新型高效抗CO2緩蝕劑的合成及性能評價

高文龍，吳霄云

(長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100)

在油氣田勘探開發(fā)過程中，腐蝕問題普遍存在，其中CO2腐蝕是最常見的一種腐蝕類型，CO2腐蝕易對井下管柱或地面管線等設(shè)備造成嚴(yán)重的破壞，影響油氣田的正常生產(chǎn)。因此，為保障油氣田的正常安全開發(fā)，需針對性地采取防腐蝕措施[1-4]。使用耐腐蝕管柱、應(yīng)用緩蝕劑是油氣田最常見的防腐蝕措施，但由于耐腐蝕材質(zhì)的成本通常較高，使得耐腐蝕管柱無法大規(guī)模推廣應(yīng)用;而緩蝕劑防腐技術(shù)具有成本較低、現(xiàn)場操作簡單以及防腐蝕效果好等優(yōu)點[5-7]。近年來，國內(nèi)外研究者針對抗CO2緩蝕劑開展了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)抗CO2緩蝕劑可以通過吸附作用在金屬表面成膜，從而使腐蝕介質(zhì)和金屬材料分離開來，達(dá)到減緩腐蝕速率的目的。目前，常用的抗CO2緩蝕劑主要包括酰胺類、季銨鹽類以及咪唑啉類等，其中研究最多的是咪唑啉類緩蝕劑，其對CO2腐蝕的緩蝕效果較好[8-10]。鑒于此，作者以不飽和脂肪酸和二乙烯三胺為單體，以二甲苯為溶劑，合成新型高效抗CO2緩蝕劑HHS-13，以緩蝕率為評價指標(biāo)對其合成工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，并評價緩蝕劑加量、腐蝕時間以及CO2分壓對緩蝕性能的影響。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

實驗用水為模擬油田采出水，礦化度為26 580 mg·L-1；N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片，揚州江都建華儀器儀表廠。

不飽和脂肪酸、二乙烯三胺(有效濃度>99%)、二甲苯，工業(yè)品，山東林源化工有限公司；高純CO2(>99.99%)，湖北迪戈科技有限公司。

LHH-6型恒溫水浴鍋，常州金壇良友儀器有限公司；高溫高壓動態(tài)腐蝕反應(yīng)釜，南通儀創(chuàng)實驗儀器有限公司。

1.2 抗CO2緩蝕劑HHS-13的合成

量取一定量的二甲苯作為溶劑置于三口燒瓶中，按一定比例加入不飽和脂肪酸和二乙烯三胺，攪拌均勻后加熱至一定溫度；將反應(yīng)生成的水與二甲苯一起蒸出，穩(wěn)定反應(yīng)一定時間后，再降低溫度并減壓蒸餾去除多余的二甲苯，即得抗CO2緩蝕劑HHS-13。

1.3 抗CO2緩蝕劑HHS-13的性能評價

參照石油天然氣行業(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)及評價方法》，以緩蝕率為評價指標(biāo)，采用掛片失重法通過高溫高壓動態(tài)腐蝕反應(yīng)釜評價抗CO2緩蝕劑HHS-13的緩蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗CO2緩蝕劑HHS-13合成工藝條件優(yōu)化

2.1.1 單體配比的優(yōu)化

固定反應(yīng)溫度為140 ℃、反應(yīng)時間為4 h，按1.3方法(實驗用鋼片為N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片，緩蝕劑HHS-13加量為30 mg·L-1，CO2分壓為0.5 MPa，腐蝕溫度為80 ℃，腐蝕時間為72 h，下同)考察單體配比(不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比)對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 單體配比對緩蝕率的影響

由圖1可知，隨著二乙烯三胺占比的增大，緩蝕率呈先升高后下降的趨勢，當(dāng)不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比為1∶2.5時，緩蝕率達(dá)到最高。因此，選擇不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比為1∶2.5。

2.1.2 反應(yīng)溫度的優(yōu)化

固定不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比為1∶2.5、反應(yīng)時間為4 h，按1.3方法考察反應(yīng)溫度對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對緩蝕率的影響

