生物聚合物作为环保型阻垢剂在石油工业中的应用潜力综述

作者及机构
本文由马来西亚Universiti Teknologi Petronas石油工程系的Ully Zakyatul Husna、Khaled Abdalla Elraies、Juhairi Aris B. M. Shuhili和Ahmed Abdulla Elryes共同完成，发表于2022年的《Journal of Petroleum Exploration and Production Technology》期刊。

研究背景与主题
本文是一篇系统性综述，聚焦于石油工业中矿物垢（mineral scale）的形成问题及其环保解决方案。矿物垢（如碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡等）会堵塞管道、加速腐蚀，导致生产损失和安全事故。传统阻垢剂（scale inhibitors, SIs）主要依赖含磷化合物（如膦酸盐phosphonates）和合成聚合物，但其毒性、高成本及环境持久性（如富营养化问题）促使研究者转向生物聚合物（biopolymers）等绿色替代品。

主要观点及论据

1. 矿物垢的形成机制与危害

矿物垢的形成分为三个阶段：
- 过饱和（Supersaturation）：因温度、压力或离子浓度变化导致溶液超过溶解度极限。
- 成核（Nucleation）：离子聚集成微核，分为均相成核（溶液中随机碰撞）和非均相成核（依附于管道表面缺陷）。
- 晶体生长（Crystal Growth）：微核吸附更多离子形成沉积物。

危害：垢层会降低管道输送能力、引发局部腐蚀、增加维护成本。例如，碳酸钙（CaCO₃）在高温下溶解度降低，而硫酸钡（BaSO₄）因化学稳定性极难清除。

2. 传统阻垢剂的局限性

传统阻垢剂分为两类：
- 膦酸盐类：如氨基三甲叉膦酸（ATMP）、羟基乙叉二膦酸（HEDP），虽高效但存在以下问题：
- 高温（>170°C）下稳定性差；
- 含磷化合物导致水体富营养化；
- 可能生成磷酸钙副产物。
- 合成聚合物类：如聚丙烯酸（PAA）、聚马来酸（PMA），虽热稳定性更好，但生物降解性差，长期累积对环境有害。

案例支持：
- 动态环路实验（Dynamic Scale Loop, DSL）显示，膦酸盐在高温（200°C）下效率下降50%（Fraser et al., 2016）。
- 北海油田因环保法规限制含磷阻垢剂使用（Wilson & Harris, 2010）。

3. 生物聚合物阻垢剂的潜力

生物聚合物因其可降解性、低毒性和结构多样性成为研究热点，主要包括：

（1）聚天冬氨酸（Polyaspartic Acid, PASP）

• 优势：无磷、可生物降解（OECD 306测试中降解率68.8%），对CaCO₃抑制效率达95%（Ohimor et al., 2019）。
  
• 局限：在pH<6或高温（>140°C）时性能下降。
  

（2）聚环氧琥珀酸（Polyepoxysuccinic Acid, PESA）

• 优势：分子链含羧基，螯合能力强，环境友好性优于PASP（Popov et al., 2016）。
  

（3）羧甲基菊粉（Carboxymethyl Inulin, CMI）

• 来源：菊苣根提取物衍生物，钙耐受性优异，但抑制硫酸盐垢效果较差（Boels & Witkamp, 2011）。
  

（4）羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）

• 应用：通过纳米分散作用阻止垢颗粒聚集，与膦酸盐联用可提升抑制效率（Obied et al., 2015）。
  

4. 当前挑战与未来方向

• 性能优化：生物聚合物在超高温（>200°C）或高盐环境下效率不足，需通过化学修饰（如引入磺酸基）改善。
  
• 成本控制：天然原料提取和改性工艺需进一步简化。
  
• 现场验证：多数研究限于实验室，需扩大实地试验（如井下挤注作业DSST）。
  

论文价值与意义

本文系统梳理了生物聚合物阻垢剂的研究进展，为石油工业的绿色转型提供了理论依据和技术路线。其科学价值在于：
1. 环境效益：推动无磷、可降解阻垢剂的开发，减少海洋污染。
2. 技术创新：提出通过分子设计（如超支化结构）提升生物聚合物的耐温性和吸附性。
3. 跨学科融合：结合材料科学（如多糖改性）与石油工程（如流动保障Flow Assurance），拓展了研究边界。

亮点：首次对比了PASP、PESA、CMI等生物聚合物的性能差异，并指出其与合成聚合物的协同应用潜力（如CMC与膦酸盐复配）。