Forschungsfortschritt bei umweltfreundlichen Kesselsteinhemmern für die Erschließung von Ölfeldern

Die Entwicklung von Kesselsteinhemmern:

Kesselsteininhibitoren hemmen die Kesselsteinbildung, indem sie einen oder mehrere Schritte des Kesselsteinbildungsprozesses unterbrechen. In den 1930er Jahren wurden natürliche Polymerkesselsteininhibitoren wie Lignin und Tannin eingesetzt, um die Kesselsteinbildung zu verhindern, aber sie litten unter einer instabilen Leistung und erforderten hohe Dosierungen. In den 1950er Jahren wurden natürliche Polymerkesselsteininhibitoren nach und nach durch anorganische Phosphate wie Natriumtripolyphosphat ersetzt. In den 1960er Jahren wurden organische Phosphate wie Aminotrimethylen-Phosphorsäure entwickelt. Phosphatkesselsteininhibitoren bieten eine hervorragende und stabile Kesselsteinhemmung und dominierten lange Zeit die Kesselsteinhemmungsrankings. Phosphatkesselsteininhibitoren enthalten jedoch große Mengen an Phosphor, die leicht zu Eutrophierung führen, die aquatische Umwelt schwer schädigen und das Überleben und die Entwicklung der Menschen gefährden können. Daher wurden in den 1970er Jahren Polymerkesselsteininhibitoren wie hydrolysiertes Polymaleinsäureanhydrid synthetisiert. Sie bieten eine bessere Kesselsteinhemmungsleistung, haben aber eine geringere Toleranz gegenüber Kalzium. In den 1990er Jahren wurden Kesselsteininhibitoren auf Sulfonsäurebasis mit verbesserter Stabilität und Temperaturbeständigkeit entwickelt, wie z. B. AA-Methacrylsäure-Sulfonsäure-Copolymer. Da herkömmliche Kesselsteininhibitoren nur schwer abbaubar sind, erkannten die Menschen allmählich ihre potenzielle Bedrohung für die ökologische Umwelt. Ende des 20. Jahrhunderts wurden grüne und umweltfreundliche Kesselsteininhibitoren wie Polyepoxybernsteinsäure und Polyasparaginsäure entwickelt. Diese phosphor- und stickstofffreien, biologisch abbaubaren und wassersicheren Kesselsteininhibitoren sind seit langem ein Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Kesselsteininhibitoren. Im Jahr 2015 wurde die verbindliche nationale Norm GB 31570-2015, "Petroleum Refining Industry Pollutant Emission Standard", verkündet, die vorschreibt, dass der Gesamtphosphorgehalt im eingeleiteten Wasser 1,0 mg / L nicht überschreiten darf. Daher sollte sich die Forschung zu Kesselsteininhibitoren auf die Verringerung der Phosphoremissionen an der Quelle und den Schutz der ökologischen Umwelt konzentrieren, um ungiftige und umweltfreundliche Kesselsteininhibitoren zu entwickeln.

Umweltfreundliche Kesselsteinhemmer:

Grünschuppeninhibitoren wurden als Reaktion auf den Trend zum Aufbau einer umweltfreundlichen Gesellschaft entwickelt und bieten Vorteile wie eine hohe Hemmwirkung, biologische Abbaubarkeit und Umweltfreundlichkeit. Die derzeit am häufigsten auf Ölfeldern verwendeten Grünschuppeninhibitoren sind Polyepoxybernsteinsäure (PESA) und Polyasparaginsäure (PASP). Um die Wirksamkeit dieser beiden Grünschuppeninhibitoren auf Ölfeldern zu verbessern, haben viele Forscher kürzlich PESA- und PASP-Gruppen mit hoher Elektronegativität eingeführt, die die Chelatbildung mit Metallkationen wie Ca2 +, Mg2 + und Ba2 + erleichtern oder die Löslichkeit von Metallkationen in Lösung erhöhen.

Tabelle 1 fasst mehrere häufig verwendete funktionelle Gruppen zur Modifizierung von PESA und PASP und deren biologische Abbaubarkeit zusammen. 

2,1 Polyepoxybernsteinsäure-Kesselsteinhemmer

Polyepoxybernsteinsäure-Kesselsteininhibitor (PESA) ist ein phosphor- und stickstofffreier Grünschuppeninhibitor, der in den 1990er Jahren in den Vereinigten Staaten entwickelt wurde. Es weist eine ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit und eine relativ gute Anpassungsfähigkeit an die Umwelt auf, wodurch es für Wasserumgebungen mit hohen Alkali- und Metallkonzentrationen geeignet ist. PESA-Moleküle enthalten mehrere Carboxylgruppen, die bei Auflösung ionisieren und Carboxylanionen produzieren. Unter alkalischen Bedingungen können diese Carboxylanionen die Kettenstruktur des Kesselsteininhibitormoleküls von gekrümmt in gerade umwandeln und mehr negativ geladene Gruppen freilegen. Dadurch können sie leichter adsorbieren und sich in Kesselsteinkristallen verfangen, sie verformen und ihr Wachstum beeinträchtigen oder ihre Kristallform verändern, wodurch die Kesselsteinbildung gehemmt wird. Darüber hinaus können die Carboxylgruppen mit Calcium- und Magnesiumionen chelate bilden, wodurch ihre Löslichkeit erhöht und eine Kesselsteinhemmung erreicht wird. Der allgemeine Syntheseweg für PESA ist wie folgt: Maleinsäureanhydrid wird unter alkalischen Bedingungen hydrolysiert, um Natriummaleat zu erzeugen. Dann wird Natriummaleat in Gegenwart eines Katalysators (Natriumwolframat) und eines Oxidationsmittels (Wasserstoffperoxid) epoxidiert, um Natriumepoxysuccinat zu erzeugen. Schließlich wird das Natriumepoxysuccinat in Gegenwart eines Initiators (Calciumhydroxid) zu Polyepoxybernsteinsäure polymerisiert. PESA hat ein gutes Kesselsteinhemmungspotenzial, aber seine hohe Temperaturbeständigkeit ist schlecht und hat einen Schwelleneffekt, was seinen Anwendungsbereich einschränkt. Daher liegt der Forschungsschwerpunkt auf PESA auf der Erweiterung des Anwendungsbereichs von PESA, einschließlich der Erweiterung der anwendbaren Temperatur und der Erhöhung der Obergrenze der Ionenkonzentration. Um die Kesselsteinhemmungsleistung von PESA zu verbessern, haben Forscher eine Reihe von Polyepoxybernsteinsäure-Derivaten entwickelt, indem sie einige modifizierte Gruppen einführten. 

