基于微纳米结构的催化合金表面防结蜡研究

结蜡是采油过程中面临的一个严峻问题，通常采用光滑涂层、磁防蜡等减少石油结蜡，但实际效果并不理想。本申请是基于前期研究发现微纳米微观粗糙结构与合金催化元素协同作用进行防结蜡的现象，通过电化学方法制备的合金表面的微纳米结构尺度影响和催化元素抑制蜡的形成（改变流体静电位，防止蜡的形成），实现了油管中的防结蜡。所制备的一种纳米球微米柄的特殊结构合金表面（含锌、锡、铁、铜、锰等元素），以及在通过含催化元素（镍、磷等）的化学转化处理，得到了微纳米的垂直片层结构，这种结构和催化元素的共同作用很好的实现了防结蜡的研究目的。.为此，本申请拟通过在采油钢管表面获得的锌、锡、铁、铜、锰等元素构成的微纳米及化学转化形成微纳米垂直片层结构的规律，探讨这种纳米球微米柄结构及微纳米垂直片层微观粗糙结构的形成机制，研究合金催化元素及微纳米粗糙结构的防结蜡协同作用机制。为采油过程中油管防结蜡新方法提供理论支撑。

原油管道中的结蜡现象是石油行业中普遍存在的问题，沉积的石蜡会堵塞集输油管道，导致减产甚至停产，造成巨大损失。为了解决结蜡问题，人们开发了多种清防蜡技术，然而这些方法普遍存在费时耗力、效果不突出、成本高等缺点。功能膜层防蜡方法因为其制备简便、应用范围广等优势，受到了广泛关注，但是其防结蜡性能仍待提高。因此，发展具有高防蜡性能的功能表面是一个亟需解决的问题。.本课题通过自行设计的防结蜡测试装置，对不同种类的金属和合金表面以及金属转化膜在含水原油环境中的结蜡特点与规律进行了试验研究，并且结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等分析讨论了不同成分的合金膜层防蜡的主要原因及机理。得到主要结果如下：制备了不同成分的合金膜层并进行防结蜡试验，发现不同成分合金膜层的防结蜡效果差别很大。单金属膜层、两元锌镍合金膜层、四元锌镍锡锰合金膜层的防蜡效果较差，防蜡率大多在20%-40%左右变化；二元锌磷合金膜层的防蜡效果较好，防蜡率在70%-80%左右；而三元锌镍磷合金膜层和五元锌镍锡锰磷合金膜层的防蜡效果明显，防蜡率基本控制在90%以上。.铜经过强碱钝化和铬钝化、镍经过铬钝化、锌经过单宁酸、铬盐、钼酸盐、钴盐等溶液转化后的表面质量结蜡率相对于处理前的表面质量结蜡率都有不同程度的增加。锌经硅酸盐化学转化处理后，表现出亲水疏油的特性，具有优异的防结蜡性能。通过化学转化的方法在碳钢表面构造了花状结构的转化膜，转化膜在水中表现出超疏油且低粘附的润湿特性。面积防蜡率达到80%。化学温度对碳钢表面转化膜防结蜡性能有较大影响，经过常温转化的表面面积防结蜡率可达80%~95%。碳钢表面化学转化膜的组成成分对防结蜡性能也有较大影响，其中不含锰元素的转化膜防蜡率接近100 %，而含锰元素的则结蜡严重。.采用电化学转化的方法，在碳钢表面制备了具有类似菊花形貌的电化学转化膜。转化膜在空气中超亲水，在水中表现出超疏油的特性，且滚动角约为3°。分析了转化膜的润湿机理并讨论了电化学转化过程。碳钢表面电化学转化膜的面积防蜡率接近100%，并且转化后的油管也具有优异的防结蜡效果。分析并提出了含水原油中的“水膜”防结蜡机制，原油中的水对转化膜的防结蜡性能起到关键作用。转化膜的超亲水成分和三维微纳米结构使得转化膜表面形成了稳定的水膜，这层水膜可以有效阻止析出石蜡的吸附与沉积，达到防结蜡的效果。