西南石油大学钟显康教授成果展示：马来酸酐四元共聚物阻垢剂的阻垢规律及机理

关注泰科科技 做模拟不迷路

01 

摘要

使用马来酸酐(MA)、乙酸乙烯酯(VA)、乙烯基磺酸钠(VS)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)合成了一种四元共聚物阻垢剂MA-VA-VS-AMPS,并探究其在高Ca2+质量浓度和高矿化度环境中的阻垢机理。采用FT-IR分析阻垢剂结构,研究了阻垢剂质量浓度、Ca2+质量浓度、溶液温度和pH 值等因素在静态条件下对阻垢剂阻垢性能的影响;利用动态流动测试方法评价阻垢剂在动态条件下的阻垢率;采用Materialsstudio(MS)中分子动力学模拟方法计算阻垢剂与CaCO3之间的结合能;采用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)仪分析CaCO3晶体的形貌和晶型。结果表明：在静态测试条件下,MA-VA-VS-AMPS的阻垢率是99.3%;在动态测试条件下,MA-VA-VS-AMPS的阻垢率为96.8%,且阻垢剂使CaCO3发生变形,Ca2+和阻垢剂中的O之间形成了化学键,阻垢剂与CaCO3发生吸附作用。

02

引言

采油和油气集输过程中使用的管道内部频繁发生结垢。集输管道结垢会导致输油管线压力下降、输送量减小,结垢严重时可导致阀门或管道完全堵塞、输送作业迫停;结垢还会加速管道腐蚀,使管道出现穿孔、刺漏等现象,显著缩短管道的服役寿命,增加管道安全风险,此外,集输管道结垢还可能造成巨大的经济损失。含磷阻垢剂是目前油田中使用较多的阻垢剂,但其会对水体产生污染,因此,无磷环保型阻垢剂是未来的发展方向。聚环氧琥珀酸(PESA)和聚天冬氨酸(PASP)属于绿色环保型阻垢剂,对水体无污染且具有优异的阻垢性能,近年来受到越来越多关注。Huang等使用缩水甘油和环氧琥珀酸进行共聚反应,合成了一系列具有线性和超支化结构的改性PESA,并评价了这些共聚物对碳酸钙的阻垢效果。使用马来酸酐(MA)、乙酸乙烯酯(VA)、乙烯基磺酸钠(VS)和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为单体,以过硫酸铵为引发剂、水为溶剂,合成一种四元共聚物。对聚合物结构进行表征,对其阻垢规律进行研究,应用分子动力学计算阻垢剂与碳酸钙晶体的结合能,并使用SEM和XRD来检测阻垢剂对碳酸钙晶体晶型的影响，分析阻垢机理。

03

实验材料和方法

MA-VA-VS-AMPS四元共聚物阻垢剂,其合成方程式如图1所示。

按照标准SYT-5673-93分析四元共聚物阻垢剂MA-VA-VS-AMPS阻碳酸钙生成的性能。所用阳离子溶液和阴离子溶液离子质量浓度如表1所示。

阻垢剂动态评价在模拟Erling的实验装置上进行，实验装置示意图如图2所示。

04

计算细节

使用MaterialsStudio8.0计算阻垢剂与碳酸钙垢方解石的相互作用能。碳酸钙垢方解石晶体属于三方晶系,空间群为R3C。晶胞参数为:a=b=0.4991nm,c=1.7061nm,α=β=90°,γ=120°。笔者主要研究阻垢剂与碳酸钙垢方解石104晶面的相互作用能。计算力场选择COMPASSII力场,系综采用正则系综(NVT),原子间的非键相互作用选择为1.55nm 球形截断直径。

对在5个不同单体扭转角度时形成的聚合物结构,运用Forcite模块进行几何优化,直到四元共聚物分子结构的能量收敛,选择分子结构能量最小的四元共聚物分子结构进行动力学计算。使用Amorphouscell模块将优化好的1个四元共聚物分子与500个水分子形成一个溶液层,通过Buildlayer将溶液层与碳酸钙垢方解石104超晶胞合成为一个阻垢体系。

05

实验结果与讨论