咪唑啉复合缓蚀剂的研制与评价

2020-06-12贺亚维阎媛子窦娅莉

工业加热 2020年5期

贺亚维, 阎媛子, 窦娅莉

(1.陕西能源职业技术学院，陕西咸阳 712000; 2.延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西延安 716000)

油田生产过程中，油井管杆的腐蚀问题一直是严重威胁油田安全生产的重要因素之一。尤其是在现阶段，我国大部分油田都已进入生产的中后期，油井产出液含水率持续升高，产出水不仅矿化度不断增高，还普遍含有大量腐蚀性物质，如H2S、硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(IB)和腐生菌(TGB)等。在高矿化度水和其他腐蚀性物质的综合作用下，抽油杆和油管会因腐蚀而导致穿孔、变形、断落，不仅给井下作业带来很多复杂情况,也严重影响油井的正常生产，直接影响油田企业的经济效益[1-6]。

目前国内外常见的防腐技术主要有：①应用具有防腐性能的材料；②改变环境介质的腐蚀性；③电化学保护法；④添加化学药剂防腐；⑤定期进行腐蚀监测等[7-9]。不同防腐技术具有不同的缓蚀效果，成本、作业的难易程度和风险也各有不同。

与其他防腐技术相比，添加缓蚀剂法具有以下优点：①操作过程简单，基本上不需要特殊的附加设备即可进行，加入量少，节约人力财力；②可以不改变金属材料和介质原来的性质；③不受保护对象的结构限制，只需选择适当的加药浓度及加药周期，就能实现对设备的很好保护；④可以针对腐蚀的原因改变缓蚀剂的种类或浓度，以确保在不同腐蚀环境下对金属材料的防腐效果；⑤即使在腐蚀已经发生的情况下也可以通过使用缓蚀剂来降低金属的腐蚀速率。由于缓蚀剂具有以上诸多优点，使其在各个领域发挥着越来越重要的作用，也成为目前油田最普遍使用的防腐方法。

1 油井腐蚀因素研究

选取某采油厂一区块为调查对象，该区块主要开采三叠系延长组长2地层，属低孔、低渗、超低渗储层，开采难度较大，井下环境复杂。随着油田开发的精细化，该油田已进入中高含水期，油井产出液矿化度高，pH值低，含有大量的细菌及 CO2、H2S 气体，导致油井油管、套管、抽油杆、抽油泵等的腐蚀日愈严重[10-12]。油区采用的主要为有杆泵采油系统，油井泵挂平均1 000米左右，杆柱负荷高，因抽油杆断脱、油套管腐蚀穿孔导致油井作业频繁，其中某采油大队每年因腐蚀所需更换的抽油杆数量为1 000～2 000根，大修井费用高、周期长。因此，如何降低油井修井作业次数，减少油杆断脱是实现该区块经济利益开发的关键。

选取该区块腐蚀较为严重的3口井作为研究对象，根据SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，利用离子色谱法测试油井采出液的各离子浓度、总矿化度，测试结果如表1所示。根据SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》，依据绝迹稀释法原理，利用三次重复法测试水样中的细菌含量，测试结果如表2所示。

表1 油井采出水的离子浓度 mg·L-1

表2 油井水质指标

测试结果显示，3口井的产出水总矿化度、氯离子、硫离子含量高。分析该区块的腐蚀原因，主要是氯化物的应力腐蚀以及高矿化度引起的浓差腐蚀。此外，硫和硫化物都直接或间接地对油井有不同程度的腐蚀作用，同时还有硫酸盐还原菌引起的细菌腐蚀[13-16]。

2 缓蚀剂配方研究

近些年来，国内外对于缓蚀剂的研究主要集中于高效、无毒、绿色和多功能的研究和开发上，这也是缓蚀剂技术的热点和焦点[17]。咪唑啉类缓蚀剂作为一种环境友好型缓蚀剂，因其无毒、无刺激性气味，热稳定性好，对人体及周围环境几乎没有危害，在机械、石油、冶金等诸多领域中应用广泛，正受到人们越来越多的关注和青睐[18]。研究结果表明，咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀机理为: 当金属与酸性介质接触时，它可以在金属表面形成单分子吸附膜，降低氢离子的氧化还原电位，达到缓蚀之目的[19]。此外，咪唑啉分子中 N 原子可与碳钢表面空 d 轨道形成稳定的配位键，提高碳钢在腐蚀介质中的阳极活化能，从而降低阳极的腐蚀速率[20-21]。

