酸性緩蝕劑HAC－S的合成及性能評價

陳以周，艾俊哲，榮沙沙 （長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

酸性緩蝕劑是一類應(yīng)用廣泛的緩蝕劑，工業(yè)上使用較多的為咪唑啉及其衍生物，一般是以C8～C18的脂肪酸與多胺脫水縮合酰胺化，繼續(xù)升溫使其發(fā)生分子內(nèi)脫水形成的咪唑啉五元環(huán)，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步與季銨化試劑等反應(yīng)，以獲得更加優(yōu)越的緩蝕性能［1～5］。下面，筆者合成了一種新型完井液用酸性咪唑啉緩蝕劑HAC－S，并對其性能進(jìn)行了評價。

1 試驗部分

1.1 試劑和儀器

1）試劑 無水乙醇、丙酮、氯化鈉、石油醚等均為分析純；HTA為工業(yè)品，緩蝕劑B、C、D是市場上效果較好的適合酸性環(huán)境的緩蝕劑樣品。

2）儀器 水浴鍋（控溫精度±1℃）、游標(biāo)卡尺（精度0.02mm）、202型電熱恒溫干燥箱、托盤天平、AL204電子天平（感量0.1mg）、干燥器、電吹風(fēng)機、溫度計、玻璃棒、量筒、容器裝置等。

1.2 HAC－S緩蝕劑的合成

在三口燒瓶中按摩爾比1∶1.5～2加入脂肪酸和三乙烯四胺，緩慢升溫到160℃反應(yīng)1～5h，再繼續(xù)升溫反應(yīng)1～2h生成縮合中間體；以乙醇和平平加作為分散劑，加入縮合中間體，強力攪拌形成O／W型乳狀液并使其充分溶解于水介質(zhì)中后再加入氯化芐，升溫到80℃攪拌使其完全反應(yīng)，冷卻后即為緩蝕劑樣品，其分子式如下：

1.3 HAC－S緩蝕劑性能評價方法

采用N80鋼為掛片材料，蒸餾水＋HTA＋NaCl溶液體系為試驗介質(zhì)，周期24h，分別考察緩蝕劑加量、鹽水濃度、溫度和酸度對緩蝕效果的影響；并在指定條件下將HAC－S緩蝕劑（A）與市場上效果較好的3種酸性緩蝕劑（B、C、D）緩蝕效果對比。根據(jù)實際要求，室內(nèi)模擬油田施工現(xiàn)場最苛刻的工礦條件，評價HAC－S緩蝕劑對地層水介質(zhì)中3種鋼X52、L80、K55的緩蝕效果，試驗體系采用20%NaCl鹽水溶液，HAC－S緩蝕劑加量為2%，氣體分壓PCO2＝3.0MPa，PH2S＝0.4MPa。

全部試驗方法及數(shù)據(jù)處理參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／5273－2000中的靜態(tài)掛片失重法等。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩蝕劑加量對緩蝕效果的影響

試驗用N80鋼按標(biāo)準(zhǔn)處理，試驗介質(zhì)為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%NaCl，試驗溫度50℃，試驗周期24h，試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著緩蝕劑HAC－S濃度的增加，鋼片在酸性完井液中的腐蝕速率迅速減小，緩蝕效率增大；當(dāng)HAC－S濃度超過0.2%之后，緩蝕效率隨HAC－S濃度增加而緩慢增加，HAC－S的濃度為1%時，腐蝕速率降低至0.1157mm／a，緩蝕效率達(dá)到98%。

2.2 鹽水濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質(zhì)為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%HAC－S，試驗溫度50℃，試驗周期24h，改變NaCl濃度，試驗結(jié)果如圖2所示。Cl－能破壞鋼片表面的腐蝕保護(hù)膜，從而使得腐蝕加劇。從圖2中可以明顯看出，隨著NaCl濃度的增加，N80鋼在酸性完井液中的腐蝕速率明顯加快。試驗中發(fā)現(xiàn)，NaCl濃度為1%時，腐蝕后的鋼片依然光亮，濃度為2%時僅掛繩接觸點處腐蝕，濃度超過3%以后出現(xiàn)明顯的腐蝕銹斑，超過5%以后銹斑覆蓋整個鋼片。

