CN113862510A - 一种具有阻垢功能的合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有阻垢功能的合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

对于高矿化度的油井，井内流体通常含有大量的矿物质元素，这些元素会对油管、抽油杆和井中的其他设备产生破坏性影响。本发明公开了一种阻垢合金，原料成分按质量百分比计算如下：Cu 65～75wt.％，Ni 20～25wt.％，Co 2～5wt.％，Fe 0.5～5wt.％；同时还公开了该合金的制备方法。该合金通过与流体之间的电化学作用，达到了阻碍结垢的效果，阻垢效果良好，提高了生产效率，延长了设备的使用寿命，减少了经济损失。相较于以往含锌体系的阻垢合金，该合金不含锌、铅元素，其对环境更加友好。

Description

一种具有阻垢功能的合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及油田开采运输阻垢技术领域，提供一种特殊合金的阻垢材料，及其制备工艺。
背景技术
对于高矿化度的油井，井内流体通常含有大量的矿物质元素，这些元素会对油管、抽油杆和井中的其他设备产生破坏性影响。结盐、结垢、石蜡沉积都不利于泵送设备的有效运行，并且在清除过程中，会关闭设备，从而导致生产损失、人工成本以及其他费用。
油田采出水中常含有较多的Ca2+、Ba2+、CO3 2-、SO4 2-等离子。随着环境的变化，溶液的溶解度发生改变，溶液中阳离子和阴离子的浓度超过饱和极限，溶液变得过饱和，就会发生结晶和随后的水垢沉淀。油气开发中最为常见且危害也最大的垢主要有碳酸钙垢(CaCO3)、硫酸钙垢(CaSO4)、硫酸钡垢(BaSO4)、硫酸锶垢(SrSO4)等。
无机垢的形成大概经过聚合、形核、晶体长大、结垢四个过程。当溶液中的溶质达到过饱和时，阴阳离子如：Ca2+与CO3 2-/SO4 2-相互碰撞形成离子对。之后它们形成聚合体，成为小的晶体中心、胚胎或微核。这些微聚体成为形核的中心，在形核中起到重要作用。在溶液中形成的微晶体聚集和/或吸附到固体表面，长大成更大的微晶体，再长大融合形成沉积微晶体。通过进一步吸附溶液中额外的结垢离子，形成的微晶体开始连续生长，表面开始形成结垢。
目前应用比较广泛的阻垢技术，可以分为物理阻垢技术和化学阻垢技术。物理阻垢技术，物理阻垢技术利用物理场来抑制水垢的生成，常见的有电场阻垢、磁场阻垢、超声波阻垢等。化学阻垢则是依靠向水中添加阻垢剂来达到阻垢的目的，但是阻垢剂的添加往往会给后续从处理工艺增加困难，同时对环境也存在一定的危害性，合金阻垢技术不仅具有优良的阻垢性能，而且绿色环保、安全稳定、无能源消耗，是一种具有潜力的阻垢技术。相比于以往含锌、铅体系的合金，该合金不含锌、铅，对环境更加友好。
发明内容
本发明提供一种特殊合金的阻垢技术及其制备方法，用于解决液体中的结垢问题，缓解油田开采运输中对设备的维护压力，节约了成本。同时由于其不含锌、铅等对环境的污染大大降低。本发明还提供了其制备方法。
本发明解决上述问题的技术方法为：
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 65.0～75.0wt.％，Ni 20.0～25.0wt.％，Co 2.0～5.0wt.％，Fe 0.5～5.0wt.％
本发明提供了一种阻垢性能良好的阻垢合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述含量Cu 65.0～75.0wt.％，Ni 20.0～25.0wt.％，Co 2.0～5.0wt.％，Fe 0.5～5.0wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
本发明所述的阻垢合金的优点在于：
本发明所述的阻垢合金，其原料包含特定质量百分比的，铜、镍、钴、铁。在油水井中可以起到良好的阻垢效果。具有无添加化学试剂、无污染、有效期长、无磁无电、无需维护、成本低等优点，同时相较于含锌、铅体系的阻垢合金在制备过程中更加绿色环保无污染，可广泛应用于石油化工领域。
附图说明
图1为本发明实例1～5中阻垢合金材料的铸态光学显微镜(OM)照片。可以看出，金相组织均为致密的树枝晶组织。
图2为本发明阻垢试验试验结果的扫描电子显微镜(SEM)照片，图中点均为碳酸钙水垢。从图中可以明显看出经过阻垢合金处理的挂片上的水垢明显少于未经处理的挂片。
具体实施方式
以下结合具体的实施方案进一步具体的说明本发明，指出的是：以下实施案例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。
实施例1
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 75.0wt.％，Ni 21.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 0.5wt.％
(1)按照上述含量Cu 75.0wt.％，Ni 21.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 0.5wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
实施例2
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 70.0wt.％，Ni 25.0wt.％，Co 3.5wt.％，Fe 1.0wt.％
(1)按照上述含量Cu 70.0wt.％，Ni 25.0wt.％，Co 3.5wt.％，Fe 1.0wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
实施例3
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 71.0wt.％，Ni 23.0wt.％，Co 3.5wt.％，Fe 1.5wt.％
(1)按照上述含量Cu 71.0wt.％，Ni 23.0wt.％，Co 3.5wt.％，Fe 1.5wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
实施例4
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 68.0wt.％，Ni 26.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 2.0wt.％
(1)按照上述含量Cu 68.0wt.％，Ni 26.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 2.0wt.％
的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
实施例5
一种阻垢性能良好的阻垢合金材料，所述的阻垢合金材料的质量组成百分比：
Cu 70.0wt.％，Ni 21.0wt.％，Co 3.0wt.％.Fe 5.0wt.％
(1)按照上述含量Cu 75.0wt.％，Ni 21.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 0.5wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
实验例
本实验例设置有五组实验，分别将实施例1-5中制备得到的阻垢合金块悬挂于模拟水样中，并设置空白对照实验，所述对照物为和阻垢合金大小相同的304不锈钢挂片。把实施例1-5阻垢合金挂片和不锈钢挂片放入5个装有模拟水样的烧杯中，再取一个烧杯只加入不锈钢挂片，作为对照试验。在实验前称取实施例1-5阻垢合金挂片和不锈钢挂片的质量。悬挂时间为7天，7天结束后，取出所述的阻垢合金和不锈钢挂片，再分别测试实验结束时阻垢合金挂片和不锈钢挂片的重量，计算合金增重率，所述增重率计算公式为：
阻垢率＝((实验结束后对照组的不锈钢挂片的重量差-实验结束后带有实施例1-5阻垢合金挂片的不锈钢挂片的重量差)/实验结束后对照组的不锈钢挂片的重量差)×100％
本实验使用的模拟水质如下表所示：
Figure BDA0003285033130000051
实验结果如下表所示：
Figure BDA0003285033130000052
Figure BDA0003285033130000061
上述实验例证明，本发明中所述的阻垢合金的阻垢效果良好，阻垢效果在70％以上，在油水井中可以达到良好的阻垢效果。

