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油田硫酸钡结垢机理及防垢技术研究进展

文档作者：马文杰，唐礼强，蒲彬文档来源：成都齐达水处理工程股份有限公司		点击数：	更新时间： 2023年08月15日
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2016年5月马文杰等．油田硫酸钡结垢机理及防垢技术研究进展5 1
油田硫酸钡结垢机理及防垢技术研究进展
马文杰，唐礼强，蒲彬
(成都齐达水处理工程股份有限公司，成都610000)
摘要总结了在油气田开发中硫酸钡的结垢机理及其影响因素；介绍了化学、物理和工艺技术
对硫酸钡垢的防治。重点综述了高性能阻垢剂的研制和改变宏观和微观形态的阻垢剂的特殊性
能，论述了超声波和纳滤膜技术防硫酸钡垢的机理和应用，对硫酸钡防垢技术的发展作了展望。
关键词硫酸钡结垢机理防垢阻垢剂油田
油气田开发进入中后期，注水采油(SOR)技
术的应用使油田进入高含水期，同时产生严重的
结垢问题¨‘2 J。在地层、井筒、设备和地面系统等
中会发生结垢，从而堵塞油气孔隙和通道，造成渗
透率降低，油气产量减少，能耗增大和产生垢下腐
蚀，严重影响油田的正常生产"‘4 J。
油田结垢类型有碳酸盐垢(CaCO，)、硫酸盐
垢(CaSO。，BaSO。，SrSO。)和铁垢等，且相互问形
成混合垢∞J。对碳酸钙和硫酸钙垢的防垢技术
较成熟，且可采用酸化工艺除碳酸盐垢∞J。硫酸
钡垢不溶于酸，其质地坚硬，在油田上，很难清
除_7|。防硫酸钡垢成为采油技术研究的重点，其
防垢技术主要分为化学、物理和工艺防垢。
1硫酸钡的结垢机理和影响因素
1．1硫酸钡的结垢机理
通过对硫酸钡结垢机理的研究，硫酸钡结垢的
主要原因是：化学不相容性(流体的不配伍性)和
热力学不稳定性旧j。化学不相容性是造成硫酸钡
结垢的最主要原因：当注入水中含大量s谚一时，与
地层水中Ba2+相遇易产生BaSO。垢一J。其结垢过
程：Ba2+和so：一过饱和溶液，形成BaSO。晶体，产
生BaSO。沉淀；由于硫酸钡具有极低的溶度积，且
产生沉淀的速度快于其他类型的垢¨0。11 J。由热力
学不稳定造成的结垢，是由于温度、压力、pH、盐含
量等影响因素的改变，打破原有的BaSO。在水中溶
解平衡而造成沉淀物析出¨引。
出现复杂BaSO。混合垢的形成原因是通过
吸附与吸留作用：在静电力作用下，选择性的吸附
垢晶离子，且离子价数越高越易被吸附，导致多种
结垢离子出现共沉积；在沉淀过程中，在吸留作用
下，新的沉积物进入原来沉淀的晶体中，形成更复
杂的混合垢¨“。
1．2影响硫酸钡结垢因素
通过研究发现，盐含量对硫酸钡的溶解度影
响大，在盐效应作用下，当NaCl含量增大，Ba2+与
SO：一相互间吸引力减弱，BaSO。溶解度增大，增
大到一定值后不再增加；温度增加，BaSO。溶解度
增大，但增大幅度较小；压力和pH对BaS04结垢
的影响很，J、114 3。
根据油田硫酸钡结垢因素，建立了数学模型
预测其结垢趋势，如化学一力学模型和硫酸钡沉
积模型预测硫酸钡的沉积及流动特性和在地层的
多项流动中Ba2+和SO；一的扩散，对地层的伤
害¨卜16J。虽然这些模型还不能准确反映硫酸钡
在地层中结垢的真实性，但对于油田防垢还具有
一定的指导意义。
通过硫酸钡结垢机理和影响因素的研究及分
析了很多油田的不同部位的垢样，发现硫酸钡结
垢主要集中在地层．尤其在注水井近井地带内结
垢严重，及集输系统内结垢。
2化学防硫酸钡垢
化学防垢是通过加入阻垢剂，利用其络合增
溶作用、分散作用、晶格畸变作用阻止垢的形成和
沉积，是油田常用防垢技术¨7|。在化学防垢技术
方面，目前主要是研制和合成性能优越和特殊性
能的阻垢剂。
2．1研制和合成的阻垢剂
在阻垢剂研制和合成中，多数是聚合物阻垢
剂，其次绿色阻垢剂及水溶性单体阻垢剂。
2．1．1聚合物阻垢剂
针对硫酸钡的阻垢剂，除一些有机膦(如
收稿日期：2015～10—13。
作者简介：马文杰，工程师，硕士，从事工业水处理和油田化
学方面的研究。52
精细石油化工进展
ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS 第17卷第3期
PBTCA，DTPMP等)外，以聚合物类阻垢剂为主，
其以丙烯酸(AA)或马来酸酐(MA)为主要原料，
与含其他官能团的单体(如含磺酸基、酯基、酰胺
基等)共聚而成。由于多官能团的作用，提高了
