀介质与金属接触^[22]。随着咪唑啉缓蚀剂烷基链长度增加、浓度提高及环境温度上升,其缓蚀性能增强。向方远等^[23]通过量子化学计算、失重法、电化学测试及表面形貌观察等手段均证实了这一结论。该研究系统性地揭示了咪唑啉缓蚀剂结构与性能的关系,为咪唑啉缓蚀剂的分子设计提供了理论指导。李志元等^[24]以油酸和二乙烯三胺合成咪唑啉中间体,随后合成水溶性咪唑啉季铵盐。该产品水溶性好,显著降低了腐蚀速率,在模拟油田水投加30 mg/L该缓蚀剂,60 ℃时对A3钢片缓蚀率高达90%以上。该研究解决了传统咪唑啉水溶性差的缺陷,其合成方法环保且易操作,是咪唑啉类缓蚀剂实用化的重要进展。

1.1.2 曼尼希碱类缓蚀剂

曼尼希碱是一类通过曼尼希反应合成的有机化合物,该反应将一级或二级胺、甲醛和含有羰基的化合物(如酮或醛)进行缩合。其合成工艺简单、化合物范围广^[25]。图2为曼尼希碱的合成路径。

杨秀芳等^[27]在制备方法上创新,采用一锅法在较为温和的条件下制备出棕红色透明液体的曼尼希碱缓蚀剂,该缓蚀剂缓蚀率最高可达99.18%。这项一锅法合成工艺的创新显著简化了生产流程,降低了能耗和成本,同时实现了超高缓蚀效率,对推动高性能曼尼希碱缓蚀剂的应用具有重要价值。王紫旋等^[28]合成了一种新型的曼尼希碱缓蚀剂(MHX),通过正交试验优化了制备条件,提高了缓蚀剂的性能。采用分子动力学模拟研究了MHX分子在N80钢表面的吸附行为和缓蚀机理,如图3所示。研究结果表明,MHX是一种以抑制阳极为主的混合型缓蚀剂,能在N80钢表面形成致密的保护膜,显著降低腐蚀速率和提高电极阻抗,缓蚀率高达99.63%。该研究结合正交实验优化和分子模拟技术深入研究作用机理,为缓蚀剂的机理探索和性能优化提供了依据。Shen等^[26]合成了一种含有噻唑环的双曼尼希碱(BMT),并通过计算前线轨道及电子密度分布,证实了BMT与金属表面之间存在强烈的相互作用,如图4所示。通过扫描电子显微镜和接触角测量,观察到经BMT处理的碳钢表面更加致密和光滑,并且具有较高的水接触角,如图5所示,这表明其表面形成了稳定的保护层。该研究结合理论计算和表面分析技术,清晰阐述了BMT的防护效果源于强吸附和疏水性保护膜的形成。

1.1.3 季铵盐类缓蚀剂

季铵盐类缓蚀剂是一类含有季铵阳离子的有机化合物,广泛用于金属腐蚀的防护。它们通常通过在有机分子结构中引入季铵盐基团来合成。

温福山等^[29]研究了一种高效季铵盐缓蚀剂DI在1%(质量分数)羟基乙叉二膦酸阻垢剂(HEDP)体系中的缓蚀性能。DI的加入对HEDP的阻垢性能无拮抗作用,如图6所示。试样表面轻微腐蚀,没有明显点蚀,如图7所示,说明缓蚀剂DI在HEDP溶液中缓蚀性能良好。这项研究证明了特定季铵盐缓蚀剂与膦酸盐阻垢剂的良好兼容性,为开发高效固体复合配方提供了依据。阳清正等^[30]对双子型咪唑啉季铵盐进行射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)及能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)测试,结果表明双子型咪唑啉季铵盐分子在金属表面有吸附作用,并且形成了有效的保护膜,其缓蚀机理如图8所示。单独使用较高浓度的季铵盐类缓蚀剂有较好的缓蚀作用,但是通过合理复配缓蚀剂,可以产生协同效应,提高缓蚀效率并减少缓蚀剂的用量,从而降低成本^[31]。张晨等^[32]发现咪唑啉季铵盐(IAS)与十二烷基磺酸钠(SDSH)以1∶1的浓度比例复配时,协同效应最明显,缓蚀率达到88.5%。当IAS和SDSH以适当的比例复配时,它们的阳离子和阴离子可以在金属表面发生共吸附,形成更致密的保护膜,如图9所示,这种有序排列的吸附层提供了更好的缓蚀效果。该研究则展示了通过阴阳离子缓蚀剂复配实现协同增效,进一步佐证了合理复配是优化缓蚀剂的有效途径。