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，緩蝕率呈先升高后下降的趨勢，當(dāng)反應(yīng)溫度為160 ℃時，緩蝕率達(dá)到最高。因此，選擇反應(yīng)溫度為160 ℃。

2.1.3 反應(yīng)時間的優(yōu)化

固定不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比為1∶2.5、反應(yīng)溫度為160 ℃，按1.3方法考察反應(yīng)時間對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時間對緩蝕率的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)時間的延長，緩蝕率逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)時間為6 h時，緩蝕率可以達(dá)到90%以上；繼續(xù)延長反應(yīng)時間，緩蝕率基本不變。因此，選擇反應(yīng)時間為6 h。

綜合以上實驗結(jié)果，抗CO2緩蝕劑HHS-13的最佳合成工藝條件為：不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比1∶2.5、反應(yīng)溫度160 ℃、反應(yīng)時間6 h。

2.2 抗CO2緩蝕劑HHS-13的性能評價

2.2.1 緩蝕劑HHS-13加量對緩蝕性能的影響

實驗用鋼片為N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片，在CO2分壓為0.5 MPa、腐蝕溫度為80 ℃、腐蝕時間為72 h的條件下，考察緩蝕劑HHS-13加量對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 緩蝕劑HHS-13加量對緩蝕率的影響

由圖4可知，隨著緩蝕劑HHS-13加量的增加，緩蝕率迅速升高；在HHS-13加量增至30 mg·L-1后，緩蝕率基本穩(wěn)定。這是由于，當(dāng)HHS-13加量增加到一定程度時，緩蝕劑分子在鋼片表面形成了一層保護(hù)膜，使鋼片表面完全被覆蓋保護(hù)，再繼續(xù)加入HHS-13，其無法更多地吸附在鋼片表面，緩蝕率基本穩(wěn)定。

2.2.2 腐蝕時間對緩蝕性能的影響

實驗用鋼片為N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片，在緩蝕劑HHS-13加量為30 mg·L-1、CO2分壓為0.5 MPa、腐蝕溫度為80 ℃的條件下，考察腐蝕時間對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 腐蝕時間對緩蝕率的影響

由圖5可知，隨著腐蝕時間的延長，緩蝕率逐漸升高，當(dāng)腐蝕時間達(dá)到144 h時，緩蝕率可達(dá)到95%以上。這是由于在腐蝕初期，介質(zhì)對鋼片的腐蝕速率較快，而隨著腐蝕時間的延長，緩蝕劑分子在鋼片表面形成的保護(hù)膜能夠較好地減緩腐蝕進(jìn)程，導(dǎo)致緩蝕率逐漸升高。所以腐蝕時間越長，緩蝕率越高。

2.2.3 CO2分壓對緩蝕性能的影響

實驗用鋼片為N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片，在緩蝕劑HHS-13加量為30 mg·L-1、腐蝕溫度為80 ℃、腐蝕時間為72 h的條件下，考察CO2分壓對緩蝕率的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 CO2分壓對緩蝕率的影響

由圖6可知，隨著CO2分壓的增大，緩蝕率逐漸下降，當(dāng)CO2分壓增大至1.5 MPa時，緩蝕率仍可達(dá)到80%以上，能夠滿足石油天然氣行業(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)及評價方法》的要求(緩蝕劑加量為30 mg·L-1時靜態(tài)均勻緩蝕率≥70%)。說明研制的緩蝕劑HHS-13具有良好的抗CO2緩蝕性能。

3 結(jié)論

以不飽和脂肪酸和二乙烯三胺為單體合成了一種新型高效抗CO2緩蝕劑HHS-13，其最佳合成工藝條件為：不飽和脂肪酸與二乙烯三胺物質(zhì)的量比1∶2.5、反應(yīng)溫度160 ℃、反應(yīng)時間6 h。隨著緩蝕劑HHS-13加量的增加和腐蝕時間的延長，緩蝕率逐漸升高；而隨著CO2分壓的增大，緩蝕率逐漸下降。當(dāng)緩蝕劑HHS-13加量為30 mg·L-1、CO2分壓為1.5 MPa、腐蝕溫度為80 ℃、腐蝕時間為72 h時，緩蝕率可達(dá)到80%以上，能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。