油田開発のための環境に優しいスケール防止剤の研究進捗

スケール抑制剤の開発:

スケール抑制剤は、スケール形成過程の1つまたは複数の段階を妨害することによってスケール形成を抑制します。1930年代には、リグニンやタンニンなどの天然高分子スケール抑制剤がスケール形成を防止するために使用されましたが、不安定な性能を示し、高用量が必要でした。1950年代には、スケール抑制を強化するために、天然高分子スケール抑制剤は徐々にトリポリリン酸ナトリウムなどの無機リン酸塩に置き換えられました。1960年代には、アミノトリメチレンリン酸などの有機リン酸塩が開発されました。リン酸スケール抑制剤は、優れた安定したスケール抑制を提供し、長い間スケール抑制剤ランキングを支配してきました。ただし、リン酸スケール抑制剤には大量のリンが含まれており、富栄養化を引き起こし、水生環境を深刻に損傷し、人間の生存と発達を危険にさらす可能性があります。そのため、1970年代には、加水分解ポリ無水マレイン酸などの高分子スケール抑制剤が彼らはより良いスケール抑制性能を提供しますが、カルシウムに対する耐性が低くなります。1990年代には、AA-メタクリル酸スルホン酸共重合体などの強化された安定性と温度耐性を持つスルホン酸ベースのスケール抑制剤が開発されました。従来のスケール抑制剤は分解が困難であるため、人々は徐々にその生態環境への潜在的な脅威に気づきました。20世紀末には、ポリエポキシコハク酸やポリアスパラギン酸などの環境に優しいスケール抑制剤が開発されました。これらのリンおよび窒素フリー、生分解性、水に安全なスケール抑制剤は、長年にわたりスケール抑制剤分野の研究の中心地となっています。2015年には、「石油精製業界の汚染物質排出基準」という義務的な国家基準GB 315 7 0-2015が公布され、排水中の総リン含有量が1.0 mg/Lを超えてはならないことが規定されました。したがって、スケール防止剤の研究は、源からのリン排出量を減らし、生態環境を保護することに焦点を当て、無毒で汚染のないグリーンスケール防止剤の開発を目指す必要があります。

環境に優しいスケール抑制剤:

環境に優しい社会を構築するトレンドに応えて開発されたグリーンスケール阻害剤は、高いスケール抑制効率、生分解性、環境に優しいなどの利点を提供します。現在、油田で最も一般的に使用されているグリーンスケール阻害剤は、ポリエポキシコハク酸(PESA)とポリアスパラギン酸(PASP)です。これら2つのグリーンスケール阻害剤の効果を向上させるために、多くの研究者が最近、Ca 2+、Mg 2+、Ba 2+などの金属カチオンとのキレートを容易にする高い電気陰性度を持つPESAおよびPASPグループに導入したり、金属カチオンの溶液中での溶解度を増加させたりしています。

表1には、PESAおよびPASPを修飾するために一般的に使用されるいくつかの官能基とその生分解性がまとめられています。 

ポリエポキシコハク酸スケール阻害剤

ポリエポキシコハク酸スケール阻害剤(PESA)は、1990年代にアメリカで開発された、リンおよび窒素を含まない緑色スケール阻害剤です。優れた生分解性と比較的良好な環境適応性を示し、アルカリおよび金属濃度の高い水環境に適しています。PESA分子には複数のカルボキシル基が含まれており、溶解時にイオン化してカルボキシルアニオンを生成します。アルカリ条件下では、これらのカルボキシルアニオンはスケール阻害剤分子の鎖構造を曲線から直線に変換し、より負に帯電した基を露出させることができます。これにより、スケール結晶に吸着して絡み合い、変形させて成長または結晶形態を変化させ、スケール形成を抑制することができます。さらに、カルボキシル基はカルシウムイオンやマグネシウムイオンとキレートして可溶性キレートを形成し、溶解度を高め、スケール抑制を達成することができます。PESAの一般的な合成経路は以下の通りです:マレイン酸無水物をアルカリ条件下で加水分解してマレイン酸ナトリウムを生成します。その後、触媒(タングステン酸ナトリウム)と酸化剤(過酸化水素)の存在下でマレイン酸ナトリウムをエポキシ化してエポキシコハク酸ナトリウムを生成します。最後に、開始剤(水酸化カルシウム)の存在下でエポキシコハク酸ナトリウムを重合させてポリエポキシコハク酸を形成します。PESAは良好なスケール抑制ポテンシャルを持っていますが、高温耐性が低く、閾値効果があるため、応用範囲が限られています。したがって、PESAに関する研究の焦点は、適用温度を広げ、イオン濃度の上限を増やすことを含め、PESAの応用範囲を広げることです。PESAのスケール抑制性能を向上させるために、研究者たちはいくつかの修飾基を導入することで、一連のポリエポキシコハク酸誘導体を開発しました 