这三类缓蚀剂在油田金属防腐中各有优势。咪唑啉类缓蚀剂具有低毒、低成本和环境友好等特性,广泛应用于油气生产中的各个防腐环节;曼尼希碱类缓蚀剂合成工艺简单,且缓蚀率极高,通过不断优化制备方法,克服了传统缓蚀剂的诸多缺点;季铵盐类缓蚀剂应用广泛,与阻垢剂兼容性好,可以通过复配产生协同效应。在实际应用中,可根据油田不同的需求选择合适的缓蚀剂类型或进行复配使用,以达到最佳的金属腐蚀防护效果。

1.2 阻垢剂

油田阻垢剂是一种用于防止或减少油田设备和管道中水垢沉积的化学添加剂。纵观其发展历程,主要经历了磷酸盐类阻垢剂、共聚物类阻垢剂和环境友好型阻垢剂3个阶段^[33]。

1.2.1 无机磷酸盐类阻垢剂

无机磷酸盐阻垢剂主要以三聚磷酸钠、六偏磷酸钠为主,由于其效率低且易导致磷酸钙垢等问题,目前已基本被淘汰。

1.2.2 有机膦酸盐类阻垢剂

有机膦酸类阻垢剂主要有乙二胺四甲叉膦酸(EDTMPA)、己二胺四甲叉膦酸(HDTMPA)、羟基乙叉二膦酸(HEDP)、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTCA)和氨基三亚甲基膦酸(ATMP)等,其阻垢性能优异,在油田中被广泛使用。

有机膦酸盐阻垢剂存在生物降解性差和热稳定性差的问题^[34]。为了解决这些问题,Kelland^[35]在芳香环上引入膦酸盐基团研制了一系列新型芳香族氨基亚甲基膦酸盐(SI-1、SI-2、SI-3、SI-4)。其中SI-1和SI-4相比已知的氨基膦酸盐有更优异的阻硫酸钡和碳酸钙垢性能;SI-1具有良好的热稳定及钙离子兼容性;SI-3具有良好的生物降解性(28 d内降解30%)。该研究代表了阻垢剂的重要改进方向,即通过分子结构创新来提升性能、热稳定性、钙容忍度等,这为开发高性能阻垢剂提供了有价值的思路。

1.2.3 共聚物类阻垢剂

共聚物阻垢剂通过自由基聚合的方式合成,其合成涉及多种单体,例如丙烯酸、磺酸盐、衣康酸等,这些单体的不同组合和比例可以影响最终产品的阻垢性能。

常规阻垢剂在高温高硬水的环境中性能会下降,磷基羧酸类缓蚀阻垢剂能较好地解决此问题,但是含磷量过高时会污染环境。宋绍富等^[36]研究了一种新型低磷共聚物阻垢剂MA-AMPS-HPA。该阻垢剂能干扰方解石的生长,诱导文石和球霰石的生长,并且对碳酸钙具有良好的晶格畸变、螯合增溶与分散作用。80 ℃下60 mg/L时其阻垢率最高可达94.82%,优于PASP和PESA商用绿色型阻垢剂,与HEDP、PBTCA和ATMPA磷酸盐类阻垢剂性能接近,但对环境的污染显著减少。Liu等^[37]研究了一种新型环保的聚醚共聚物(AL15)缓蚀阻垢剂,AL15是从封端聚醚衍生的,易于制备,成本较低,具有优异的缓蚀阻垢性能。AL15在浓度相对较低时(100 mg/L)就能达到91.1%的抑制效率。如图10所示,AL15通过亲水性嵌段聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA)和聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)与钙离子形成复合物,干扰CaCO₃和CaSO₄晶体的正常生长和聚集。AL15不含磷、氮和硫,比传统的含磷阻垢剂更环保。

