油田阻垢緩蝕劑防腐性能實驗評價

張 寧 張 偉 郝志蓮 高志榮

（延長油田股份有限公司靖邊采油廠）

石油工業(yè)領域向來以技術密集而著稱，以油氣田地面工程和井下管柱為代表的生產裝備都離不開金屬的支撐。采油工程中需要運用動力機械將地層流體采出，隨后經一系列管匯和分離設備脫水、除氣并分離出合規(guī)原油以外輸煉化［1］。在油田生產過程中，從井下管柱接觸地層流體起到地面分離設備工作結束都伴隨著不同程度的腐蝕，且因不同的工序和工作狀況，通?；诮Y構力學和設備要求選擇不同鋼級的材料，以勝任油氣田開發(fā)項目。

油氣田開發(fā)過程所涉及的地層水礦化度高、雜質含量多且伴隨有害腐蝕氣體等，嚴重腐蝕設備。油氣田現場多采用涂層防腐、電化學防腐和水質藥劑投加的方式來減緩設備腐蝕，確保設備安全運行［2］。而對于藥劑的機理及其相關特性的研究資料過于匱乏，現場運用層面探究性較少。為此，筆者基于油田阻垢緩蝕劑防腐性能實驗，對某油田兩種常見阻垢緩蝕劑進行測試評價，為生產運行提供參考依據。

1 阻垢緩蝕研究現狀

在油田生產過程中，最常見的沉積物類型是CaCO3垢，其次是規(guī)模較小的CaSO4垢，管道腐蝕的產物主要是鐵沉積物，管道內壁上牢固沉積著混合類水垢。金屬材料的防腐技術已發(fā)展多年，對于油氣田抽油管道系統主要有管道材料的選擇、陰極保護、添加緩蝕劑、涂層屏蔽保護和金屬鍍層5種腐蝕控制方法。其中，最有發(fā)展前景、也是應用最廣泛的措施是選用合適的緩蝕劑［3］。

緩蝕劑（腐蝕抑制劑）主要是通過在金屬管表面形成一層阻止腐蝕反應的保護膜，從而達到防腐蝕的目的。保護膜的形成主要有氧化、沉淀和吸附3種類型：氧化膜和沉淀膜都是通過化學反應形成的；吸附膜的形成包含物理過程和化學過程［4］。

阻垢劑的阻垢機理更為復雜［5］。一般認為，水垢形成的離子與溶液中的水垢之間存在動態(tài)平衡，并且水垢抑制劑可吸附在水垢形成的離子上，影響水垢形成的動態(tài)平衡。結垢是由過飽和、成核和晶體生長3個因素相互作用引起的，水垢抑制劑會對這3個因素產生影響［6］。

2 實驗評價背景

油氣田開發(fā)時大多需進行采出水回注，以補充地層能量且及時完成采出水的處理，從而得到連續(xù)穩(wěn)定的單井產量。但是，由于低溫梯度、地層水礦化度及儲層巖性等因素的影響，通常油氣田采出水Ca2+和其他有害離子含量高，并伴隨高溫和高礦化度，而且在一些酸性氣田采出水中還含有二氧化碳、硫化氫及二氧化硫等有害氣體。這些因素交織作用會導致地面管匯及其附屬設備結垢甚至腐蝕，即使基于管道流程設計，井口、輸送管道和處理設備通常會選用不同鋼級的材料，緩沖罐等低壓非沖擊部位在大容積且緩流量的條件下，沉積物附著與結垢也在所難免，即在低壓工作環(huán)境下，流程切換時“死水”區(qū)域容易發(fā)生垢下腐蝕，若不采取相應的措施最終會誘發(fā)穿孔泄漏，嚴重影響生產，甚至誘發(fā)安全事故［7］。因此，基于結垢機理及其腐蝕特征，在此選用油田常用阻垢緩蝕劑為化學防腐手段，預設實驗進行不同的藥劑含量和工作環(huán)境下的腐蝕性能評價［8］，目的是形成結合現場實際的多維操作性辦法，為現場工作提供參考意見。

3 實驗評價過程

3.1 實驗準備

根據油田實際情況，現暫時選定水體流動較慢的緩沖罐為實驗模擬體，參照油田防垢劑性能評定方法，以研究所在地油田現場處理站為實驗評定場所，加入9BS-PBTCA和HM101兩種阻垢緩蝕劑進行采出水的碳酸鈣測定，并經電化學分析和掃描電鏡進行最終腐蝕產物觀測。

3.1.1 電化學實驗掛片

電化學測定選用常見的20#鋼，制成標準φ10mm圓形掛片，并用相關設備進行化學成分測定（質量分數）：C為0.18～0.24、Si為0.18～0.35、Mn為0.33～0.64、P≤0.024、S≤0.020、Cr≤0.24、Mo≤0.14、V≤0.09，其他微小含量不影響實驗過程，故忽略不計［9，10］。