2.1.1 Einführung modifizierter Gruppen zur Verbesserung der PESA-Leistung 

(1) Einführung von -NH2 zur Verbesserung der Adsorptionskapazität

(2) Einführung von -COOH zur Verbesserung der Chelat- und Gitterverzerrungskapazität

(3) Einführung von -CO-NH- zur Verbesserung des biologischen Abbaus, der Adsorption und der Chelatbildung

2,2 Kesselsteinhemmer aus Polyasparaginsäure

Polyaspartikasäure (PASP) -Kesselsteininhibitor ist ebenfalls ein Grünschuppeninhibitor, der umweltfreundlich, ungiftig, harmlos und leicht biologisch abbaubar ist. PASP hat α- und β-Strukturen und enthält auch Carboxylgruppen. Die Carboxylgruppen ionisieren und erzeugen negative Ionen, die mit Metallionen wie Ca2 + und Mg2 + chelatieren, wodurch ihre Löslichkeit erhöht und eine Kesselsteinhemmung erreicht wird. Abbildung 5 zeigt den aktuellen PASP-Syntheseweg. Zunächst wird das Zwischenprodukt Polysuccinimid (PSI) synthetisiert, gefolgt von der alkalischen Hydrolyse von PSI zur Herstellung von PSAP. Je nach Rohstoff kann die PSI-Synthese unter Verwendung von L-Asparaginsäure (L-Asp) als Reaktant oder unter Verwendung von Maleinsäureanhydrid (MA) und Ammoniumsalzen als Reaktanten durchgeführt werden.

2.2.1 Einführung modifizierter Gruppen zur Verbesserung der PASP-Leistung

(1) Einführung von -CO-NH- zur Verbesserung des biologischen Abbaus, der Adsorption und der Chelatbildung

(2) Einführung von -SO3H zur Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit

(3) Einführung von -OH zur Verbesserung der Adsorptionskapazität

Probleme und Perspektiven

Gegenwärtig haben viele Grünschuppeninhibitoren eine gute Kesselsteinhemmungsleistung gezeigt, und sogar die Kesselsteinhemmungsrate kann 100% erreichen. Diese Grünschuppeninhibitoren sind jedoch meist auf eine bestimmte Art von Kesselsteinhemmung ausgerichtet, und die Erforschung des Mechanismus der Kesselsteinhemmung ist noch nicht eingehend genug. Darüber hinaus müssen die Kostenkontrolle und die Industrialisierung von Grünschuppeninhibitoren untersucht werden. Um einen Ölfeld-Kesselsteinhemmer zu erhalten, der biologisch abbaubar, grün, ungiftig und wirtschaftlich ist und keine Gefahr für die Umwelt und das Ökosystem darstellt, bleibt noch viel zu tun:

(1) Forschung und Entwicklung von Kesselsteininhibitoren, die für zusammengesetzte Skalen geeignet sind. Die derzeitigen Grünschuppeninhibitoren können nur auf eine bestimmte Art von Skalen eine kesselsteinhemmende Wirkung entfalten, aber nicht gleichzeitig auf mehrere Skalen.

(2) Erforschung des Mechanismus der Kesselsteinhemmung durch Grünschuppeninhibitoren. Die Beschreibung des Mechanismus der Kesselsteinhemmung durch Grünschuppeninhibitoren befindet sich noch auf einer qualitativen Ebene, und es gibt nur wenige spezifische Daten, die dies belegen. Insbesondere die Erforschung der spezifischen synergistischen Effekte mehrerer Kesselsteinhemmungsmechanismen ist noch weniger datengestützt.

(3) Recycling und Wiederverwendung von Grünschuppeninhibitoren. Um Ressourcen zu sparen und die Kosten für die Erschließung von Ölfeldern zu senken, ist es von großer Bedeutung, das Recycling und die Wiederverwendung von Grünschuppeninhibitoren zu untersuchen. Allerdings gibt es derzeit nur wenige Forscher, die sich eingehend mit diesem Thema befassen.

(4) Industrialisierung der Synthese von Grünschuppeninhibitoren. Ziel der Forschung und Entwicklung ist es, den Syntheseweg zu optimieren, reichlich vorhandene, leicht verfügbare und kostengünstige Rohstoffe für die Synthese zu verwenden, die Ausbeute zu verbessern, die industrielle Produktion zu beschleunigen und eine schnellere Anwendung von Grünschuppeninhibitoren bei der Erschließung von Ölfeldern zu ermöglichen.