咪唑啉復(fù)合緩蝕劑的研制與評價

賀亞維, 閻媛子, 竇婭莉

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000; 2.延長油田股份有限公司 杏子川采油廠，陜西 延安 716000)

油田生產(chǎn)過程中，油井管桿的腐蝕問題一直是嚴(yán)重威脅油田安全生產(chǎn)的重要因素之一。尤其是在現(xiàn)階段，我國大部分油田都已進入生產(chǎn)的中后期，油井產(chǎn)出液含水率持續(xù)升高，產(chǎn)出水不僅礦化度不斷增高，還普遍含有大量腐蝕性物質(zhì)，如H2S、硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細菌(IB)和腐生菌(TGB)等。在高礦化度水和其他腐蝕性物質(zhì)的綜合作用下，抽油桿和油管會因腐蝕而導(dǎo)致穿孔、變形、斷落，不僅給井下作業(yè)帶來很多復(fù)雜情況,也嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)，直接影響油田企業(yè)的經(jīng)濟效益[1-6]。

目前國內(nèi)外常見的防腐技術(shù)主要有：①應(yīng)用具有防腐性能的材料；②改變環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性；③電化學(xué)保護法；④添加化學(xué)藥劑防腐；⑤定期進行腐蝕監(jiān)測等[7-9]。不同防腐技術(shù)具有不同的緩蝕效果，成本、作業(yè)的難易程度和風(fēng)險也各有不同。

與其他防腐技術(shù)相比，添加緩蝕劑法具有以下優(yōu)點：①操作過程簡單，基本上不需要特殊的附加設(shè)備即可進行，加入量少，節(jié)約人力財力；②可以不改變金屬材料和介質(zhì)原來的性質(zhì)；③不受保護對象的結(jié)構(gòu)限制，只需選擇適當(dāng)?shù)募铀帩舛燃凹铀幹芷?，就能實現(xiàn)對設(shè)備的很好保護；④可以針對腐蝕的原因改變緩蝕劑的種類或濃度，以確保在不同腐蝕環(huán)境下對金屬材料的防腐效果；⑤即使在腐蝕已經(jīng)發(fā)生的情況下也可以通過使用緩蝕劑來降低金屬的腐蝕速率。由于緩蝕劑具有以上諸多優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，也成為目前油田最普遍使用的防腐方法。

1 油井腐蝕因素研究

選取某采油廠一區(qū)塊為調(diào)查對象，該區(qū)塊主要開采三疊系延長組長2地層，屬低孔、低滲、超低滲儲層，開采難度較大，井下環(huán)境復(fù)雜。隨著油田開發(fā)的精細化，該油田已進入中高含水期，油井產(chǎn)出液礦化度高，pH值低，含有大量的細菌及 CO2、H2S 氣體，導(dǎo)致油井油管、套管、抽油桿、抽油泵等的腐蝕日愈嚴(yán)重[10-12]。油區(qū)采用的主要為有桿泵采油系統(tǒng)，油井泵掛平均1 000米左右，桿柱負荷高，因抽油桿斷脫、油套管腐蝕穿孔導(dǎo)致油井作業(yè)頻繁，其中某采油大隊每年因腐蝕所需更換的抽油桿數(shù)量為1 000～2 000根，大修井費用高、周期長。因此，如何降低油井修井作業(yè)次數(shù)，減少油桿斷脫是實現(xiàn)該區(qū)塊經(jīng)濟利益開發(fā)的關(guān)鍵。

選取該區(qū)塊腐蝕較為嚴(yán)重的3口井作為研究對象，根據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》，利用離子色譜法測試油井采出液的各離子濃度、總礦化度，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，依據(jù)絕跡稀釋法原理，利用三次重復(fù)法測試水樣中的細菌含量，測試結(jié)果如表2所示。

表1 油井采出水的離子濃度 mg·L-1

表2 油井水質(zhì)指標(biāo)