采用单一组分的缓蚀剂往往不能达到理想的缓蚀效果，在油田现场多采用不同类型不同组分缓蚀剂配合使用，增强其缓蚀效果。利用缓蚀剂的协同效应可以减少缓蚀剂的用量，提高缓蚀效率，对于降低经济成本等具有重要意义。

在对所有样品进行筛选后，结合上述三口井采油污水的腐蚀特点，实验选取了自制的长碳链咪唑啉(SPA)、磷酸酯咪唑啉(IPP)、季铵盐类杀菌剂(QSB) 和乳化剂(EM)四种药剂，采用正交试验进行复配研究，从而筛选出新型、高效、低毒的复合配方。

实验按L9(34)正交表安排正交试验，其中因素为上述四种药剂，水平数为加量，具体因素与水平如表3所示。

表3 因素和水平

试验条件：试验用污水为X-2油井采出水，温度为35±2 ℃，压力为常压，挂片为N80钢制成，规格为50 mm×10 mm×3 mm，缓蚀剂用量150 mg·L-1，试验时间为7天，采用失重法评价在不同因素和水平条件下缓蚀剂对油管常用材料N80钢的缓蚀性能。正交试验结果见表4。

表4 正交试验结果及直观分析

由实验结果可知，影响缓蚀剂缓蚀性能的各因素主次顺序为：A>C>B>D；因平均腐蚀速率越小，缓蚀效果越好，故缓蚀剂的最优水平组合为A3B2C3D2，即SPA加量为7 g，IPP加量为3 g，QSB加量为5 g，EM加量为2 g。

实验以最优水平组合A3B2C3D2配制了500 mL缓蚀剂，在同样实验条件下测得的平均腐蚀速率为0.021 6 mm·a-1，与正交实验第7组所测平均腐蚀速率数据相当。将该配比所得的缓蚀剂命名为SIQE-Ⅰ缓蚀剂。

3 缓蚀剂性能研究

3.1 失重法评价缓蚀剂性能

采用SIQE-Ⅰ缓蚀剂，试验井采出水，7 d，35±2 ℃，常压下，利用失重法测定油田常用油管材料N80和油杆常用材料J55标准挂片在3口试验井中静态缓蚀性能，实验结果分别见图1～图3。

图1 X-1井缓蚀剂质量浓度与腐蚀速率关系图

图2 X-2井缓蚀剂质量浓度与腐蚀速率关系图

图3 X-3井缓蚀剂质量浓度与腐蚀速率关系图

由图1～图3可知，在所测质量浓度范围内，加入SIQE-Ⅰ后，金属材质的平均腐蚀率随缓蚀剂质量浓度的增加逐渐下降。X-1号井当缓蚀剂质量浓度为300 mg·L-1时，J55和N80的平均腐蚀速率为0.029 8 mm·a-1和0.031 0 mm·a-1，试片亮，无片蚀和条蚀现象；X-2号井当缓蚀剂质量浓度为200 mg·L-1时，其平均腐蚀率最低，J55和N80分别为0.016 6和0.019 2 mm·a-1，试片亮，无片蚀和条蚀现象；X-3号井当缓蚀剂质量浓度为200 mg·L-1时，其平均腐蚀率最低，J55和N80为0.013 2和0.018 5 mm·a-1。

综上所述，在所测质量浓度范围内，加入SIQE-Ⅰ后三口井的平均腐蚀率均随其质量浓度的增加逐渐下降；缓蚀剂浓度达到200 mg·L-1时，三口油井的腐蚀速率均趋于稳定，且点蚀和片蚀现象均有所减缓。

3.2 缓蚀剂极化曲线研究

试验采用Reference-3000电化学工作站，辅助电极为碳棒，参比电极为饱和甘汞电极，规格为5 cm2进行电化学性能测试。采用油田三口井的采出水为测试液体，N80钢，分别在室温和50 ℃两种温度下测试极化曲线。三口井的测试结果如图4～图6所示。

由图4～图6可知，在三口油井中，随着SIQE-Ⅰ质量浓度的增加，体系的腐蚀电流密度Icorr均减小，但腐蚀电位Ecorr差值均在±30 mV内波动；阴极的塔菲尔斜率减小的幅度比阳极的塔菲尔斜率减小的幅度大，抑制阴极反应更为明显。从以上结果可以得出SIQE-Ⅰ在三口油井采出水中均是以抑制阴极反应过程为主的混合型缓蚀剂。