陜北油田注水腐蝕抑制劑的性能研究

劉彥鋒，趙新法，王前進(jìn)，凌潔

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽市煤化工清潔生產(chǎn)與設(shè)備防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712000)

當(dāng)前國內(nèi)外提高原油采收率的方法主要有水力壓裂、化學(xué)劑驅(qū)油、注水開發(fā)、酸化壓裂、調(diào)剖解堵等。因注水具有用水來源廣泛、使用方便、廉價(jià)經(jīng)濟(jì)、效果明顯等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為各個(gè)采油廠在二次采油中普遍應(yīng)用的增產(chǎn)方法。陜北油田屬于低壓低滲透油田，注水開發(fā)已經(jīng)形成規(guī)模化注水，但不同區(qū)域所利用水質(zhì)因細(xì)菌、含氧量、礦化度以及所采取的注水工藝技術(shù)條件存在較大的差異，特別是油田進(jìn)行大量注水后，地面注水管線、儲(chǔ)存設(shè)施與輸送設(shè)備、注水井、采油井的結(jié)垢腐蝕問題變得更為嚴(yán)重[1-2]。

解決油田回注水的腐蝕問題，目前主要是采取添加緩蝕劑與殺菌劑，由于不同區(qū)域回注水的礦化度、細(xì)菌、含油有很大的差異，導(dǎo)致油田注水系統(tǒng)的腐蝕問題只能得到一定程度的緩解，尚不能從根本上得以解決。因此，深入系統(tǒng)的研究注水系統(tǒng)的腐蝕規(guī)律，設(shè)計(jì)并優(yōu)化防腐蝕措施，緩解或抑制注入水對(duì)所接觸設(shè)施設(shè)備的腐蝕，減少因腐蝕泄露而造成的生態(tài)破壞和對(duì)人的危害問題具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。在注水工藝以及注水水質(zhì)變化不大的條件下，開發(fā)和研究綠色環(huán)保緩蝕劑是科研工作者當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)防腐蝕措施[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

緩蝕劑，自制；無水乙醇、丙酮、石油醚、氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀、硫酸鈉、氯化鈣、碳酸氫鈉、硫化鈉、氫氧化鈉、硫酸、鹽酸等均為分析純；1-羥基有乙叉-1，1-二磷酸(HEDP)、殺菌劑1227均為工業(yè)品。N80鋼片，(50±0.1)mm×(25±0.1)mm×(2.0±0.1)mm，孔徑φ4 mm，面積28.00 cm2。

DH7000電化學(xué)工作站；BSA224S-CW型電子天平；DHG-9248(A)型電熱恒溫干燥箱；PG-2型金相試樣拋光機(jī)；電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺0～150 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕抑制劑的初步測(cè)定[6]

介質(zhì)為自配模擬污水(見表1)，溫度(50±1)℃，掛片時(shí)間7 d，材質(zhì)N80鋼，腐蝕抑制劑的濃度為30 mg/L，不同種類腐蝕抑制劑的緩蝕性見表2。

表1 模擬水的組成Table 1 The content of the simulated water

表2 不同種類腐蝕抑制劑的性能Table 2 Properties of different corrosion inhibitors

由表2可知，不同腐蝕抑制劑都具有一定的緩蝕性能，但腐蝕速率與緩蝕率都不是十分理想。

2.2 腐蝕抑制劑的優(yōu)化

幾種腐蝕抑制劑單獨(dú)使用時(shí)雖然有一定的抑制效果，但還是不能令人滿意。因此，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，決定對(duì)不同種類的腐蝕抑制劑進(jìn)行復(fù)配，正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平見表3，結(jié)果見表4。

