不同溫度下緩蝕劑性能評價

孟祥雯　楊晶　馮春　李勇志　王春禹

摘 要： 隨著油氣田開發的深入，我國大部分地區的油田都進入高含水期，現場各類設施的腐蝕問題較為嚴重。為研究溫度對緩蝕劑緩蝕性能的影響，在100 ℃的條件下，對硅酸鉀、海緩、聚丙烯酰胺以及硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配使用的緩蝕性能進行評價。在120、150 ℃的條件下，對硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配使用的緩蝕性能進行評價。結果表明，三種緩蝕劑在100 ℃時的緩蝕能力依次為：硅酸鉀>海緩>聚丙烯酰胺。硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配使用時具有良好的緩蝕協同效應，并且在100、120、150 ℃實驗溫度下均有較好的緩蝕效果。

關 鍵 詞：緩蝕劑；協同效應；性能評價

中圖分類號：TQ 051 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1462-04

Performance Evaluation of Corrosion Inhibitors Under Different Temperatures

MENG Xiang-wen， YANG Jing， FENG Chun， LI Yong-zhi， WANG Chun-yu

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China）

Abstract： With the development of oil and gas fields， most of oilfields in China have entered the high water cut stage. In order to study the effect of temperature on the corrosion inhibition performance of inhibitors， under the condition of 100 ℃， the corrosion inhibition performance of potassium silicate， sea water corrosion inhibitor， polyacrylamide， potassium silicate and polyacrylamide was evaluated. Under the condition of 120 ℃and 150 ℃， the corrosion inhibition performance of potassium silicate and polyacrylamide compound inhibitor was evaluated. The results show that the order of corrosion inhibition ability of three kinds of corrosion inhibitors at 100 ℃ is as follows： potassium silicate>sea corrosion inhibitor>polyacrylamide.The synergistic effect of potassium silicate and polyacrylamide is good， and the compound inhibitor has good corrosion inhibition effect at 100， 120 and 150 ℃.

Key words： Corrosion inhibitor； Synergistic effect； Performance evaluation

在油氣田實施生產作業時，相當數量的腐蝕介質會與油氣一同采出，并和地層水以及凝析水之間相互作用，進而造成現場各類設施以及管線發生腐蝕并破壞[1]。現場一般采用加注緩蝕劑的方法盡可能減少這種腐蝕的發生。

緩蝕劑是由化學物質組成的混合物，以一定的配比加入到腐蝕介質中，借助其在介質中的理化作用來減緩腐蝕[2]。我國對緩蝕劑的研究相對于國外起步較晚，目前，研發出針對油井酸化的7701 緩蝕劑以及針對硫化氫腐蝕的CT系列緩蝕劑，并在緩蝕劑的加注工藝等方面均取得突破性進展[3-5]。

隨著油田開發開采的深入，單一緩蝕劑的緩蝕效果已經不能滿足現場生產要求。近年來，由于緩蝕劑之間存在協同作用，針對緩蝕劑復配效果的評價研究受到廣泛關注。緩蝕劑的協同作用使得用較少劑量的緩蝕物質就能達到較好的緩蝕效果，并解決了單一緩蝕劑無法解決的問題。緩蝕劑的協同作用通常包括活性陰離子和有機物之間的協同作用和中性溶液中的協同作用[6-9]。

針對不同的腐蝕成因應加入不同的緩蝕劑，不適當的緩蝕劑甚至有可能加速腐蝕，從而對正常的生產造成影響。緩蝕劑自身性能、腐蝕成因等諸多因素都會對緩蝕劑效果造成影響。因此，研究人員如何能快速、準確的在眾多的緩蝕劑中選出最適合當前開發情況的緩蝕劑成為主要問題[10-14]。本文通過研究溫度對緩蝕劑的影響來篩選出緩蝕性能最高的緩蝕劑，從而確保開采效益和安全。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗試片：N80鋼。

試驗介質：氯化鉀溶液。

緩 蝕 劑： 鉬酸鈉，海緩， PBTCA-K，硅酸鉀，聚丙烯酰胺，硅酸鉀+聚丙烯酰胺，葡萄糖+硫脲。

1.2 試驗方法

本實驗采用失重法即通過測量試驗試片在試驗介質中放置一定時間后所產生的質量差，求出其腐蝕速度，再通過與空白組腐蝕速率的對比，求出該緩蝕劑的緩蝕率，從而對緩蝕劑性能進行評價。腐蝕速率與緩蝕率計算公式如下：