采用1 000#細砂紙全面打磨掛片，并用蒸餾水進行徹底清洗，然后放入烘箱中干燥3min，取出涂抹丙酮除油后用熱風機吹干備用［11］。其中，需標記一面為工作面，并打鋼印進行區(qū)分，平整的非工作面通過銅導線進行互為焊接相連，確保牢固可靠；采用環(huán)氧樹脂全面覆蓋非工作面（保留工作面裸露），確保電阻不被腐蝕［12］。

3.1.2 實驗臺架及觀測設備

電化學實驗選用實驗室固有CorrTest（CS350）電化學工作站，確保儀器校驗正常和輸出數據可靠。實驗臺架由武漢科思特公司于2009年生產，采用三電極可調式供電方式，預設的電解池可以進行不同溶液的配給。工作電極載入卡槽兼容標準和異性掛片，同時還能進行一定大小的標準零部件實驗測定，本實驗工作電極為標準圓形掛片，調用參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。選用現場含有二氧化碳的油田井采出水作為腐蝕介質，預設加熱溫度70℃，加熱3h后進行實驗抽樣數據記錄，待儀器穩(wěn)定方可進行連續(xù)數據串記錄。數據測定顯示交流阻抗譜測試的自腐蝕電位擾動顯示為10mV正弦波，進一步得出測試頻率范圍為11mHz～100kHz，隨后取多段數據串進行Zsimpwin軟件的模擬擬合分析。校核實驗臺架精度后繼續(xù)實驗，并逐步執(zhí)行0.5mV/s測試頻率下的-350～350mV電壓掃描，得到初始極化曲線數據，并帶入Cview平臺進行擬合計算,得出標準的Tafel參數，降噪后得出標準的腐蝕電流密度與腐蝕速度的參數關系，最終匯總相應曲線，進行工程分析。腐蝕情況和腐蝕產物觀察選用日立SU8010掃描電鏡并附帶能譜分析過程，得出污垢發(fā)展過程和相應成分變化關系。

3.2 阻垢情況測試

將9BS-PBTCA和HM101兩種阻垢緩蝕劑分別載入實驗臺架，在其他外界因素不變的情況下展開阻垢性能實驗。在油田井采出水中，參照行業(yè)標準對兩種阻垢緩蝕劑進行性能評測，結果見表1。

表1 藥劑阻垢性能評測結果

由表1可知，阻垢緩蝕劑濃度并不是越高越好，且現場應用過程中還需考慮經濟性、人力成本等因素。其中，9BS-PBTCA型阻垢緩蝕劑的性能與濃度成反比關系，當濃度為100mg/L時獲得最佳阻垢效果（87.5%的阻垢率），現場應用時可以此為參考（考慮溶液流動和攪拌時可適當調節(jié)濃度，并利用溫度控制藥劑的穩(wěn)定性，確保功能反饋達到最優(yōu)）。HM101型阻垢緩蝕劑的性能在時間規(guī)律上先是與濃度成正比關系，而后又成反比關系，其中，當濃度為200mg/L時可獲得88.1%的阻垢率。

將200mL油田井采出水分類儲存，以不同濃度100、200、300mg/L進行分步式加入，最終分成6份液體樣品，分別進行9BS-PBTCA和HM101藥劑的實驗條件載入，確保數據準確的前提下開始電位極化掃描測試，得到不同濃度下的藥劑當量對20#鋼掛片的極化曲線（圖1）。

圖1 兩種緩蝕劑極化曲線

由圖1a可看出，隨著9BS-PBTCA緩蝕劑的不斷添加，該液體的自然腐蝕電位呈現逐漸正向移動趨勢，當濃度增加到一定值后形態(tài)漂移幅度趨于穩(wěn)定，自然腐蝕電位呈現平穩(wěn)趨勢，可見明顯拐點；隨著藥劑的加入，實驗臺架陽極電位腐蝕電流密度呈明顯降低趨勢，陰極腐蝕電流密度呈不敏感變化，據此可判斷9BS-PBTCA為陽極抑制緩蝕劑，工程運用過程中需保護陰極，并防止其他電化學反應的發(fā)生；當極化進行到一定程度時，陽極腐蝕電流密度會猛然增大到無添加緩蝕劑的狀態(tài)，由此判定該過程中緩蝕劑失去了保護陽極的功能。

