杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂的合成与性能评价

2021-06-23王伟波王海军宋雨纯朱奕霖关博文连宇博杜佳璐

石油化工应用 2021年5期

王伟波，王海军，宋雨纯，朱奕霖，关博文，连宇博，王頔，杜佳璐

（1.西安长庆化工集团有限公司，陕西西安 710018；2.西北大学地质学系，陕西西安 710069；3.西安工程大学机械工程学院，陕西西安 710016；4.中国石油长庆油田分公司宜黄天然气项目部，陕西西安 710018）

酸化是油水井增产增注、提高油田开发经济效益的重要措施。然而，在酸化施工过程中，必然会造成设备及井下油管、套管的严重腐蚀[1]。因此，酸化过程中首要任务是解决油套管设备的防腐蚀问题。采用缓蚀剂来减缓腐蚀速率是一种经济有效的方法。

目前国内酸化缓蚀剂的主要成分为含氮杂环类以及曼尼希碱类[2]。尽管常规的曼尼希碱类酸化缓蚀剂在中温条件下性能卓越，但是其价格比较昂贵，特别是需要添加相当比例的丙炔醇才能很好地发挥作用，由于目前丙炔醇的高致癌性及高价位导致传统的曼尼希碱类酸化缓蚀剂逐渐被淘汰[3]。针对以上问题，合成出一种杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂，其特点是合成工艺简单，缓蚀性能好，可适用于盐酸、土酸等多种酸化体系。

1 实验部分

1.1 仪器

三口烧瓶；冷凝管；温度计；强力电动搅拌机；电子调温电热套；电子天平；超级恒温水浴锅；冷凝管；温度计。

1.2 药品

多烷基吡啶鎓衍生物（工业品），多元脂肪醇基苄氯（工业品），盐酸（分析纯），N80 钢片（试片规格为50 mm×10 mm×3 mm）。

1.3 性能评价方法

依照SY/T 5405-2019《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》中的静态失重法进行评价，实验温度90 ℃，20%的盐酸，加药浓度1%的条件下进行测试（见表1）。

表1 常压静态腐蚀速率测定条件及缓蚀剂评价指标

2 结果与讨论

2.1 杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂的合成原理

杂环烷基吡啶环上的N 拥有一对孤立电子[4]，结合苯环结构，使得N 变成活性基团，可通过静电吸附和形成配价键等多种途径，被吸附在金属表面上。环上的烷基基团则为非极性基，分子之间的这些基团通过凝聚力等作用[5]，组成一个憎水性的吸附层，附着在钢样表面，把腐蚀介质和金属表面分开，阻止阳极过程或阴极过程进行。进行季铵化后含有季铵阳离子，更易吸附于金属表面成吸附膜，表现出优异的缓蚀效果[6]。

2.2 杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂的合成方法

在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的三颈烧瓶中依次加入多烷基吡啶鎓衍生物、多元脂肪醇基苄氯后，打开冷凝回流装置，加热至120 ℃反应2 h 后，冷却至40 ℃以下，按照1:4 的质量比，向反应体系中添加计算量的水，搅拌30 min 后，得到红棕色均一液体，即为杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂。

2.3 最佳制备参数

合成过程中影响杂环吡啶季铵盐酸化缓蚀剂性能的主要因素有反应温度、反应时间、反应物摩尔比及pH 值。为了系统地了解这些因素对合成的影响，设计了正交实验，合成实验结束后对产物的缓蚀性能进行了测试。腐蚀速率测定在质量分数为20%盐酸介质中进行，温度90 ℃，腐蚀时间为4 h，缓蚀剂在酸体系中的质量分数为1%，测定结果（见表2）。

表2 正交实验结果与分析

通过实验可以看出，反应温度、反应时间、摩尔比及pH 值对最终产物的腐蚀速率有较大影响。当按照序号5 进行合成反应（即反应温度为70 ℃，反应时间为2 h，摩尔比为1：1，pH 值为4 时），合成的缓蚀剂腐蚀速率最低为2.48 g/（m2·h）。

2.4 加药浓度对腐蚀速率的影响

将中试合成的杂环吡啶类酸化缓蚀剂按照不同加药浓度，对腐蚀速率进行评价实验，评价结果（见图1）。

图1 加药浓度对腐蚀速率的影响

通过实验可以看出，腐蚀速率随加药浓度的升高不断下降，当加药浓度为1.0%以后，腐蚀速率维持在3.0 g/（m2·h）以下，继续增加缓蚀剂的加药浓度对腐蚀速率影响较小。

2.5 不同酸液体系对腐蚀速率的影响

配制不同的酸液体系，分别加入1.0%的酸化缓蚀剂，在90 ℃条件下，依照SY/T 5405-2019《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》中的静态失重法对缓蚀性能进行测试，测试结果（见表3）。

表3 不同酸液体系对缓蚀性能的影响

通过实验可以看出，在不同酸液体系中，酸液浓度越高腐蚀速率越大，当盐酸浓度为20%时腐蚀速度最高可达2.481 g/（m2·h）；在12%的盐酸中加入3%甲酸对N80 挂片腐蚀速率要高于氢氟酸和乙酸。由于甲酸酸性强于乙酸和氢氟酸，且乙酸中甲基的推电子诱导效应，因此，甲酸对钢片的腐蚀能力要比乙酸和氢氟酸强。

2.6 不同温度对腐蚀速率的影响

在20%分析纯盐酸中加入1%酸化缓蚀剂，依照SY/T 5405-1996《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》中的静态失重法在不同温度条件下对缓蚀性能进行测试，测试结果（见图2）。

图2 不同温度对腐蚀速率的影响

通过实验可以看出，随着温度的升高腐蚀速率升高，20%的盐酸腐蚀速率升高的速度要高于15%的盐酸，当温度升高至90 ℃腐蚀速率由1.601 g/（m2·h）升高至2.481 g/（m2·h）。产生这一现象的原因是由于温度升高后，酸化缓蚀剂的吸附能力减弱且在钢铁表面的脱附速率增加相对较快，无法生成完整的吸附膜。