1.2.4 环境友好型阻垢剂

绿色阻垢剂指对环境友好、无毒、可生物降解的阻垢剂,随着环保意识的增强和法规的严格,绿色阻垢剂的研究和应用越来越受到重视。

聚天冬氨酸(PASP)是一种有发展前途的绿色阻垢剂^[38],但其在高温、高硬度环境下稳定性较差。方钫等^[39]通过对PASP的中间体聚琥珀酰亚胺(PSI)进行改性,选择邻氨基酚磺酸(3A4HBSA)合成了一种新型的接枝共聚物阻垢剂PASP/3A4HBSA。在相同的阻垢剂浓度、温度、时间、pH条件下,PASP/3A4HBSA比PASP的抗温、抗盐、分散能力更好。在最适宜条件下,PASP/3A4HBSA对CaCO₃的阻垢率达到92.7%。该研究通过磺酸基等功能基团的接枝改性,有效克服了PASP在苛刻工况下性能下降的缺点,为拓展绿色阻垢剂的应用范围提供了有效策略。在油田生产中,硫酸钡垢是一个严重的问题,其溶解度小、沉淀结垢快,易吸附于管道内壁,导致管道堵塞。李建波等^[40]以水溶性O-羧甲基壳聚糖(O-CMC)与聚琥珀酰亚胺(PSI)为原料,合成了一种新型的聚天冬氨酸接枝共聚物绿色阻垢剂PASP/O-CMC。在阻垢剂质量浓度为100 mg/L、温度为80 ℃、时间为16 h、pH=10时,PASP/O-CMC对BaSO₄的阻垢率达到93.6%。该研究不仅解决了BaSO₄阻垢难题,还体现了利用天然可再生资源开发高性能化学品的趋势。

聚环氧琥珀酸(PESA)是20世纪90年代美国开发的一种绿色阻垢剂。何振波等^[41]研究表明,PESA的阻垢性能优于PASP。柳鑫华等^[42-43]对聚环氧琥珀酸(PESA)进行乙醇胺(MEA)改性,合成了MEA-PESA,显著提高了对碳酸钙和磷酸钙的阻垢效率;又利用衣康酸对聚环氧琥珀酸进行改性,合成了一种阻垢性能优异的衣康酸改性聚环氧琥珀酸(IA-PESA)。其对CaCO₃阻垢率达到90%以上,对CaSO₄阻垢率高达95%以上,在Ca²⁺和pH浓度环境下依然保持稳定高性能。IA-PESA使致密度较高、晶格结构规整的CaCO₃和CaSO₄钙垢变为致密度较低、疏松、形状不规整的晶型结构,从而抑制了钙垢的生长和沉积。

总体而言,无机磷酸盐类阻垢剂效果差,应用较少;有机膦酸盐类阻垢剂性能优异,但生物降解性与热稳定性差,只适用于一般油田环境;共聚物类阻垢剂阻垢性能高效、化学稳定性良好、对环境相对友好且有一定缓蚀功能,但其价格相对较高、对不同环境适应性较差;环境友好型阻垢剂虽然绿色环保,但仍然存在稳定性较差、成本较高、制备困难、微生物抑制能力差等缺点。选择油田阻垢剂时,要综合考虑油田的环境条件、环保要求和成本因素。

1.3 载体

载体在固体缓释阻垢剂中承载缓蚀剂和阻垢剂等有效成分,并控制其释放。

1.3.1 聚乙烯醇

聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)是一种水溶性高分子聚合物,具有良好的成膜性和黏结性。其可以与缓蚀剂与阻垢剂等有效成分形成均匀的混合物,其几乎不溶于冷水,但可溶于95 ℃的热水中。PVA具有生物相容性、无毒、化学稳定性和廉价等特点^[44],能够保证固体缓蚀阻垢剂的长期稳定性。PVA水凝胶在10~70 ℃范围内溶解性最好^[12],适合作为油田管道系统中的可持续释放载体。

