任坤峰，舒福昌，羅 剛，王 珊，林科雄，郭 慶

（1.長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州 434000；3.中海油研究總院，北京 100027）

為了解決注入水與地層水的不相溶問(wèn)題，常在注水系統(tǒng)投加化學(xué)防垢劑。采用向井下連續(xù)或間歇擠注化學(xué)防垢劑的方法可阻止油井結(jié)垢，即將防垢劑溶液注入地層，利用防垢劑的吸附或與地層中某些物質(zhì)的反應(yīng)，使防垢劑吸附在巖石表面或沉積在孔隙中。油井生產(chǎn)時(shí)，防垢劑緩慢溶解或脫附進(jìn)入產(chǎn)出液而起到防垢的作用[1]。

井下擠注防垢技術(shù)的關(guān)鍵在于防垢劑的優(yōu)選。要使擠注防垢有效期較長(zhǎng)，則首先要求防垢劑在地層中有較好的吸附性能[2]?？梢酝ㄟ^(guò)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)防垢劑的吸附性能進(jìn)行研究。并采用正交試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估地層礦物種類(lèi)、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)時(shí)間對(duì)阻垢劑吸附量大小的影響，可以減少不必要的試驗(yàn)次數(shù)，達(dá)到較好的試驗(yàn)結(jié)果。

1 含磷阻垢劑吸附量評(píng)價(jià)方法

1.1 水中微量含磷阻垢劑濃度測(cè)定原理

在酸性溶液中以及室溫下，有機(jī)膦酸鹽防垢劑被硫酸鈰銨氧化成正磷酸，反應(yīng)式如下：

根據(jù)這一反應(yīng)，取一定量含有有機(jī)膦酸鹽防垢劑的水樣，加入過(guò)量的硫酸鈰銨，使之與有機(jī)膦酸鹽防垢劑反應(yīng)，多余的硫酸鈰銨用亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定[3]，反應(yīng)式為：

以亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積（mL），求得水樣中有機(jī)膦酸鹽防垢劑的含量。

1.2 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)方法

（1）用3 %KCl 鹽水配制一定濃度（500 mg/L）的防垢劑溶液待用。

（2）準(zhǔn)備過(guò)20～40 目、40～60 目、60～80 目篩的地層礦物（蒙脫石、高嶺石、石英石）。

（3）按一定液固比=10：1 的比例將防垢劑溶液和固體混合于錐形瓶中，并搖勻。

（4）將錐形瓶置于恒溫水浴鍋中保溫，到預(yù)定時(shí)間t 時(shí)，從上部液相中取樣品，采用硫酸鈰銨氧化法測(cè)量溶液中未被吸附的防垢劑濃度，用下式計(jì)算t 時(shí)刻防垢劑的吸附量[4]：

式中：Γt-防垢劑的表觀吸附量，mg/g；C0、C-地層礦物吸附前后液相中的防垢劑濃度，mg/L；v-吸附體系中的液相體積，mL；m-地層礦物的質(zhì)量，g。

（5）在其他條件一定的情況下，改變溫度、時(shí)間，考察溫度和時(shí)間對(duì)吸附性能的影響。

2 試驗(yàn)和結(jié)果

2.1 正交試驗(yàn)方法的應(yīng)用

為了研究影響阻垢劑吸附量大小的各因素之間的關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)藥品。通常，試驗(yàn)要覆蓋全部的因素組合，即采用全面試驗(yàn)法，但如果使用的因素?cái)?shù)目變多，因素的水平數(shù)目也變多時(shí)，試驗(yàn)量就會(huì)相應(yīng)變大[5]。例如本試驗(yàn)的試驗(yàn)因素為4 個(gè)，因素的水平數(shù)目為3 個(gè)，如果采用全面試驗(yàn)法，就需要進(jìn)行34=81 次試驗(yàn)。因此，要把所有的試驗(yàn)都做完就會(huì)非常不容易。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)方差分析和SN 比來(lái)找出試驗(yàn)的較好試驗(yàn)條件。在試驗(yàn)中，以地層礦物種類(lèi)、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間作為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)條件（見(jiàn)表1）。試驗(yàn)采用4 個(gè)因素，分別為地層礦物種類(lèi)、礦物顆粒大小、試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間，每個(gè)試驗(yàn)因素采用3 個(gè)水平（見(jiàn)表2）。因此采用L9（34）正交試驗(yàn)表（見(jiàn)表3）。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每次試驗(yàn)完成后清洗儀器并重新配置樣品，并在吸附試驗(yàn)后的溶液中取5 個(gè)樣品，測(cè)量剩余阻垢劑濃度，計(jì)算出吸附量大小，然后取其平均值。

