嗎啉類氣相緩蝕劑的合成及在渤海油田的應用

袁宏強，杜冠樂，張 穎，戴俊峰，李冬寧，張 濤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油田化學分公司，天津 300452)

油氣田開發(fā)過程中，腐蝕問題涉及從井下到終端處理廠的整個流程，是作業(yè)者重點關(guān)注的安全問題之一，尤其是在流程短、設備集中的海上油田，腐蝕更是不能輕視[1]。渤海某油田生產(chǎn)平臺三相分離器后的氣相管線，出口腐蝕嚴重，已影響正常生產(chǎn)活動，現(xiàn)場管線腐蝕如圖1所示。有圖可看到此處腐蝕以點蝕為主，已發(fā)生較為嚴重的腐蝕穿孔現(xiàn)象。

圖1 現(xiàn)場漏點圖片

經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)場油氣水三相分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示。油氣水混合物高速進入分離器，根據(jù)三相密度的不同，油、水進入底部沉降，而氣相則從分離器頂部排出。出口氣相中水分含量較高，在彎頭處由于流速、溫度的變化，容易凝結(jié)并析出，而水對鋼鐵的浸潤作用則會加劇腐蝕速率，因此在轉(zhuǎn)彎處腐蝕嚴重。本次點蝕穿孔處正處于管道彎頭附近。

圖2 油氣水三相分離器圖示

1 現(xiàn)場氣體性質(zhì)及在用藥劑情況

對現(xiàn)場流體性質(zhì)、在用藥劑、現(xiàn)場材質(zhì)等進行調(diào)研分析，剛分離出的天然氣呈泡沫狀，含水量較高，取樣分析，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 分離器天然氣檢測數(shù)據(jù)

由表1可知，從CO2、H2S分壓對腐蝕的影響分析，分離器氣相出口H2S分壓為1.17×10-3kPa，根據(jù)國內(nèi)濕H2S環(huán)境的定義[2]，此處氣體中H2S含量小于0.35 kPa時，故發(fā)生硫化物應力腐蝕斷裂的可能性很小；CO2分壓為9.8 kPa，根據(jù)Lohodny-Sarc對氣井的研究，P CO2<21 kPa時，發(fā)生CO2腐蝕概率較小[3]。

從溫度對腐蝕的影響分析，此處溫度在72℃，屬于60～110℃間腐蝕過渡區(qū)，在這個區(qū)間CO2腐蝕動力學會發(fā)生較大變化，水對鋼鐵表面的浸潤作用加劇CO2腐蝕[4]，最終導致局部腐蝕突出。根據(jù)后期現(xiàn)場檢測結(jié)果，發(fā)生的腐蝕為局部點蝕穿孔，與分析吻合。

現(xiàn)場應用的氣相緩蝕劑為咪唑啉類緩蝕劑，其成膜性較好，與鋼鐵的相互作用較強，但其沸點較高，該類緩蝕劑的低溫下?lián)]發(fā)性差，有效成分很難分散到氣相。本文合成了嗎啉類氣相緩蝕劑，屬于小分子胺類緩蝕劑，若單獨使用與鋼鐵的相互作用較弱，成膜性差[5]；但其沸點低，低溫下?lián)]發(fā)性好，氣相中濃度較高。因此，針對渤海油田氣相管線的流體性質(zhì)，采用不同類型緩蝕劑的復配，能夠取長補短，保證藥劑既能溶解在水中保護液相的鋼管，又可在氣相發(fā)揮較好的緩蝕效果；該復配后藥劑效果優(yōu)良，成功在現(xiàn)場推廣應用。

2 嗎啉類氣相緩蝕劑的制備及性能測試

2.1 嗎啉類氣相緩蝕劑的合成

本文以嗎啉、環(huán)己胺、甲醛為原料，經(jīng)Mannich反應制備N,N-仲胺類甲基嗎啉。

圖3 嗎啉類氣相緩蝕劑的合成方程式

合成過程中，將嗎啉和環(huán)己胺置于3口燒瓶中混合均勻，冰水浴冷卻，攪拌下滴加甲醛溶液，反應結(jié)束后靜置分層，取上層溶液減壓蒸餾，即得嗎啉類氣相緩蝕劑。選擇不同的投料摩爾比，可制得單(甲基嗎啉)胺和雙(甲基嗎啉)胺。