（1）

式中： v — 腐蝕速率，mm/a；

wx — 試驗前后試片質量差，g；

A — 試片表面積，cm3；

t — 腐蝕時間，h；

ρ — 試片密度，g/cm3。

（2）

式中： v0 — 空白組腐蝕速率，mm/a；

vj — 加緩蝕劑組腐蝕速率，mm/a。

2 緩蝕劑緩蝕性能的評價

緩蝕劑性能的研究方法有很多，除了腐蝕產物分析法、電化學方法和光譜分析法外，還有斬波器法、循環伏安法、旋轉圓盤電極法等[15-20]。但到目前為止，并沒有一種方法能完全適應不同的實際研究情況，每一種方法都有其適用范圍。根據不同的腐蝕環境要進行具體問題具體分析，本文采用的是失重法對其緩蝕性能進行評估。

2.1 緩蝕劑配方初選

為進一步研究溫度對緩蝕劑緩蝕效果的影響，首先，從5種緩蝕劑或復配組合中挑選出緩蝕效果較好的。此時，實驗溫度為90 ℃，KCl溶液的密度為1.166 kg/L，緩蝕劑濃度1%。

按照失重法進行實驗，根據每組實驗所得腐蝕速率及緩蝕率對緩蝕劑進行性能評價（表1）。

90 ℃時， 在密度為1.166kg/L的KCl溶液中，評價了5種緩蝕劑單體或復配組合對N80鋼的緩蝕性能，結果見表1。硅酸鉀、聚丙烯酰胺緩蝕劑單體的緩蝕效率分別為41.15%和32.48%，0.6%葡萄糖+0.4%硫脲復配組合的緩蝕率為25.49%，其余緩蝕劑單體不僅沒有緩蝕作用，反而均對N80鋼的腐蝕具有促進作用，尤其是PBTCA-K緩蝕劑對N80的腐蝕速度的促進作用非常明顯，腐蝕速度從空白的0.113 0 mm/a增大到0.745 1 mm/a。硅酸鉀和聚丙烯酰胺單體的緩蝕效果要好于葡萄糖與硫脲的復配組合。因此，選擇硅酸鉀與聚丙烯酰胺進行下一步研究。

2.2 緩蝕劑復配比例的確定

為確定緩蝕劑的最佳復配比例，在緩蝕劑總濃度1%不變的基礎上，對硅酸鉀與聚丙烯酰胺的不同復配比例進行實驗研究。實驗條件：N80鋼，實驗溫度為90 ℃，腐蝕時間48 h，KCl溶液的密度為1.166 kg/L，緩蝕劑總濃度1%。

按照失重法進行實驗，根據每組實驗所得腐蝕速率及緩蝕率對復配緩蝕劑進行性能評價（表2）。

如表2所示，在緩蝕劑總濃度1%不變的基礎上，改變硅酸鉀與聚丙烯酰胺的復配比例，除了5∶5組合外，其余比例的組合N80鋼片均發生失重，緩蝕效果隨聚丙烯酰胺在復配組合中比重的減小而減小。而5∶5組合產生了增重現象，復配緩蝕劑的緩蝕率高于兩者單獨使用時的緩蝕率，硅酸鉀與聚丙烯酰胺表現出良好的緩蝕協同效應。同時從腐蝕產物處理后試片的外貌可以看出，5∶5復合時N80鋼片表面有彩色的吸附物，這種吸附物質抑制了鋼片的腐蝕，可推測兩者的協同的機理可能是復配增強了緩蝕劑對碳鋼表面的吸附能力。因此，可得出硅酸鉀與聚丙烯酰胺的最佳復配比例為5∶5。

2.3 100 ℃時緩蝕劑緩蝕性能的評價

實驗條件：實驗溫度為100 ℃，KCl溶液的密度為1.098 kg/L，緩蝕劑總濃度1%。

按照失重法進行實驗，根據每組實驗所得腐蝕速率及緩蝕率對緩蝕劑進行性能評價（表3）。

三種緩蝕劑單一使用或復配使用時的緩蝕率見表3。可以看出這三種緩蝕劑在100 ℃時的緩蝕能力依次為：硅酸鉀>海緩>聚丙烯酰胺。單獨使用聚丙烯酰胺時，僅有一定的緩蝕效果，當硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配使用時，其緩蝕率大于兩者單一使用時的緩蝕率，說明了硅酸鉀與聚丙烯酰胺具有良好的緩蝕協同效應。