Gu等^[12]实验发现絮状、粉末和颗粒3种形态的PVA,只有颗粒形式的PVA与水兼容(图11)。为了找出PVA与蒸馏水的合适比例,将5 g PVA浸入10~25 mL不等的蒸馏水中(图12)。根据PVA的有限溶胀行为^[45],可以得出20 mL对5 g PVA是PVA水凝胶制备的最佳比例。该研究提供了PVA作为载体时形态选择和溶胀比例的关键数据,但是实验仅基于蒸馏水,在实际应用中温度、离子矿化度和pH等都可能影响溶胀和释放行为,需进一步研究。王冬至等^[46]优选出PVA1788作为固体阻垢剂载体。并采用多元醇对PVA进行改性,将醇类中的羟基接枝到PVA上,从而达到了提高溶解度的目的。王冬至等^[46]的改性目的在于拓宽PVA的温度适用范围。这对适应不同温度的油田管道具有积极意义,但改性后释放特性和稳定性仍然需要验证。

1.3.2 微胶囊

微胶囊具备优良的缓释性,利用天然或合成的高分子材料将固体微粒或液体液滴包裹起来形成微型容器,在适当条件下,壁材被破坏或因内外浓度梯度差而将芯材释放出来,有效地延长芯材作用时间。

李养沛等^[47]以耐热材料聚苯乙烯为壁材,以固相/油相/水相溶剂挥发法制备新型阻垢缓释微球。制备的微球静态释放时间长达100 h,动态释放时间超过20 h。该研究同时实现了良好的缓释性和热稳定性,但也应考虑到聚苯乙烯的生物降解性差。周毅曦^[48]确定了影响微胶囊释放性能的因素,包括水油比、搅拌速率、乳化剂种类及浓度、芯材加入量、分散剂、纤维素用量和添加剂等,该研究系统总结了影响微胶囊性能的关键因素,为设计和优化微胶囊载体提供了重要指导,这些因素在不同类型微胶囊中作用各异,需合理调控以优化微胶囊性能。余嵘等^[49]采用三聚氰胺甲醛树脂作为外壳,通过原位聚合法制备了含三元共聚物IA-HEMA-AMPS的微胶囊阻垢剂。所制备的微胶囊阻垢剂具有规则球状结构和良好稳定性。静态释放实验显示,在60 h内释放率达80%,呈现出初期释放快、后期逐渐稳定的特点。而在动态释放实验中,13 h内释放完成,最高释放率达96.2%,且第2小时释放量超过第1小时。MF微胶囊的SEM图像如图13所示。该研究表明MF微胶囊释放模式会受到流动状态调控。在高流速区快速释放建立保护,低流速区缓慢释放维持浓度。同时MF树脂的甲醛释放风险需要谨慎评估。

1.3.3 复合载体

复合载体是由两种或两种以上不同材料组合而成的载体。不同材料通过协同作用,使复合载体具有更好的缓释性能和更强的实际应用适应性。

吴春生等^[50]开发了一种基质型固体缓蚀剂胶囊颗粒。以质量分数为30%乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)来包覆硅藻土制备出固体缓蚀剂胶囊颗粒。该研究利用EVA的热塑性和黏结性结合硅藻土的吸附性,形成了一种物理混合型复合载体,其缓释机制主要依赖于EVA基质的缓慢溶解和硅藻土的吸附-解吸。张光华等^[51]采用海藻酸钠(SA)与聚乙烯醇(PVA)混合制备SA/PVA复合水凝胶微球来控制缓蚀阻垢剂(QAS)的释放,其释放时间可达20 d以上。该研究结合了天然高分子SA和合成高分子PVA的优点,形成的互穿或半互穿网络结构能有效延缓阻垢剂释放,展示了复合水凝胶在长效释放方面的优势。户乔伟等^[52]以硅藻土和高岭土为载体,负载PBTCA阻垢剂,并与PVA复合制成长效缓释阻垢颗粒。这种颗粒通过二级控释机制实现60 d的长效缓释,如图14所示,高岭土的加入既提高了颗粒密度,也增加了阻垢剂的负载量。该研究巧妙结合了多孔矿物载体和聚合物包覆的优势,实现了二级控释和超长缓释时间,同时解决了颗粒密度问题,设计理念先进,效果显著。

