多類型緩蝕劑在H2S/CO2環(huán)境中的腐蝕性能研究

田 宇 蘭 旭

（1. 中海油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000；2. 安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司，北京 100000）

0 前言

隨著油氣井開采不斷深入，目前我國(guó)多數(shù)油氣井面臨著含水量提高和腐蝕性氣體增強(qiáng)的局面，在油氣井開采過程中對(duì)管道設(shè)備會(huì)造成嚴(yán)重的腐蝕[1-3]，添加緩蝕劑是防止管道內(nèi)部嚴(yán)重腐蝕的最有效方法。該技術(shù)成本低，初期投資少，技術(shù)靈活，能夠適應(yīng)各種工藝條件，而且可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況而進(jìn)行方案調(diào)整，是抑制腐蝕行之有效的方案。本文主要通過失重法和微觀分析多種方法聯(lián)動(dòng)對(duì)比篩選出一種在H2S/CO2環(huán)境介質(zhì)中抗硫化氫和二氧化碳腐蝕的緩蝕劑。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與介質(zhì)

試驗(yàn)材質(zhì)為市售腐蝕試片，材質(zhì)為Q235，取樣分析得到其元素組成見表1所示，試片尺寸：50×10×3mm；流速1m/s；總壓4MPa，硫化氫分壓0.1MPa，二氧化碳分壓0.4MPa；試驗(yàn)時(shí)間72h；試驗(yàn)介質(zhì)為模擬水，其離子濃度如表2所示。

1.2 動(dòng)態(tài)失重法

根據(jù)JB/T 7901-2001《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》、ASTM G170 《Standard Guide for Evaluating and Qualifying Oilfield and Refinery Corrosion Inhibitors in the Laboratory》、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》進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 微觀測(cè)試方法

采用Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)失重法實(shí)驗(yàn)后的試片表面進(jìn)行電鏡掃描分析，環(huán)境掃描電子顯微鏡具有立體感，成像分辨率最好，能準(zhǔn)確反映樣品表面的形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下緩蝕劑的緩蝕性能測(cè)試

在H2S/CO2環(huán)境下的模擬溶液中，分別測(cè)試三種類型的緩蝕劑：水溶型緩蝕劑、油溶型緩蝕劑以及油溶水分散型緩蝕劑在30℃、50℃、60℃和80℃下的緩蝕性能，緩蝕劑濃度均為100ppm，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同類型緩蝕劑在不同溫度下的腐蝕速率

從圖1可以看出，相同腐蝕環(huán)境下，試樣在加注不同藥劑的介質(zhì)中的腐蝕速度依次為：水溶性緩蝕劑＜油溶性緩蝕劑＜油溶水分散性緩蝕劑，同時(shí)還可以看出隨著溫度的逐漸增加各類型緩蝕劑的腐蝕速率都在增大。油溶性緩蝕劑和油溶水分散性緩蝕劑，當(dāng)溫度超過60℃后，腐蝕速度增長(zhǎng)率趨于平穩(wěn)，可能是由于油的存在，提高了緩蝕效率，油膜與緩蝕劑有協(xié)同效應(yīng)，附著在了金屬表面，阻止了腐蝕介質(zhì)的侵入。加注水溶性緩蝕劑后，腐蝕速率隨著溫度的升高而增加，到一定值時(shí)也趨近于穩(wěn)定。與其他兩種緩蝕劑相比，加入水溶型緩蝕劑后，腐蝕速度明顯降低，說明在水溶性緩蝕劑在H2S/CO2環(huán)境下有很好的緩蝕效果。

2.2 不同濃度下緩蝕劑腐蝕測(cè)試

在H2S/CO2環(huán)境的模擬溶液中，溫度設(shè)定在60℃，分別測(cè)試三種不同類型的緩蝕劑：水溶型緩蝕劑、油溶型緩蝕劑以及油溶水分散型緩蝕劑在不同加注濃度下的腐蝕速度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)組成

表2 模擬水所含各離子濃度

圖2 60℃下不同類型的緩蝕劑在不同加注濃度下的腐蝕速率

由圖2可以看出，隨著緩蝕劑濃度的增加，加注不同類型緩蝕劑的溶液腐蝕速率減小，表明緩蝕劑濃度的增加，可以有效的提高緩蝕效率。同濃度下相同環(huán)境中水溶性緩蝕劑緩蝕效果相對(duì)最好。

2.3 試片表面形貌分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在同等環(huán)境中水溶性緩蝕劑的緩蝕性能最佳，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)其在60℃下，加注量為100mg/L的高溫高壓H2S/CO2動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)后的表面形貌進(jìn)行分析。

圖3為鋼片在空白（a）、添加水溶緩蝕劑（b）的表面腐蝕產(chǎn)物膜形貌。通過腐蝕表面觀察以及SEM分析，未添加緩蝕劑時(shí)，試樣表面有黑色腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋，腐蝕顆粒粗大疏松、不致密，局部有脫落現(xiàn)象，故對(duì)鋼表面的腐蝕保護(hù)作用較低，腐蝕速率較大，這可能與腐蝕介質(zhì)中的Cl-有關(guān)。結(jié)合對(duì)腐蝕膜能譜分析（圖4）發(fā)現(xiàn)未添加緩蝕劑時(shí)，元素含有較多O和S，腐蝕產(chǎn)物應(yīng)該主要是FeS和FeCO3，添加水溶型緩蝕劑后，O和S顯著減少，鋼材平均腐蝕速率也急劇下降，應(yīng)該是緩蝕劑分子吸附于金屬表面形成了一層致密的保護(hù)膜，阻礙了溶液中的腐蝕性介質(zhì)如H+、Cl-、HS-等向金屬表面擴(kuò)散，抑制了局部腐蝕的發(fā)生。

圖3 試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜形貌

圖4 腐蝕膜能譜分析

圖5 去除表面腐蝕產(chǎn)物膜后的表面形貌

圖5 為去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物膜后的表面形貌。從中可以看出未添加緩蝕劑時(shí)試樣表面粗糙，有大量點(diǎn)蝕，局部腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。添加緩蝕劑后，試樣表面平整光亮無明顯點(diǎn)蝕。

3 結(jié)論

通過動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)了三種緩蝕劑，分別是水溶型緩蝕劑，油溶性緩蝕劑以及水溶分散性緩蝕劑。在同等實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，水溶型緩蝕劑緩蝕性能優(yōu)于其它幾種緩蝕劑。通過微觀形貌觀察，添加水溶性緩蝕劑后，在試片表面能生成一層致密的保護(hù)膜，能有效的阻礙溶液中的腐蝕性介質(zhì)向金屬表面擴(kuò)散，進(jìn)而抑制局部腐蝕發(fā)生。