锶铁氧体磁性涂层的防蜡性能研究

2013-09-05冯广健周晓亮

石油化工应用 2013年6期

刘兵，刘鹏，冯广健，周晓亮

（1.西南石油大学，材料科学与工程学院，四川成都 610500；2.中国化工正和集团，山东东营 257399；3.中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司海洋试油作业大队试油12队，山东东营 257077；4.胜利油田滨南采油厂作业大队作业19队，山东滨州 256600；5.中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司压裂大队经营办，山东东营 257077）

我国大多数油田生产的原油为含蜡原油，在采油和集输过程中不可避免地带来结蜡问题。油井井筒结蜡，将降低生产效率，严重时造成“蜡卡”而停产；管道结蜡将减少管路的有效流通截面，增大输送压力，降低输送能力，同时还会给管道停输后的再启动带来困难，严重时还可能造成堵管事故[1-2]。因此，为保障油井和集输管道的正常运行，结蜡问题已成为各油田单位急需解决的问题。

由于压力、温度等环境条件的变化，原油中的蜡、沥青质及胶质会在管壁上沉积，增大原油的输送阻力。目前，常用的防蜡措施有：（1）热处理输送；（2）添加化学添加剂；（3）油田管道内壁防结蜡涂层；（4）强磁防蜡技术。近年来人们研究开发了降粘减阻剂、蜡晶改进剂等化学添加剂；并试图在输油管道内壁涂覆涂层来改变管道内壁表面的物理化学性质,以达到防蜡减阻的目的[3-4]。目前的防蜡趋势：一是优化现有的防蜡技术，通过复配或是改性等手段来提高防蜡效果；二是开发新的防蜡技术。本文根据磁防蜡原理，研究了一种新的防蜡方法，即把SF磁性粉体制成内涂层，考察涂层的防蜡效果。

1 实验部分

1.1 实验过程

采用低热法制备出锶铁氧体（SF）。将所制得的样品放在研钵中充分研磨，然后超声振荡30 min。用所制粉体按比例加入到涂层中，配成一系列磁性涂层，通过浸渍-提拉法在管线钢片表面粘附一层涂层。按照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6300-1997配置含蜡溶液，蜡液从50℃降温到45℃，然后将钢片从蜡液中取出，烘干，称重。动态模型中模拟管道结蜡实验示意图（见图1）。

防蜡率计算公式：

式中：F-涂层防蜡率；m2-空白钢样的蜡沉积质量，g；m1-涂层钢样的蜡沉积质量，g。

钢片的预处理：将一系列管线钢片放在不同型号砂纸上（100目-400目-800目）打磨，直至此系列的钢片表面光滑平整。将打磨好的钢片依次用石油醚、去离子水、无水乙醇清洗，拿出烘干备用。

1.2 实验药品和装置

0#柴油（密度为 8.31 g/mm3，粘度为 9.08 mPa·s），60#石蜡（密度为 0.93 g/mm3，凝点 25～30 ℃），醇酸清漆，管线钢片。

2 结果与讨论

2.1 SF磁粉磁性对防蜡率的影响

图2表示的是SF磁性涂层的防蜡率和SF磁粉矫顽力随着不同温度的变化曲线。在防蜡涂层中相同磁粉添量的情况下，随着温度升高，磁粉的矫顽力Hc是先增大后减小的。在磁粉煅烧温度为850℃时，磁粉的矫顽力Hc达到5 686.1 Oe最大值。此时，对应涂层防蜡率也是最大值，为70.1%。

由图2可知，涂层中磁粉添量相同的条件下，随着磁粉磁性的增大，防蜡率也在逐渐提高。这是由于磁粉的磁性越大，单位面积上产生的磁场越强，降低了蜡液中的蜡晶分子的聚集和结晶速度。

