咪唑啉季铵盐的复配及缓蚀性能评价

吴效楠，强琳辉，许 晗

(承德石油高等专科学校 化学工程系，河北 承德 067000)

近几十年,在我国部分油气田中含CO2的高矿化度地层水腐蚀管道设备的情况比较突出,其腐蚀问题严重限制和威胁着石油、天然气生产的安全和稳定[1]。目前，油田用于防腐蚀的方法有很多，主要是向油田注水中加入定量的缓蚀剂来达到缓蚀效果[2]。其中咪唑啉型缓蚀剂作为一种低毒、高效的水基缓蚀剂，能够有效地抑制CO2对金属的腐蚀[3,4]。但是单一的缓蚀剂效果并不是很理想,而且用量较大、费用较高。因此，对咪唑啉缓蚀剂进行复配,研究出用量少且缓蚀率较高的复配缓蚀剂十分必要[5]。本文分别采用油酸、月桂酸、苯甲酸与二乙烯三胺反应生成咪唑啉，并与氯乙酸钠合成相应的咪唑啉季铵盐。同时利用静态挂片失重法和极化曲线法研究了上述咪唑啉季铵盐与丙炔醇(PRAL)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)及二乙烯三胺五甲叉膦酸(DETPMP)复配后在饱和CO2油田水中的缓蚀性能。

1 实验原理

1.1 油酸咪唑啉季铵盐的合成

1.2 月桂酸咪唑啉季铵盐的合成

1.3 苯甲酸咪唑啉季铵盐的合成

1.4 二乙烯三胺五甲叉膦酸(PAMMP)的合成

2 实验部分

2.1 咪唑啉季铵盐缓蚀剂的合成

参照文献[6-7]，将一定量的油酸、月桂酸及苯甲酸分别与二乙烯三胺、氯乙酸钠反应，通过两步脱水法得到相应的咪唑啉季铵盐产品。

2.2 PAMMP的合成

参照文献[8]，将二乙烯三胺与环氧氯丙烷进行缩合反应得到产品。

2.3 复配缓蚀剂制备

将三种咪唑啉季铵盐与模拟油田水配制成250 mL质量浓度为60 mg/L的缓蚀剂溶液，分别按照不同的质量比加入PRAL、SDBS和DETPMP进行复配。

表1 复配缓蚀剂的组成

2.4 复配缓蚀剂性能评价

根据中国石油天然气股份有限公司企业标准(Q/SY 126-2007)配制模拟油田水[9]，并依据石油天然气行业标准(SY/T 5273-2000)在饱和CO2状态下对各组复配缓蚀剂在模拟油田水中的缓蚀率进行测定[10]。

采用极化曲线法在CHI600E电化学工作站上测试极化曲线。工作电极为A3钢片(面积1 cm2)，砂纸打磨至1 200目，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，腐蚀介质选用不同浓度复配缓蚀剂的模拟油田水体系，实验温度25±1 ℃，极化曲线电位扫描由阴极向阳极进行，扫描速率为0.166 mV/s。

3 结果与讨论

3.1 复配缓蚀剂的缓蚀效果

按照步骤2.3将质量浓度为60 mg/L的三种咪唑啉季铵盐缓蚀剂溶液分别参照表1加入PRAL、SDBS和DETPMP进行复配，并检测缓蚀效果。

油酸咪唑啉季铵盐、月桂酸咪唑啉季铵盐、苯甲酸咪唑啉季铵盐复配后的缓蚀效果分别如图1、图2、图3所示。

由图1～图3可知，三种咪唑啉季铵盐的复配缓蚀效果均随着复配质量比的增加而增强，除了苯甲酸咪唑啉与SDBS复配以外，其余咪唑啉季铵盐与DETPMP复配后的效果均强于PRAL与SDBS。其中，缓蚀效果最佳的是油酸咪唑啉季铵盐与DETPMP按1：0.6(质量比)进行复配，缓蚀率达到93.7%，且随着配比的增加缓蚀率基本保持不变，说明此时的复配缓蚀剂已达到该条件下的最大吸附量。三种咪唑啉季铵盐与各组复配试剂的最佳复配条件如表2所示。

表2 复配缓蚀剂的最佳配比

3.2 最佳复配缓蚀剂对A3钢片的缓蚀作用

将表2中的三组最佳复配缓蚀剂与模拟油田水分别配成质量浓度为60 mg/L的溶液，在饱和CO2条件下检测钢片在上述溶液中的Tafel曲线(按照极化曲线法测试)，结果如图4所示。

从图4极化曲线可以看出，三组复配缓蚀剂加入后对腐蚀反应的阴、阳极过程都有很大的抑制作用，且在阴极的极化曲线斜率相近，因此缓蚀效果相似。在阳极腐蚀过程中，三组复配缓蚀剂的自腐蚀电流密度下降更为显著，此时在金属表面形成的保护膜比较完整和致密，能够较好地阻止金属受到进一步腐蚀。而且D13、D23的平衡电位较S34明显正移，斜率也大于后者，可知三组复配缓蚀剂的缓蚀效果区别在阳极腐蚀。因此，三组咪唑啉季铵盐对A3钢片均是一种以阳极抑制为主的混合型缓蚀剂。

4 结论

通过将合成的三种咪唑啉季铵盐分别与丙炔醇(PRAL)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、二乙烯三胺五甲叉膦酸(DETPMP)进行复配，发现在一定条件下油酸咪唑啉季铵盐与DETPMP复配后的缓蚀效果最好，最高缓蚀率可达93.7%。电化学极化曲线法结果也表明，各组咪唑啉季铵盐的最佳复配缓蚀剂对A3钢片的缓蚀机理相同，均主要通过抑制阳极反应来达到缓蚀效果，此电化学行为也是大部分咪唑啉型缓蚀剂的突出特征。今后还应对此类型复配缓蚀剂的缓蚀效果与温度的关系做进一步的研究。