測試結(jié)果顯示，3口井的產(chǎn)出水總礦化度、氯離子、硫離子含量高。分析該區(qū)塊的腐蝕原因，主要是氯化物的應(yīng)力腐蝕以及高礦化度引起的濃差腐蝕。此外，硫和硫化物都直接或間接地對油井有不同程度的腐蝕作用，同時還有硫酸鹽還原菌引起的細菌腐蝕[13-16]。

2 緩蝕劑配方研究

近些年來，國內(nèi)外對于緩蝕劑的研究主要集中于高效、無毒、綠色和多功能的研究和開發(fā)上，這也是緩蝕劑技術(shù)的熱點和焦點[17]。咪唑啉類緩蝕劑作為一種環(huán)境友好型緩蝕劑，因其無毒、無刺激性氣味，熱穩(wěn)定性好，對人體及周圍環(huán)境幾乎沒有危害，在機械、石油、冶金等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，正受到人們越來越多的關(guān)注和青睞[18]。研究結(jié)果表明，咪唑啉類緩蝕劑的緩蝕機理為: 當(dāng)金屬與酸性介質(zhì)接觸時，它可以在金屬表面形成單分子吸附膜，降低氫離子的氧化還原電位，達到緩蝕之目的[19]。 此外，咪唑啉分子中 N 原子可與碳鋼表面空 d 軌道形成穩(wěn)定的配位鍵，提高碳鋼在腐蝕介質(zhì)中的陽極活化能，從而降低陽極的腐蝕速率[20-21]。

采用單一組分的緩蝕劑往往不能達到理想的緩蝕效果，在油田現(xiàn)場多采用不同類型不同組分緩蝕劑配合使用，增強其緩蝕效果。利用緩蝕劑的協(xié)同效應(yīng)可以減少緩蝕劑的用量，提高緩蝕效率，對于降低經(jīng)濟成本等具有重要意義。

在對所有樣品進行篩選后，結(jié)合上述三口井采油污水的腐蝕特點，實驗選取了自制的長碳鏈咪唑啉(SPA)、磷酸酯咪唑啉(IPP)、季銨鹽類殺菌劑(QSB) 和乳化劑(EM)四種藥劑，采用正交試驗進行復(fù)配研究，從而篩選出新型、高效、低毒的復(fù)合配方。

實驗按L9(34)正交表安排正交試驗，其中因素為上述四種藥劑，水平數(shù)為加量，具體因素與水平如表3所示。

表3 因素和水平

試驗條件：試驗用污水為X-2油井采出水，溫度為35±2 ℃，壓力為常壓，掛片為N80鋼制成，規(guī)格為50 mm×10 mm×3 mm，緩蝕劑用量150 mg·L-1，試驗時間為7天，采用失重法評價在不同因素和水平條件下緩蝕劑對油管常用材料N80鋼的緩蝕性能。正交試驗結(jié)果見表4。

表4 正交試驗結(jié)果及直觀分析

由實驗結(jié)果可知，影響緩蝕劑緩蝕性能的各因素主次順序為：A>C>B>D；因平均腐蝕速率越小，緩蝕效果越好，故緩蝕劑的最優(yōu)水平組合為A3B2C3D2，即SPA加量為7 g，IPP加量為3 g，QSB加量為5 g，EM加量為2 g。

實驗以最優(yōu)水平組合A3B2C3D2配制了500 mL緩蝕劑，在同樣實驗條件下測得的平均腐蝕速率為0.021 6 mm·a-1，與正交實驗第7組所測平均腐蝕速率數(shù)據(jù)相當(dāng)。將該配比所得的緩蝕劑命名為SIQE-Ⅰ緩蝕劑。