2.2 嗎啉類緩蝕劑及復配物的實驗室緩蝕性能探究

為了考察所合成的緩蝕劑性能，在實驗室選擇動態(tài)失重法評價所合成緩蝕劑的緩釋性能。室內(nèi)試驗條件為：70℃，0.1 MPaCO2+0.9 MPaN2，轉(zhuǎn)速451 r/min。加藥濃度為10 mg/L(相對氣相)。室內(nèi)試驗分別考察了單一緩蝕劑與復配后緩蝕劑的緩釋效果。

2.2.1 現(xiàn)場緩蝕劑與嗎啉類緩蝕劑室內(nèi)緩蝕效果測試

表2 緩蝕劑室內(nèi)評價數(shù)據(jù)

從表2試驗數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場咪唑啉氣相緩蝕劑和嗎啉氣相緩蝕劑均有一定的緩釋效果，現(xiàn)場腐蝕速率都符合石油行業(yè)標準，對于現(xiàn)場工況，嗎啉類氣相緩蝕劑具有更好的緩釋效果。

2.2.2 嗎啉類緩蝕劑與咪唑啉類緩蝕劑、硫脲復配后的緩蝕效果

表3 復配后室內(nèi)評價數(shù)據(jù)

將合成的氣相緩蝕劑與在用氣相緩蝕劑、硫脲增效劑按照不同比例復配，驗證不同配比氣相緩蝕劑的室內(nèi)應用效果。復配后緩釋效果見表3。

根據(jù)室內(nèi)試驗可知：復配后，除YFHG-06與嗎啉氣相緩蝕劑效果相當外，其余幾種緩釋效果較單一緩釋劑均有較大提升，分析原因可能是咪唑啉衍生物沸點較高，且其形成的吸附膜有空隙，加入小分子嗎啉衍生物后降低藥劑沸點，并與其產(chǎn)生協(xié)同效應。YFHG-01、YFHG-02均具有較好的緩釋效果，推薦YFHG-01開展現(xiàn)場試驗。

3 氣相緩蝕劑現(xiàn)場試驗及應用

選擇效果較好的YFHG-01開展氣相緩蝕劑現(xiàn)場試驗，通過在氣相出口處掛腐蝕掛片，開展現(xiàn)場氣相緩蝕劑評級工作。試驗周期為一個月，加注濃度為10 mg/L。表4為試驗期間現(xiàn)場工況。

表4 試驗期間現(xiàn)場工況

由表4可知，試驗期間現(xiàn)場壓力、溫度、產(chǎn)氣量均保持穩(wěn)定，故試驗期間藥劑加注濃度維持穩(wěn)定值。

現(xiàn)場試驗一個月后，現(xiàn)場掛片狀態(tài)如下。圖4分別為V-2140/2340出口掛片狀態(tài)。

圖4 氣相出口掛片

試驗結(jié)束后，取出掛片，立即用水沖洗試片表面沉積物，并用醫(yī)用紗布擦干。將擦干的試片放入酸去膜液中浸泡5 min，同時用鑷子夾少量脫脂棉拭去掛片表面腐蝕產(chǎn)物。從去膜液中取出掛片，用清水沖去表面殘酸，并迅速用醫(yī)用紗布擦干，放入無水乙醇中浸泡約5 min，取出用冷風吹干，放在干燥器30 min后稱量，并計算腐蝕速率。通過對試驗期間，最終檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗期間平均腐蝕速率

對試驗期間掛片檢測數(shù)據(jù)可知， YFHG-01現(xiàn)場應用效果良好，與在用氣相緩蝕劑相比具有較大程度提升，完全滿足現(xiàn)場需要。

4 結(jié)論

(1)1.0×10-5加注濃度條件下，單一緩蝕劑加注時，在用氣相緩蝕劑和實驗嗎啉氣相緩蝕劑均低于0.076 mm/a，滿足石

(2)復配氣相緩蝕劑現(xiàn)場應用效果優(yōu)于單一緩蝕劑加注效果，按照合適比例復配成的氣相緩蝕劑YFHG-01室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗緩釋效果均達90%以上，可極大降低現(xiàn)場管線腐蝕，完全滿足現(xiàn)場需要。