表1 試驗(yàn)條件

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 試驗(yàn)分析和結(jié)果討論

根據(jù)上述步驟進(jìn)行了試驗(yàn)后，測(cè)量并計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算SN 比，并以SN 比為指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表3 中列出了計(jì)算出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。首先，通過(guò)直觀分析法來(lái)看，由表3 中各號(hào)試驗(yàn)的Γt 值可以看出第9 號(hào)試驗(yàn)的Γt值最小，為0.13，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件為A3B3C2D1；并且由極差的計(jì)算結(jié)果可知R1＞R4＞R3＞R2，所以，地層礦物類(lèi)型，即因素A 是最主要的，其次是試驗(yàn)時(shí)間（因素D）、試驗(yàn)溫度（因素C），而礦物顆粒大?。ㄒ蛩谺）影響最小，因此在試驗(yàn)中應(yīng)選擇石英石來(lái)做吸附量大小的試驗(yàn)結(jié)果作為主要參考對(duì)象。

表4 方差分析表

其次，以SN 比為指標(biāo)，進(jìn)行方差分析，用方差分析來(lái)分析試驗(yàn)，將上述數(shù)據(jù)整理成方差分析表（見(jiàn)表4）。試驗(yàn)沒(méi)有空列，因?yàn)?0.005 最小，所以將作為誤差平方和，方差分析表明，只有因素A 也就是地層礦物類(lèi)型對(duì)吸附量的影響是顯著的。并且表明，在此試驗(yàn)中，礦物顆粒大小是對(duì)吸附量的影響最小的因素，其他3 個(gè)因素則對(duì)吸附量均有較大的影響，但是，地層礦物類(lèi)型是3 個(gè)因素中對(duì)吸附量的影響最大的因素。對(duì)于顯著因素A，其最優(yōu)的水平為A3，對(duì)其余因素也選取最優(yōu)水平，則由表3 可知，最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為A3B3C2D1，也就是地層礦物類(lèi)型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗(yàn)溫度為80 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為5 h，這與直觀分析法的判讀結(jié)果是一致的。并結(jié)合實(shí)際考慮，目標(biāo)油田地層礦物組分中石英石含量是最大的，并且儲(chǔ)層溫度在80 ℃～100 ℃范圍內(nèi)，所以選擇由正交試驗(yàn)法得出的最優(yōu)試驗(yàn)方案來(lái)進(jìn)行阻垢劑的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，并能夠達(dá)到相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3 結(jié)論

（1）含磷阻垢劑在地層中的吸附量大小對(duì)阻垢劑的阻垢效果有較大的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)選出了最佳試驗(yàn)方案，并通過(guò)靜態(tài)吸附量實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了含磷阻垢劑的吸附性能。

（2）在4 個(gè)實(shí)驗(yàn)因素中，地層礦物類(lèi)型對(duì)吸附量影響最大，礦物顆粒大小對(duì)吸附量影響最小。

（3）最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案組合為A3B3C2D1，也就是地層礦物類(lèi)型為石英石，礦物顆粒大小為60～80 目，試驗(yàn)溫度為80 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為5 h。

（4）采用正交試驗(yàn)法和靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)阻垢劑吸附量，可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本，并能能夠達(dá)到相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

［1］ 夏小春，莫成孝，王同友.國(guó)外防垢劑擠注工藝研究進(jìn)展［J］.油田化學(xué)，2009，（3）：338-343.

［2］ 閆方平，任韶然，樊澤霞，等.井下擠注用防垢劑的選擇與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法［J］.石油與天然氣化工，2007，（6）：495-499.

［3］ 王銀山，申蕙云，孫永剛，等.油田采出水中微量含磷防垢劑的測(cè)定［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，（1）：149-150.

［4］ 左景欒，任韶然，于洪敏，等.防垢劑吸附性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油與天然氣化工，2008，（2）：145-148.

［5］ 李艷玲，范艷花，陶偌偈.SPSS16_0 軟件在化學(xué)正交試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.探索實(shí)踐，2011，（6）：17-19.