表3 因素與水平Table 3 Factors and levels

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of orthogonal test

由表4可知，將各種不同的腐蝕抑制劑進(jìn)行復(fù)配組合后，緩蝕效率都有了明顯的提高，說明各種腐蝕抑制劑之間存在一定的互補(bǔ)促進(jìn)作用。因素的影響次序?yàn)锽>C>E>A>D，最佳因素水平組合為A4B4C1D4E3，考慮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)成本，采用A4B4C1D2E3復(fù)合緩蝕劑為8 mg/L SNY-1，8 mg/L SNY-2，2 mg/L SNY-3，8 mg/L SNY-4，6 mg/L SNY-5。進(jìn)一步驗(yàn)證該復(fù)配腐蝕抑制劑的緩蝕性能，其它實(shí)驗(yàn)條件不變，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)3次，檢驗(yàn)最佳配方方案是否正確，驗(yàn)證結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 The experiment result of verification

由表5可知，正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的腐蝕抑制劑配方的腐蝕速度遠(yuǎn)小于空白，其緩蝕率均大于正交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，試片的表面狀況為均勻腐蝕，性能穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化的目的。

2.3 腐蝕抑制劑的濃度對(duì)腐蝕速度的影響

500 mL的自配模擬水，溫度(50±1)℃，時(shí)間 7 d，材質(zhì)N80鋼,靜態(tài)，腐蝕抑制劑的濃度對(duì)腐蝕速度的影響見圖1。

圖1 腐蝕抑制劑濃度對(duì)腐蝕速度的影響Fig.1 Influence of corrosion inhibitorconcentration on corrosion

由圖1可知，在自配模擬水中，腐蝕速度隨腐蝕抑制劑的濃度增大而變小，當(dāng)腐蝕劑的濃度大于 30 mg/L 時(shí)，腐蝕速度隨腐蝕抑制劑的濃度增大變化不大，變化平穩(wěn)。因而腐蝕抑制劑的應(yīng)用濃度為30 mg/L，就可以達(dá)到油田注水防腐蝕的效果。

2.4 阻垢劑HEDP對(duì)腐蝕抑制劑緩蝕性能的影響

在油田回注水中，結(jié)垢帶來的垢下腐蝕也是非常嚴(yán)重。為了防止結(jié)垢給生產(chǎn)帶來一系列的影響，在回注水中常常通過添加阻垢劑來防止回注水在管線或地層中結(jié)垢，其中用的最多的就是阻垢劑HEDP，因而研究阻垢劑HEDP對(duì)腐蝕抑制劑緩蝕性能的影響就非常有必要。

500 mL的自配模擬水，溫度(50±1)℃，時(shí)間 7 d，材質(zhì)N80鋼,靜態(tài)，腐蝕劑的濃度為30 mg/L，阻垢劑HEDP的濃度對(duì)腐蝕速度的影響見表6。

表6 阻垢劑HEDP對(duì)腐蝕的影響Table 6 Effect of scale inhibitor HEDP on corrosion

由表6可知，阻垢劑HEDP濃度的增加，腐蝕速度變小，緩蝕效率由71.79%提高到76.01%，變化不大，但對(duì)抑制腐蝕起到了好的促進(jìn)作用。由此可見，阻垢劑HEDP與腐蝕抑制劑具有協(xié)同作用，可以提高腐蝕抑制劑的緩蝕性能，不會(huì)造成不良影響。

2.5 腐蝕抑制劑的水溶性評(píng)價(jià)

參照GB/T 6234.1，以自來水為溶劑，將腐蝕抑制劑配成體積分?jǐn)?shù)為10%的溶液，觀察腐蝕抑制的分散情況。先接通恒溫箱電源，將溫度升至測(cè)試溫度(30±1)℃，然后將配成的溶液移入具塞比色管中，蓋上瓶塞，晃動(dòng)5 min左右，使其混合均勻，將具塞比色管放入恒溫箱中，分別觀察并記錄恒溫后0.5，24，48 h狀態(tài)下溶液的溶解情況和分散情況。結(jié)果表明，比色管中的溶液無沉淀、懸浮物等現(xiàn)象出現(xiàn)，溶液呈現(xiàn)均相、透明，腐蝕抑制劑的性能穩(wěn)定，未發(fā)生變化，說明腐蝕抑制劑具有很好的分散性和溶解性。