共聚物阻垢剂的阻垢性能及抗盐性、抗温性等。
目前阻硫酸钡垢的共聚物有：以马来酸酐
(MA)、甲基丙烯酸(MAA)、丙烯磺酸钠(SAS)为
原料，其物质的量比1．0：0．8：0．1，1％引发剂过
硫酸铵，单体质量分数20．48％，反应温度80℃，
反应时间5 h，合成了阻垢剂MMS；在标准条件
下，MMS浓度200 mg／L时，对硫酸钡的最高阻垢
率达99％，且具有较好的抗温性和抗盐性¨81。
以MA、丙烯酰胺(AM)、2一丙烯酰胺一2一
甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸羟丙酯(HPA)为原
料，其质量比为12：6：4：3，引发剂过硫酸铵为单
体总质量的14．5％，反应温度80℃，反应时间
4 h，反应完成后用氢氧化钠调节pH为7～8，合
成了MA—AM—AMPS—HPA阻垢剂；在标准条
件下，该阻垢剂用量40 mg／L，对硫酸钡的最高阻
垢率达99％；且在高pH下具有较好的阻垢效果
和抗盐性¨引。
以MAA、2一(Ⅳ，J7v一二亚甲基羧基)胺甲基一
丙烯酰胺基二乙酸(MOPBG)、AMPS为原料，其物
质的量比为3：2：1，反应温度为75℃，引发剂硫酸
铵为单体总质量的8％一10％，保温时间3 h，合成
了MAA—MOPBG—AMPS阻垢剂；由于MOPBG含
4个羧基，其用量20 mg／L，对硫酸钡的阻垢率达
97％；且具有很好的抗温性和抗盐性㈣j。
以MA、AA、乙烯酸乙酯(VAC)、AMPS为原
料，其物质的量比为4：2：l：0．04，引发剂过硫酸
铵为单体总质量的5％，反应温度80℃，反应时
间5 h，合成了阻垢剂TR一2；该阻垢剂适用于高
Ba2+的环境，当应用在模拟油田注水过程中，用量
350 mg／L，对硫酸钡的阻垢率80％以上；该阻垢
剂具有很好的抗温性和抗盐性旧1|。
以MA、AA、HPA为原料，其单体的配比为
1：0．4：0．6，引发剂过氧化氢为单体总质量的
14％，反应温度90℃，反应时间4 h，合成了
MA—AA—HPA的阻垢剂；该阻垢剂在加量为
30 mg／L时，对Ba¨为370 mg／L的水质，阻垢率
达100％，具有很好的阻硫酸钡垢的效果悼2I。
聚合物类阻垢剂种类较多，且随着各种功能
单体的开发，丰富了聚合物阻垢剂的多样性。
2．1．2绿色阻垢剂
随着对环保要求的增加，绿色阻垢剂聚环氧
琥珀酸(PESA)和聚天冬氨酸(PASP)成为研究的
热点，PESA与PASP不仅具有很好的阻硫酸钡垢
性能，且还具有一定的缓蚀性和生物降。解
性心3-24]。通过实验发现，PESA的阻硫酸钡垢性
能优于PASPⅢJ。PESA相对分子质量为1 100—
1 266时，能很好的阻止油田污水中Ba2+沉积为
硫酸钡垢ⅢJ。
由于油田的复杂性，及生物对PESA和PASP
的降解作用，导致其阻垢性能变差，对其进行改
性。目前其改性后对阻硫酸钡垢的效果不明显，
如ESA与SAS共聚后，对阻硫酸钡垢的性能欠
佳【2 7|；但对绿色阻垢剂的改性会成为阻垢剂的发
展方向。
2．1．3水溶性单体阻垢剂
通过亲核取代代替聚合反应，合成了水溶性
单体阻垢剂；如以多乙烯多胺和氯乙酸钠为原料，
其物质的量比为4：1，水为溶剂，反应物质量分数
为60％，反应温度为80℃，反应时间为12 h，合
成了MCC阻垢剂；该阻垢剂是通过羧基对Ba2+
进行螯合作用，在标准条件下，用量为150 mg／L，
阻垢率为86．4％；该阻垢剂具有较好的抗盐性，
抗温性稍差旧引。
在阻垢剂的应用过程中，采用将两种或多种
阻垢剂复配后应用，达到很好的阻垢效果，如
PEAS与PBTCA复配或与含多官能团的共聚物复
配等。
2．2特殊性能的阻垢剂
研究了改变商品化阻垢剂的宏观和微观形
态，使其产生最优化的效果，及提高对一些特殊地
层的适应性。
2．2．1改变宏观形态阻垢剂
通过改变商品化阻垢剂的外部形态实现阻垢
效果的优化。研究了改变聚合物阻垢剂的结构：
如将共聚物(AA—AM—AMPS)与交联剂Ⅳ，J7v’一
亚甲基双丙烯酰胺(MBA)合成了聚丙烯酸类树
脂，在Ba2+形成垢盐前，该树脂的立体结构能吸
附Ba2+在其表面和活性基上，减少溶液中Ba2+，
从而起到很好的防垢效果旧J。
改变阻垢剂的状态：将传统的液体型变为固
体型阻垢剂，即一种或多种硫酸钡阻垢剂通过助
剂、黏合剂(如聚乙烯醇)的作用后，胶结黏合固

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