2.2 锶铁氧体磁粉添量对涂层防蜡率的影响

图3表示的是磁粉（Hc＝5 686.1 Oe）加入到醇酸清漆中，在不同添量的条件下对涂层防蜡率影响的变化曲线。

由图3可见，当SF磁粉添量从0增大到2%时，防蜡率是增大的；当磁粉添量从3%～9%时，防蜡率是逐渐降低的。磁粉填量为2%时，防蜡率最高，达到77.3%。产生这种现象的原因是，随着SF磁粉添量增加，单位面积上磁场强度增强，不断降低了蜡晶分子的结晶速度，因此减少了在管线钢表面的吸附，从而明显提高了涂层的防蜡率。但是，随着磁粉填量的增加，纳米粒子之间的分散性变差，使得磁粉颗粒产生的磁场方向紊乱，颗粒间磁场相互重叠，磁场反而减弱，以致蜡晶比较容易在管线钢表面吸附，造成了防蜡率的降低。

2.3 聚乙二醇（PEG）对防蜡率的影响

由于纳米粒子用量大时，分散性较差，不能有效的发挥磁粉磁场对于蜡晶分子的磁性作用，为了进一步提高防蜡率，选择聚乙二醇作为分散剂，以提高SF磁粉在较高添量时的分散性。PEG是一种非离子型分散剂，在分子式H-（O-CH2-CH2）n-OH中含有羟基和醚键两种亲水基而无疏水基[5]，其水溶性、稳定性良好，不易受到电解质及酸、碱的影响，易与被分散粒子表面形成较强的氢键,其醚键也易与粒子表面产生亲和作用，使PEG较容易地吸附于粒子表面，从而形成一层高分子膜包裹粒子，保护膜具有一定的厚度,呈现空间位阻效应[6-8]，使粒子间的偶极吸引力大为削弱,从而达到有效地阻止粒子生长，抑制粒子的团聚效果。图4表示的PEG的添量与防蜡率的关系曲线。

由图4可见，当PEG的添加量为0.6%时为最佳值，磁性涂层的防蜡率最高达到80.1%。此后，随着添量的增加，防蜡率逐渐减小。这是由于分散剂添加量较少时，能有效的将团聚在一起的磁粉颗粒分散开，使得在单位面积上的磁粉密度增加，磁场增强，从而对蜡晶的作用加强，使得防蜡率升高；随着分散剂PEG含量的增加，如果PEG的加入量超过饱和吸附强度时，体系中多余的高分子链相互缠绕在一起，反而会使颗粒团聚，且PEG添量越大，这种破坏体系稳定性的作用越明显[8]，从而使得防蜡率降低。

2.4 原油中含水率对磁性涂层防蜡率的影响

为了了解含水原油的防蜡率，实验采用含水率为20%、40%、60%和80%的模拟油进行防蜡率的对比研究。图5表示的是在磁粉添量为2%+PEG添量为0.6%时，原油中不同含水率与防蜡率的变化曲线。

由图5可见，涂层防蜡率随着原油中含水率的增大而逐渐减小。这是由于吸附在磁性粒子表面的PEG与水接触后，溶于水中，使得粒子间电位增大，空间位阻作用减弱[9]，颗粒团聚作用增强，单位面积上磁场减弱，蜡晶分子吸附作用增强，防蜡率降低。

2.5 涂层晶相显微

由图6a和图6b可见，空白钢样和无磁粉涂层都显著有蜡沉积。空白钢样的蜡晶形态是粗大和聚集的；无SF磁粉涂层与空白钢片相比较，几乎没有防蜡效果。添加2%的SF磁粉后，涂层上的白色蜡点明显减少，当其添加0.6%PEG后，涂层防蜡效果更好，蜡点明显减少。

2.6 磁性涂层防蜡机理初探

当蜡晶分子在SF磁粉产生的外磁场的强烈作用下，迫使该非极性分子的正、负电荷重心产生位移而被极化，首先按外磁场的磁极方向以异极相吸的原则取向，随后使分子间形成同极相斥的状态，使得蜡晶分子不易聚集在一起形成大的蜡晶颗粒，并使已形成的大蜡晶聚集体分裂变小，分散于原油中，达到防止蜡晶颗粒沉降在管内壁的目的。

磁场强度和有序度，是影响蜡晶析出量的重要因素。另外，蜡晶分子受到磁场作用后，分子振动加强，使蜡晶细化，增加蜡晶的溶解度，从而使析蜡点降低，降低了蜡晶的沉积速度，起到防蜡效果[10]。