2.6 殺菌劑對(duì)腐蝕抑制劑性能的影響

在油田回注水集輸系統(tǒng)中常見的細(xì)菌是硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌和腐生菌，其中以硫酸鹽還原菌對(duì)腐蝕的危害影響較大。細(xì)菌腐蝕可引起金屬的物理化學(xué)性質(zhì)失效與造成地層堵塞，從而引起生產(chǎn)事故、環(huán)境的危害以及采收率下降等問題，為了控制細(xì)菌的含量，因此需要采取物理或化學(xué)措施進(jìn)行除菌，其中以化學(xué)措施(殺菌劑)除菌為主。殺菌劑加入少量就能夠消滅水中的細(xì)菌，且具有廉價(jià)高效的特點(diǎn)，因而在油田回注水集輸系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)殺菌劑是目前應(yīng)用量最大的季銨鹽類殺菌劑，在這里考察殺菌劑1227對(duì)緩蝕劑的性能就十分重要。

500 mL的自配模擬水，溫度(50±1)℃，時(shí)間 7 d，材質(zhì)N80鋼,靜態(tài)，腐蝕抑制劑的濃度為 30 mg/L，殺菌劑1227的濃度對(duì)腐蝕速度的影響見圖2。

由圖2可知，殺菌劑1227對(duì)腐蝕抑制劑的效果影響甚小，在一定程度上對(duì)腐蝕抑制劑的性能還有好的影響。

2.7 溫度對(duì)腐蝕抑制劑緩蝕性能的影響

500 mL的自配模擬水，時(shí)間7 d，材質(zhì)N80鋼,靜態(tài)，腐蝕劑的濃度為30 mg/L，溫度對(duì)腐蝕速率的影響見圖3。

由圖3可知，腐蝕速度隨溫度的升高而升高，緩蝕性能隨溫度的升高而降低，但在油田注水溫度范圍內(nèi)，腐蝕抑制劑的腐蝕速率仍然小于油田注水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定(≤0.076 mm/a)要求，完全可以滿足油田注水的要求。

圖3 溫度對(duì)腐蝕速度的影響Fig.3 Effect of temperature on corrosion

2.8 腐蝕抑制劑的緩蝕機(jī)理[7-8]

以N80鋼試片為實(shí)驗(yàn)電極，以鉑電極為輔助電極，參比電極為飽和甘汞電極。測(cè)試介質(zhì)為具有30 mg/L腐蝕抑制劑的模擬水溶液與空白(未加腐蝕抑制劑的模擬水溶液)，測(cè)試溫度為常溫。采用動(dòng)電位極化技術(shù)測(cè)定腐蝕抑制劑在模擬水中對(duì)金屬N80鋼的極化曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 腐蝕抑制劑在模擬水中的極化曲線Fig.4 Polarization curves of corrosion inhibitorsin simulated water

由圖4可知，有腐蝕抑制劑的模擬水溶液比無腐蝕抑制劑的模擬水溶液的腐蝕電位向正電位偏移，腐蝕抑制劑的加入，使陽極過程的極化曲線發(fā)生了較微顯著的變化，其向正電位偏移的比陰極化過程的極化曲線向負(fù)電位偏移的多，說明該腐蝕抑制劑控制腐蝕主要是控制陽極過程。另外，腐蝕抑制劑的加入導(dǎo)致腐蝕電流變小，表明該腐蝕抑制具有很好緩蝕性能，這與前面重量法所測(cè)得的結(jié)果相符。

3 結(jié)論

(1)油田注水復(fù)合緩蝕劑的最佳組成為8 mg/L SNY-1，8 mg/L SNY-2，2 mg/L SNY-3，8 mg/L SNY-4，6 mg/L SNY-5。

(2)該復(fù)配腐蝕抑制劑屬陽極控制為主的混合型腐蝕抑制劑，具有很好的溶解性能和分散性能，不含磷元素，且與阻垢劑和殺菌劑有很好的配伍性。在腐蝕抑制劑濃度為30 mg/L，(50±1) ℃的條件下，介質(zhì)為模擬水，緩蝕效率可達(dá)70%以上，腐蝕深度<0.076 mm/a，可以滿足陜北油田高礦化度油田回注水防腐蝕的要求。