空氣泡沫驅(qū)多元緩蝕劑的制備研究

高 波,姚 謀,薛 強(qiáng),張 康

(1.長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠，甘肅 慶陽 745700；2.長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710016)

空氣泡沫驅(qū)采用的泡沫液體，主要由發(fā)泡的表面活性劑及穩(wěn)定泡沫的泡沫穩(wěn)定劑組成?？諝馔ㄟ^除氧處理，直接與泡沫液體進(jìn)行發(fā)泡，得到穩(wěn)定的泡沫體系[1]。體系中大量氧氣的引入會(huì)對(duì)注入體系造成嚴(yán)重的腐蝕，從而給生產(chǎn)造成巨大的影響和損失[2]。

咪唑啉型緩蝕劑是較為常用的緩蝕劑，具有較強(qiáng)的吸附能力，能夠和金屬達(dá)到動(dòng)態(tài)的吸附平衡，即使不能實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，也不會(huì)造成局部的嚴(yán)重腐蝕，對(duì)腐蝕過程中的陽極能夠起到較好的保護(hù)作用[3]。所以，使用咪唑啉緩蝕劑是安全的，即使局部濃度分布不均勻也不會(huì)引起點(diǎn)蝕[4]。

除了氧氣的腐蝕，管線中的結(jié)垢也會(huì)加重設(shè)備的腐蝕[5]。有機(jī)磷羧酸類緩蝕劑的使用十分廣泛，具有緩蝕和阻垢的雙重功效，可以在金屬表面形成沉淀吸附薄膜，達(dá)到緩蝕的效果，也可以與常見的成垢金屬離子如Ca2+、Mg2+等發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，起到阻垢的效果[6]。

本文對(duì)幾種常用的緩蝕阻垢劑進(jìn)行篩選，并考察各相關(guān)藥劑的加量對(duì)N80鋼片在腐蝕介質(zhì)中腐蝕速率的影響，通過正交實(shí)驗(yàn)，得到對(duì)空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)有良好緩蝕性能的緩蝕劑。

1 原理及方法

1.1 儀器與試劑

試劑：月桂基咪唑啉季銨鹽，十六烷基咪唑啉季銨鹽，油酸基咪唑啉季銨鹽，改性咪唑啉等緩蝕劑，以及有機(jī)磷酸、有機(jī)磷羧酸、多功能有機(jī)磷酸鹽等緩蝕阻垢劑和除氧劑等。實(shí)驗(yàn)采用N80鋼片為試片。

儀器：分析天平，空氣泡沫驅(qū)腐蝕評(píng)價(jià)裝置，掃描電子顯微鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用正交實(shí)驗(yàn)法，以N80試片的腐蝕速率為指標(biāo)，參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273-2000《油田采出水用緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行測(cè)試[7]。腐蝕速率和緩蝕率按以下計(jì)算方法：

其中：rcorr為腐蝕速率，mm·a-1；m0為N80測(cè)試前質(zhì)量，g；mt為N80測(cè)試后質(zhì)量，g；S為N80鋼片表面積，cm2；t為腐蝕時(shí)間，h；ρ為N80鋼片密度，g·cm-3；η為緩蝕劑的緩蝕率，%；Δm1為空白實(shí)驗(yàn)中N80鋼片腐蝕前后的質(zhì)量差值，g。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)腐蝕前后的試片表面進(jìn)行觀察，分析可能的腐蝕機(jī)理和緩蝕劑的作用機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 單劑的篩選

將常用的幾種緩蝕阻垢劑與泡沫液體系配制成一定濃度的溶液，測(cè)量不同緩蝕劑在80℃、500mg·L-1濃度下N80鋼片的腐蝕速率，結(jié)果見表1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)采用的4種咪唑啉類緩蝕劑中，改性咪唑啉的腐蝕速率最低，體系的腐蝕速率下降到0.0954mm·a-1。實(shí)驗(yàn)采用的3種磷羧酸類緩釋阻垢劑中，有機(jī)磷羧酸的緩蝕性能最好，體系的腐蝕速率下降到0.2267 mm·a-1。因此，選擇改性咪唑啉和有機(jī)磷羧酸作為空氣泡沫驅(qū)復(fù)合緩蝕劑的主要試劑。

