AMPP Paper 17630-2022
Использование диспергатора сульфида железа КМЦ в кислой среде для контроля осаждения сульфида железа

Стандартный №

AMPP Paper 17630-2022

Дата публикации

2022

Разместил

Association for Materials Protection and Performance (AMPP)

Последняя версия

AMPP Paper 17630-2022

сфера применения

Технические основы и проблемы контроля образования накипи сульфида железа

В процессе добычи нефти и газа сероводород, образующийся в результате коррозионных реакций в скважинах, соединяется с ионами железа, быстро образуя осадки сульфида железа (FeS). Образование накипи сульфида железа является одной из наиболее сложных проблем при добыче нефти и газа. Ее уникальная олеофильная природа затрудняет отделение от нефтяной фазы в процессе добычи. Традиционные пороговые ингибиторы имеют ограниченную эффективность в контроле образования накипи сульфида железа, в первую очередь из-за чрезвычайно низкой энергии активации осаждения сульфида железа (7,13 кДж/моль), что значительно ниже, чем у других минералов, таких как барит (30,6 кДж/моль).

Механизм диспергирования карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ)

Карбоксиметилцеллюлоза является производным целлюлозы. Карбоксилметильные группы в его молекулярной структуре связываются с поверхностью частиц FeS посредством бидентатных мостиков. КМХ имеет кажущееся значение pKa 4,1. Степень протонирования карбоксильных групп при различных значениях pH напрямую влияет на его диспергируемость. В этом исследовании в качестве диспергатора использовалась КМХ с молекулярной массой 250 000 г/моль и степенью замещения карбоксиметильной группы 0,7.

Экспериментальные условия	Температура (°C)	pH	Индекс насыщения FeS	Критическая концентрация КМХ (мг/л)	Диапазон размеров частиц (нм)
Время выдержки #1	70	5,2	0,54	20	170-335
Ожидание. #2	90	5,2	0,59	40	-
Ожидание.	70	4,3	0,13	100	300-530
Ожидание. #5	70	6.7	1.27	5	-

---

Влияние температуры на свойства дисперсии КМЦ

Повышение температуры существенно влияет на эффективность дисперсии КМЦ. При pH 5.2 критическая концентрация КМЦ составляет 20 мг/л при 70°C, но увеличивается до 40 мг/л при 90°C. Это явление тесно связано с ускоренной кинетикой осаждения FeS с ростом температуры, требующей более высоких концентраций КМЦ для предотвращения роста частиц FeS. Согласно модели дисперсии, разработанной Ваном и др., необходимая концентрация диспергатора обратно пропорциональна квадратному корню из температуры.

Механизм регулирования pH на эффективность дисперсии

pH является ключевым фактором, влияющим на свойства дисперсии КМЦ. При снижении pH с 6,7 до 4,3 критическая концентрация КМЦ значительно увеличивается с 5 мг/л до 100–400 мг/л. Это в первую очередь объясняется двумя факторами: во-первых, более низкий pH приводит к увеличению концентрации Fe(II) в растворе, что приводит к большему пересыщению; во-вторых, повышенное протонирование карбоксильных групп КМЦ при низком pH снижает их связывающую способность с частицами FeS.

---

Анализ взаимодействия молекул КМЦ с частицами FeS

В исследовании было рассчитано количество молекул КМЦ, прикрепленных к одной частице FeS. Если предположить, что всё осажденное железо находится в форме макинавита (молекулярная масса 88 г/моль, плотность 5 г/см³), то размер одной частицы FeS составляет приблизительно 4 нм. При различных экспериментальных условиях для эффективного рассеивания требуется 0,2–1 молекулы КМЦ на частицу FeS, что значительно превышает покрытие поверхности (15–20%), необходимое для традиционных пороговых ингибиторов.

Опыт № 2	30	1,48×10¹⁷	4,82×10¹⁶	0,33
Опыт #3	30	1,48×10¹⁷	9,63×10¹⁶	0,65
Опыт. #3	200	9,85×10¹⁷	9,63×10¹⁷	0,98
Опыт. #4	100	4,92×10¹⁷	2,41×10¹⁷	0,49
Опыт #5	10	4,92×10¹⁶	1,20×10¹⁶	0,24

---

Синергический эффект: сочетание КМЦ с традиционными ингибиторами

Было оценено синергетическое действие КМЦ с традиционными пороговыми ингибиторами (DTPMP и PPCA). При 70 °C извлечение железа через мембранный фильтр 0,22 мкм составило всего 20% при использовании только 20 мг/л КМЦ. Однако в сочетании с 10 мг/л ДТПМФ извлечение железа значительно возросло до 80%. Этот синергетический эффект может быть обусловлен меньшим размером и более быстрой диффузией молекул ДТПМФ, которые преимущественно адсорбируются на активных центрах кристаллов FeS, подавляя рост кристаллов. Затем более крупные молекулы КМЦ попадают туда и предотвращают дальнейший рост и агрегацию.

Изменение смачиваемости: миграция из масляной фазы в водную

Присущая FeS липофильность является одной из основных причин проблем в производстве. Исследования показали, что в отсутствие КМЦ частицы FeS, как правило, остаются в масляной фазе; однако после добавления 400 мг/л КМЦ частицы FeS полностью мигрируют в водную фазу. Это изменение смачиваемости имеет решающее значение для обеспечения потока, предотвращая образование масляного налета из FeS на границе раздела вода-нефть и закупорку первичных и вторичных сепараторов.

---

Технические преимущества и перспективы применения

Как экологически чистый химикат, КМХ имеет большие перспективы для применения в условиях добычи нефти и газа. Его способность диспергировать накипь FeS в сочетании с его свойствами изменения смачиваемости предлагает новый подход к решению проблемы образования накипи сульфида железа. Технология дисперсии КМХ может обеспечить значительные технические и экономические преимущества, особенно в нефтяных скважинах с низкой обводненностью. Будущие исследования должны быть сосредоточены на долгосрочной стабильности КМХ в условиях различного качества воды и его совместимости с другими производственными химикатами.

Рекомендации по внедрению и эксплуатационные указания

На основании результатов исследований рекомендуется, чтобы в практическом применении: 1) определить соответствующую концентрацию дозировки КМХ на основе pH и температуры системы; 2) рассмотреть возможность комбинирования с ингибиторами фосфатов, такими как DTPMP, для достижения синергетического эффекта; 3) в условиях высоких температур (>90 °C) концентрацию КМЦ необходимо значительно увеличить или рассмотреть альтернативные решения; 4) регулярно контролировать распределение размеров частиц FeS в системе для оптимизации дозировки диспергатора.