2.1.1PESAのパフォーマンスを向上させるための修飾グループの導入 

(1)吸着能力を高めるための-NH 2の導入

(2)キレーションおよび格子歪み容量を高めるための-COOHの導入

(3)-CO-NH-の導入により、生分解、吸着、キレーションを促進する

ポリアスパラギン酸スケール阻害剤

ポリアスパラギン酸(PASP)スケール阻害剤は、非汚染、非毒性、無害で容易に生分解可能なグリーンスケール阻害剤でもあります。PASPにはα型およびβ型の構造があり、カルボキシル基も含まれています。カルボキシル基はイオン化し、Ca 2+やMg 2+などの金属イオンとキレートする負イオンを生成し、溶解度を増加させ、スケール阻害を達成します。図5は現在のPASP合成経路を示しています。まず、中間体のポリスクシンイミド(PSI)を合成し、その後、PSIをアルカリ加水分解してPSAPを生成します。原料によっては、PSI合成を反応物としてL-アスパラギン酸(L-Asp)を使用するか、反応物として無水マレイン酸(MA)とアンモニウム塩を使用することができます。

2.2.1PASPのパフォーマンスを向上させるための修正グループの導入

(1)-CO-NH-を導入することで、生分解、吸着、キレーションを促進する

(2)高温耐性を高めるために-SO3 Hを導入する

(3)吸着能力を高めるために-OHを導入する

問題と展望

現在、多くのグリーンスケール阻害剤が良好なスケール阻害性能を示しており、スケール阻害率でも100%に達することがあります。ただし、これらのグリーンスケール阻害剤は主に1種類のスケールを対象としており、スケール阻害メカニズムに関する研究は十分に深くありません。さらに、グリーンスケール阻害剤のコスト管理と産業化を研究する必要があります。環境や生態系に脅威を与えない、生分解性、緑色、非毒性、経済的な油田スケール阻害剤を得るためには、まだ多くの作業が必要です

(1)複合スケールに適したスケール抑制剤の研究開発。現在のグリーンスケール抑制剤は、特定のスケールにしかスケール抑制効果を発揮できませんが、複数のスケールで同時にスケール抑制効果を発揮することはできません。

(2)グリーンスケール阻害剤のスケール抑制メカニズムに関する研究。グリーンスケール阻害剤のスケール抑制メカニズムの説明はまだ定性的なレベルにあり、それを支持する具体的なデータはほとんどありません。特に、複数のスケール抑制メカニズムの特定の相乗効果の探索は、データのサポートがさらに不足しています。

(3)グリーンスケール阻害剤のリサイクルと再利用。資源を節約し、油田開発のコストを削減するために、グリーンスケール阻害剤のリサイクルと再利用を研究することは非常に重要です。しかし、現在、この問題について詳細な研究を行っている研究者はほとんどいません。

(4)グリーンスケール阻害剤合成の産業化。研究開発の目的は、合成ルートを最適化し、豊富で容易に入手できる低コストの原料を使用して合成し、収量を向上させ、産業生産を加速し、グリーンスケール阻害剤をより迅速に油田開発に適用できるようにすることです。