不同类型的载体在固体缓蚀阻垢剂中各有优劣。聚乙烯醇稳定性好但溶解条件苛刻;微胶囊缓释性能突出且热稳定性较好但制备相对复杂;复合载体通过材料协同作用满足多种应用需求,但可能存在需优化配比等问题。在实际应用中,应综合考虑离子、流速和缓蚀阻垢剂添加量等因素,选择合适的载体,以达到最佳的效果和经济效益。

2 固体成型工艺

固体分散技术是指将缓蚀剂、阻垢剂等有效成分高度分散在适宜的载体材料中形成固体分散体的技术。这种技术可以提高有效成分的溶解性能和稳定性^[53],进而提高缓蚀阻垢效果。

在油田生产中,利用固体分散技术使固体缓蚀阻垢剂成型对其性能和应用效果起着关键作用。目前主要的几种固体缓蚀阻垢剂成型工艺如表1所示。

综上所述,在选择固体缓蚀阻垢剂的固体成型工艺时,需要考虑缓蚀阻垢剂的性质、载体材料的特性、应用场景的要求以及成本等因素。不同的工艺各有优缺点,应根据具体情况进行合理选择,以实现最佳的缓蚀阻垢效果和经济效益。

3 固体缓蚀阻垢剂的评价方法

常规的缓蚀阻垢剂评价指标主要包括缓蚀性能指标和阻垢性能指标,具体如表2所示。这些常规指标为缓蚀阻垢剂的性能评估提供了基础依据。

然而,对于固体缓蚀阻垢剂而言,仅仅依据常规评价方法是不够的。除了常规的缓蚀阻垢性能评价方法外,综合考虑缓释性能、稳定性方面的评价方法,才能够更全面、准确地评估其性能,为其在油田领域的有效应用提供有力保障。

3.1 缓释性能

3.1.1 释放速率

张光华等^[51]将负载了缓蚀阻垢剂的SA/PVA凝胶微球浸泡于100 mL水中,以特定的时间间隔收集样品,之后加入相同量的新鲜水,然后用紫外可见分光光度计检测药物在相同时间间隔的释放量,释放速率计算公式为

(6)

$R=\frac{{C}_{n}-{C}_{n-1}}{{t}_{n}-{t}_{n-1}}$

式(6)中:R为释放速率;C_n为第n次取样时溶液中阻垢剂有效成分浓度;C_n_-1为第n-1次取样时浓度;t_n和t_n_-1为相应取样时间。

测定缓释速率可以帮助确定药剂的加药周期,确保药剂在系统中持续有效。但需要注意实验条件的控制和药物稳定性等问题,水的温度、pH等因素可能会影响药物的释放速率。

3.1.2 释放时间

Xiao等^[45]使用了一级动力学模型来拟合释放行为。模型公式为

(7)

$Q=a(1-{\mathrm{e}}^{-bt})$

式(7)中:Q为阻垢剂的累计释放比例;t为材料的溶解时间;a和b为模型参数,分别表示最大释放比例和释放速率常数。

将实验获得的质量损失数据转换为累计释放比例Q。具体计算方法为

(8)

$Q=\frac{{M}_{t}}{{M}_{0}}$

式(8)中:M_t为在时间t时的质量损失;M₀为初始样品的质量。

使用一级动力学模型对Q和t的数据进行拟合,通过拟合曲线,确定模型参数a和b,最后根据模型参数,预测阻垢剂的释放时间。预测阻垢剂可以连续释放超过120 d。该方法具有预测能力强和数据处理简便的优点,但也存在模型局限性。在实际应用中,需要根据具体情况进行选择和调整,以提高模型的准确性和可靠性。