Claims (3)

1.一种阻垢合金，其特征在于，制备所述防垢合金的原料包括：Cu 65～75wt.％，Ni 20～25wt.％，Co 2～5wt.％，Fe 0.5～5wt.％。
2.一种阻垢合金，其特征在于，合金成分中不含锌、铅。
3.权利要求1所述的阻垢合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照上述含量Cu 75.0wt.％，Ni 21.0wt.％，Co 3.0wt.％，Fe 0.5wt.％的重量百分比称取纯铜、纯镍、纯钴，纯铁粉，并除掉表面污渍和氧化皮。
(2)将步骤(1)中的纯铜和纯镍放入到带有石英保护套的清洁石墨坩埚中并将它们一起放到中频感应炉上，在150～250℃预热10～20min，除去坩埚中的水分，纯钴，纯铁粉放到烘箱中，在150℃恒温备用；
(3)将步骤(2)中的中频感应炉升温至1200～1250℃，在此熔炼过程中加入少量木炭覆盖剂，待纯铜、纯镍完全融化后且熔体温度达到1200℃时，加入预热的铁粉，保温静置3～5min，加入预热的纯钴，继续保温5～10min，之后搅拌1～2min；
(4)待步骤(3)中感应炉的温度达到1200～1250℃，关闭感应炉加热，将熔体表面浮渣捞出，取出坩埚并将熔体浇入预热至200℃的石墨模具中，待其凝固后自然冷却得到铸锭。
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