3 緩蝕劑性能研究

3.1 失重法評價緩蝕劑性能

采用SIQE-Ⅰ緩蝕劑，試驗井采出水，7 d，35±2 ℃，常壓下，利用失重法測定油田常用油管材料N80和油桿常用材料J55標(biāo)準(zhǔn)掛片在3口試驗井中靜態(tài)緩蝕性能，實驗結(jié)果分別見圖1～圖3。

圖1 X-1井緩蝕劑質(zhì)量濃度與腐蝕速率關(guān)系圖

圖2 X-2井緩蝕劑質(zhì)量濃度與腐蝕速率關(guān)系圖

圖3 X-3井緩蝕劑質(zhì)量濃度與腐蝕速率關(guān)系圖

由圖1～圖3可知，在所測質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，加入SIQE-Ⅰ后，金屬材質(zhì)的平均腐蝕率隨緩蝕劑質(zhì)量濃度的增加逐漸下降。X-1號井當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度為300 mg·L-1時，J55和N80的平均腐蝕速率為0.029 8 mm·a-1和0.031 0 mm·a-1，試片亮，無片蝕和條蝕現(xiàn)象；X-2號井當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度為200 mg·L-1時，其平均腐蝕率最低，J55和N80分別為0.016 6和0.019 2 mm·a-1，試片亮，無片蝕和條蝕現(xiàn)象；X-3號井當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度為200 mg·L-1時，其平均腐蝕率最低，J55和N80為0.013 2和0.018 5 mm·a-1。

綜上所述，在所測質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，加入SIQE-Ⅰ后三口井的平均腐蝕率均隨其質(zhì)量濃度的增加逐漸下降；緩蝕劑濃度達到200 mg·L-1時，三口油井的腐蝕速率均趨于穩(wěn)定，且點蝕和片蝕現(xiàn)象均有所減緩。

3.2 緩蝕劑極化曲線研究

試驗采用Reference-3000電化學(xué)工作站，輔助電極為碳棒，參比電極為飽和甘汞電極，規(guī)格為5 cm2進行電化學(xué)性能測試。采用油田三口井的采出水為測試液體，N80鋼，分別在室溫和50 ℃兩種溫度下測試極化曲線。三口井的測試結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，在三口油井中，隨著SIQE-Ⅰ質(zhì)量濃度的增加，體系的腐蝕電流密度Icorr均減小，但腐蝕電位Ecorr差值均在±30 mV內(nèi)波動；陰極的塔菲爾斜率減小的幅度比陽極的塔菲爾斜率減小的幅度大，抑制陰極反應(yīng)更為明顯。從以上結(jié)果可以得出SIQE-Ⅰ在三口油井采出水中均是以抑制陰極反應(yīng)過程為主的混合型緩蝕劑。

圖4 X-1井室溫和50 ℃時的極化曲線圖

圖5 X-2井室溫和50 ℃時的極化曲線圖

4 結(jié) 論

(1)王家灣區(qū)塊三口試驗油井采出液含水率高，礦化度高，多種腐蝕介質(zhì)并存，這些因素是導(dǎo)致油井用抽油桿、油管、套管等腐蝕嚴(yán)重的原因。

圖6 X-3井室溫和50 ℃時的極化曲線圖

(2)利用緩蝕劑的復(fù)配效應(yīng)，以最優(yōu)水平組合A3B2C3D2配方，SPA加量為7 g，IPP加量為3 g，QSB加量為5 g，EM加量為2 g配制的SIQE-Ⅰ緩蝕劑可以產(chǎn)生最佳緩蝕效果。

(3)SIQE-Ⅰ緩蝕劑的緩蝕效果與它的質(zhì)量濃度有關(guān)，濃度增加緩蝕效果增強，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度超過200 mg·L-1后緩蝕效果變化不大，此濃度為最佳使用濃度。

(4)極化曲線結(jié)果分析表明，SIQE-Ⅰ緩蝕劑是以抑制陰極反應(yīng)過程為主的混合型緩蝕劑，適用于多種介質(zhì)環(huán)境使用。