3.2 稳定性

3.2.1 热稳定性

热稳定性对于高温油井中应用的固体缓蚀阻垢剂非常重要,因为热分解可能会严重影响其性能。王静^[77]对QAS和PDSI两种缓蚀阻垢剂进行了热重分析。实验在氮气氛围中进行,温度范围为50~800 ℃,升温速率为10 ℃/min^[78]。通过记录样品的质量变化,计算分解的起始温度、完成温度和残留物的重量百分比,得出结论:QAS在较低温度下具有较好的热稳定性,随着温度升高逐渐分解。PDSI在更宽的温度范围内表现出较高的热稳定性,分解过程相对缓慢。TGA能够提供全面、准确的热稳定性信息。然而,对于复杂的共聚物样品,TGA的分析可能会受到局限。

3.2.2 机械稳定性

利用振动试验和压缩试验来评估固体缓蚀阻垢剂的机械稳定性是一种直观、实用且可靠的方法。振动试验通过检查样品在不同振动条件下是否出现损坏和释放性能变化来判断稳定性;压缩试验则是通过观察样品在不同压力下的变形和破裂情况来评估稳定性。

4 固体缓蚀阻垢剂的现场应用

4.1 现场投加方式

对于井筒结垢,在修井时将固体缓蚀阻垢剂放置于筛管以下的装载管中使用^[79];对于地面系统结垢,可以通过在侧线管道中放置的方式投加^[80];对于在水力压裂操作,将具有一定机械强度并且和支撑剂大小相当的固体缓蚀阻垢剂颗粒随着压裂液加入地层中使用^[81]。

4.2 现场应用情况

固体缓蚀阻垢剂在油田中的应用效果显著,如表3所示。

综上所述,固体缓蚀阻垢剂在油田现场应用中具有一定的效果,能延长设备使用周期、降低成本和作业频次等,但也存在温度适应性、特殊井况适应性以及耐温性等方面的不足,在实际应用中需要根据具体油田情况选择合适的固体缓蚀阻垢剂并注意其局限性。

5 结论与展望

固体缓蚀阻垢剂凭借其缓释特性,在降低加药频率与成本、延长保护周期以及简化加药流程等方面展现出显著优势,在实现其更高效广泛的应用过程中,仍然需突破一系列关键技术瓶颈,有望成为处理油田腐蚀结垢问题和保障生产安全的有效措施。未来研究的重点和难点主要集中在以下几个方面。

(1)针对极端的油田环境,需要开发耐温性更强、化学稳定性更高的缓蚀阻垢剂,例如通过化学枝接和改性合成新型高效固体缓蚀阻垢剂的优势,提升对BaSO₄、SrSO₄等难溶垢的抑制能力。

(2)研发具有高生物降解性和低毒性的固体缓蚀阻垢剂,逐渐使用环境友好型产品是必然趋势。

(3)固体缓蚀阻垢剂在复杂体系中的释放受到多种因素影响,对于在动态、非均相体系中的释放过程和机理需更深入的定量研究,以便建立有效的动力学模型,对复杂工况的使用情况进行预测。

(4)发展对温度、压力、pH、离子浓度等刺激敏感的智能载体材料,使固体缓蚀阻垢剂能够在特定区域和时间稳定释放,提高利用效率,减少浪费。

(5)高效低成本的固体缓蚀阻垢剂制备工艺是实现规模化应用的关键。进一步提高载药量和包封效率,开发低成本复合载体和简化成型工艺。

(6)目前,关于固体阻垢剂的评价没有相应的国家标准和行业标准。针对不同应用场景,需要建立科学、可靠的固体缓蚀阻垢剂性能评价方法和技术标准。

油田固体缓蚀阻垢剂技术的突破需融合材料学、化学与油藏工程等多学科,通过产学研协同创新,以推动其高效化、智能化、绿色化,为油气田安全高效开发提供技术保障。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

陕西省自然科学基础研究计划(2021JQ-600)

陕西省教育厅科研计划(21JK0841)

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Received	Published	Revised
2025-03-30	2026-02-18	2025-07-27
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2026-05-27

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