由圖1b可看出，隨著HM101藥劑的不斷加入，該液體的自然腐蝕電位先正向移動后負向移動，當濃度達到300mg/L時曲線又變?yōu)檎蛞苿?，同時測得陽極和陰極對應的腐蝕電流密度都是正向移動的，故判定該緩蝕劑為雙性混合緩蝕劑，真實反應情況下能同時抑制陽極和陰極。

進一步分析測試數據，得出不同濃度緩蝕劑極化曲線所轄的Tafel參數，列于表2。

表2 不同濃度緩蝕劑極化曲線Tafel參數

運用表2的相關數據，根據油田防垢劑性能評定方法給出的公式進行腐蝕電流密度計算可得：模擬環(huán)境下，20#鋼掛片對9BS-PBTCA藥劑的常規(guī)緩蝕率在100mg/L濃度時可達89.21%，而隨著反應發(fā)展和浸時延長，當加大緩蝕劑用量后緩蝕率有所下降（濃度達300mg/L時其緩蝕率為79.87%）；分析HM101緩蝕劑反應規(guī)律可知，其緩蝕率呈先大后小的變化，藥劑濃度為200mg/L時的緩蝕效果最好，緩蝕率可達91.77%左右，而當濃度為100mg/L時緩蝕效果較差，且經濟性不好。經現場測定，藥劑緩蝕率為79.02%時就會失去對工藝管匯和設備的有效保護。

3.3 交流阻抗譜測試

兩種緩蝕劑溶液的交流阻抗譜測試結果如圖2所示。由圖2可知，70℃時不同濃度的兩種緩蝕劑的容抗弧強度越大，其極化電阻成正比，耐腐蝕性能相對也越高。由圖2a可知，9BS-PBTCA的容抗弧強度與藥劑濃度為反比關系，濃度達到100mg/L時緩蝕效果最優(yōu)，當濃度增至300mg/L時其緩蝕作用仍然顯著；由圖2b可知，HM101的容抗弧強度呈現先增后減的趨勢，當濃度為200mg/L時其容抗弧強度達到頂峰，隨著濃度增至300mg/L時容抗弧強度降低，說明HM101緩蝕劑濃度為200mg/L左右時的抗腐蝕能力最好。

圖2 兩種緩蝕劑溶液的交流阻抗譜測試結果

3.4 SEM形貌分析測試

將20#鋼掛片分別置于不同油田井采出水中一段時間，觀察結果如圖3所示。直接用采出水進行浸泡后的掛片生長出方解石垢粒且垢下腐蝕嚴重；使用9BS-PBTCA緩蝕劑（濃度100mg/L）的掛片腐蝕情況明顯好轉，只生出疏散細小的自然垢；使用HM101緩蝕劑（濃度100mg/L）的掛片上有明顯點蝕痕跡。通過掃描電鏡進行能譜結構元素分析，垢樣主要由C、O、Ca及Fe等元素組成。另外，經化學分析腐蝕產物為CaCO3和其他氧化鐵產物。

圖3 20#鋼掛片SEM形貌圖

綜上所述，兩種緩蝕劑都具有一定的緩蝕和阻垢作用，9BS-PBTCA的綜合緩蝕效果比HM101要好。但在工程條件下，還需考慮其他藥劑、溫度和細菌的互為作用。

4 結論

4.1 9BS-PBTCA阻垢緩蝕劑能適應現場工作需要，其當量濃度與阻垢性能總體實驗測定為反比關系，當濃度為100mg/L時阻垢率可達87.5%；HM101阻垢緩蝕劑的當量濃度與緩蝕效果成正比關系，當濃度為200mg/L時阻垢率可達88.1%。

4.2 9BS-PBTCA緩蝕劑具有抑制陽極極化的作用，需要明確相關機理，避免在與其他藥劑混合使用時互為干擾誘發(fā)失效；HM101阻垢緩蝕劑具有混合緩蝕的功能，能同時保護電極的陰、陽極。

4.3 9BS-PBTCA藥劑濃度為100mg/L時的常規(guī)緩蝕率可達89.21%，而隨著反應發(fā)展和浸時延長，當加大緩蝕藥劑用量后緩蝕率有所下降，濃度300mg/L時的緩蝕率為79.87%。

4.4 HM101藥劑緩蝕效果呈現先強后弱的關系，其中藥劑濃度200mg/L時的緩蝕效果最好，評定最優(yōu)緩蝕率為91.77%左右；濃度100mg/L時的緩蝕效果較差，且經濟性不好；緩蝕率為79.02%的緩蝕劑不能有效保護現場工藝管匯和設備。

4.5 SEM形貌分析測試結果表明，應用9BSPBTCA和HM101阻垢緩蝕劑后，掛片結垢情況明顯減輕（加入HM101的掛片上可見明顯點蝕痕跡），而在工程條件下需考慮其他藥劑、溫度和細菌的互為作用。