表1 單劑的緩蝕性能測(cè)定

2.2 多元緩蝕劑的制備

單獨(dú)使用某一種緩蝕劑，不能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)的使用標(biāo)準(zhǔn)(0.076mm·a-1)，因此需要將多種緩蝕劑進(jìn)行復(fù)配，使得緩蝕劑和其他助劑協(xié)同作用，以期達(dá)到相應(yīng)的施工要求。將篩選后的緩蝕劑與除氧劑等進(jìn)行正交復(fù)配實(shí)驗(yàn)，考察緩蝕劑用量為500 mg·L-1時(shí)，N80鋼片的腐蝕速率(表2)。

表2 復(fù)合緩蝕劑正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，復(fù)合后的緩蝕劑擁有更低的腐蝕速率和更好的緩蝕性能，改性咪唑啉、有機(jī)磷羧酸和除氧劑的含量均為20%時(shí)，得到的復(fù)合緩蝕劑的性能最佳。因此該復(fù)合緩蝕劑的優(yōu)化配方為：改性咪唑啉∶有機(jī)磷羧酸∶除氧劑=1∶1∶1。

2.3 緩蝕劑性能評(píng)價(jià)

按照優(yōu)化配方配制相應(yīng)的復(fù)合緩蝕劑，按照實(shí)驗(yàn)中的評(píng)價(jià)方法對(duì)緩蝕劑的使用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。配制不同濃度的緩蝕劑泡沫溶液，測(cè)量N80鋼片在其中的腐蝕速率，對(duì)其濃度和腐蝕速率的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。從圖1可知，隨著復(fù)合緩蝕劑使用濃度增加，N80鋼片的腐蝕速率逐漸減小，濃度為800mg·L-1時(shí)，腐蝕速度最小，為 0.027 mm·a-1，隨后緩慢升高。濃度大于400mg·L-1后，N80鋼片的腐蝕速率降低至0.065mm·a-1，能夠滿足國內(nèi)石油注水用緩蝕劑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

圖1 復(fù)合緩蝕劑使用濃度與N80鋼片腐蝕速率的關(guān)系

2.4 作用機(jī)理研究

按照優(yōu)化后的使用濃度，加入400mg·L-1的復(fù)合緩蝕劑，對(duì)N80鋼片進(jìn)行腐蝕測(cè)試，同時(shí)做空白對(duì)比。對(duì)腐蝕后的鋼片表面進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，未添加復(fù)合緩蝕劑的鋼片表面溝壑縱橫，局部有點(diǎn)蝕發(fā)生。添加復(fù)合緩蝕劑后的N80鋼片表面平整均勻，鋼片被保護(hù)得十分完好。

圖2 N80試片的SEM圖，

從掃描電鏡的結(jié)果可以看出，使用復(fù)合緩蝕劑后，鋼片的表面更加光潔，表明緩蝕劑可以和鋼片表面緊密貼合吸附，阻止了泡沫液在鋼片表面的擴(kuò)散，因此可以大大降低氧氣分子對(duì)金屬的腐蝕以及金屬離子在試片表面的結(jié)垢，起到了較好的緩蝕作用[9-10]。圖3示意了該過程可能的吸附作用機(jī)理。

圖3 復(fù)合緩蝕劑的吸附作用機(jī)理

3 結(jié)論與展望

1)復(fù)合緩蝕劑的最佳配比為：改性咪唑啉∶有機(jī)磷羧酸∶除氧劑=1∶1∶1，復(fù)合緩蝕劑的最佳使用濃度為400mg·L-1。

2)復(fù)合緩蝕劑吸附在金屬表面形成了保護(hù)層，隔絕了泡沫液中的氧氣在金屬表面的擴(kuò)散，從而起到了緩蝕作用。

3)復(fù)雜的使用條件下，可以適當(dāng)加大復(fù)合緩蝕劑的用量，以達(dá)到相應(yīng)的操作要求，但用量建議不超過 1500mg·L-1。

4)該復(fù)合緩蝕劑有極好的水溶性，可以和其他的一些水基體系進(jìn)行復(fù)合使用，可作為注水、壓裂等過程中的緩蝕劑使用。

5)可以將其他類型的緩蝕劑與該復(fù)合緩蝕劑進(jìn)行多元復(fù)合，可能會(huì)起到一定的增效作用。