圖1 緩蝕劑加量對腐蝕速率的影響

圖2 鹽水濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

2.3 溫度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質(zhì)為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%HAC－S，在不同溫度下腐蝕24h后的結(jié)果見圖3。從圖3中可知，溫度升高會加速金屬的腐蝕，一般認(rèn)為這是由于有機物分子在高溫下易分解失效而造成。當(dāng)溫度為50℃時，腐蝕速率僅0.0090mm／a，腐蝕后的鋼片依然光亮；當(dāng)溫度升高到70℃時，鋼片出現(xiàn)明顯的腐蝕銹斑；溫度80℃時腐蝕速率達(dá)到0.5124mm／a，腐蝕銹斑覆蓋整個鋼片。

圖3 溫度對HAC－S緩蝕效果的影響

2.4 酸濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質(zhì)為蒸餾水＋1%NaCl，在不同酸濃度下腐蝕24h后的結(jié)果見表1。從表1可知，隨著完井液體系中HTA濃度的增加，鋼片的腐蝕速率明顯增大。鋼片的空白試驗結(jié)果也表明酸性完井液體系中的鋼片有不同程度的點蝕存在。

表1 酸濃度對HAC－S緩蝕效果的影響（腐蝕溫度：50℃）

3 緩蝕效果比較與評價

3.1 HAC－S與其他緩蝕劑緩蝕效果比較

加入HAC－S（A）和B、C、D這4種不同緩蝕劑的完井液體系中，N80鋼的腐蝕速率及緩蝕劑的緩蝕效果如圖4所示。由圖4可知，這4種緩蝕劑在酸性完井液體系中，均對鋼片表現(xiàn)出一定的緩蝕性能，其中緩蝕劑HAC－S能顯著降低鋼片的腐蝕速率，當(dāng)HAC－S加量為1%時，緩蝕效果達(dá)到最佳，緩蝕速率為0.1157mm／a。

3.2 HAC－S緩蝕劑對各種管材在苛刻環(huán)境中的緩蝕效果評價

室內(nèi)模擬現(xiàn)場腐蝕介質(zhì)結(jié)果見表2。在H2S和CO2共存的20%鹽水溶液中，3種鋼材的腐蝕均極為嚴(yán)重，HAC－S在極端環(huán)境下對3種鋼材均有良好的緩蝕效果，且能將腐蝕速率控制在非常低的水平，70℃時由于原始腐蝕速率較低導(dǎo)致緩蝕率數(shù)值較小，但腐蝕速率的絕對值很低。試驗還發(fā)現(xiàn)，50℃時這3種鋼材的腐蝕速率極大，隨溫度升高腐蝕速率有所下降，表明3種鋼材的腐蝕敏感溫度可能在50℃附近。

圖4 不同緩蝕劑效果對比

表2 極端條件下HAC－S對不同鋼材的緩蝕效果

4 結(jié)論

1）酸性緩蝕劑HAC－S緩蝕效率隨緩蝕劑濃度加大而增大，溫度、酸度和NaCl鹽水濃度的升高會使緩蝕效率有所下降；與市場常用的酸性緩蝕劑相比，HAC－S緩蝕劑對N80鋼緩蝕效果更好。

2）在H2S和CO2共存的高濃度鹽水溶液中，HAC－S緩蝕劑對不同材質(zhì)的鋼材仍表現(xiàn)出優(yōu)異的緩蝕效果；在50℃到90℃的不同溫度下均能將腐蝕速率控制在極低水平，表明HAC－S緩蝕劑具有優(yōu)良的現(xiàn)場應(yīng)用價值。

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［5］艾俊哲，梅平，郭興蓬.NaCl水溶液中緩蝕劑控制電偶腐蝕的研究 ［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2008，28（2）：90～94.