2.4 120 ℃時緩蝕劑緩蝕性能的評價

此外，評價了高溫（120 ℃）、高密度（1.166 kg/L）氯化鉀體系中，該復配緩蝕劑的緩蝕效果，結果如表4所示，0.5% 硅酸鉀 + 0.5% 聚丙烯酰胺緩蝕率可以達到96.22%，說明隨著溫度升高，復配緩蝕劑的緩蝕效果略有下降，但仍使緩蝕率比單一使用提高10個百分點以上，其緩蝕效果仍然優于兩者單一使用。

2.5 150 ℃時緩蝕劑緩蝕性能的評價

由表5可以看出，緩蝕劑復合（1% 硅酸鉀 + 1% 聚丙烯酰胺）在150 ℃的氯化鉀體系也有很好的緩蝕效果，實驗后試片不僅沒有失重，還有所增重。從腐蝕產物處理后試片的外貌可以看出，N80鋼片表面有彩色的吸附物，這種吸附物質抑制了鋼片的腐蝕，可推測兩者的協同的機理可能是復配增強了緩蝕劑對碳鋼表面的吸附能力。試驗表明，在高溫的情況下復合緩蝕劑仍有良好的緩蝕效果，可用于生產實踐。

3 結 論

（1）實驗溫度為100 ℃時，聚丙烯酰胺的緩蝕率為33.95%，海緩的緩蝕率為61.15%，硅酸鉀的緩蝕率為85.42%，硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配使用時，緩蝕率為100%，說明這兩種緩蝕劑具有良好的緩蝕協同作用。

（2）實驗溫度為120 ℃時，復配緩蝕劑緩蝕率可以達到96.22%。當實驗溫度達到150 ℃時，實驗試片反而增重。

（3）溫度對硅酸鉀與聚丙烯酰胺復配緩蝕劑的緩蝕效果影響較小。

（4）在氯化鉀試驗介質中，鉬酸鈉和PBTCA-K緩蝕劑對N80鋼的腐蝕起到促進作用，并且PBTCA-K緩蝕劑的緩蝕率達到-559.38%。

（5）復配緩蝕劑的緩蝕效果隨著聚丙烯酰胺在復配組合中比重的減小。

參考文獻：

[1] 段永鋒，于鳳昌. 油氣田緩蝕劑評價方法進展[J]. 全面腐蝕控制，2013，10：29-33.

[2] 張天勝.緩蝕劑[ M] .北京：化學工業出版社， 2002 .389.

[3] 劉繪新，蘇永平. 川東氣田油管腐蝕現象的基本特征[J]. 天然氣工業，2000，20（5）： 77-79.

[4] 姜放.高酸性氣田金屬材料的實驗室評價方法研究 [J]. 天然氣工業，2004 ，20（4）：105-107.

[5] Kerman M B，Morshed A.Carbon dioxide corrosion in oil gas production a compendium critical review of corrosion science and engineering[J].Corrosion，2003，59（8）：659-683.

[6]陳迪.油田用緩蝕劑篩選與評價程序研究[J]. 全面腐蝕控制，2009（03）：8-11.

[7] S.D.Kapusta.Testing and Selection for Exploration and Production：A Users perspective[R]. Materials Performance . 1999：56-60.

[8]張汝生，郭彬，楊振周.酸化液緩蝕劑對地層損害的實驗研究[J]. 油田化學. 1998（01）.

[9]卜憲章， 鄒津耘.β-苯胺基苯丙酮在鐵電極上的吸附上的吸附動力學研究[J]. 電化學， 1998， 4（1）： 34-36.

[10]范洪波. 新型緩蝕劑的合成與應用[M]. 北京： 北京化學工業出版社， 2004， 1-32.

[11]化學工業部化工機械研究員主編. 腐蝕與防護手冊[M]. 北京： 北京化學工業出版社， 1990. 216-249.

[12]Bich N N， Szklarz K E. Crossfield corrosion experience[J]. NACE， 1988，88/196.

[13] 顧明廣， 蘇芳. 抑制 H2S/CO2腐蝕的氣液雙相新型緩蝕劑的制備及評價[J]. 華北科技學院學報， 2007， 4（3）： 39-42.

[14]蘭旭.L360鋼在 H2S/CO2體系中的氣液兩相腐蝕規律及緩蝕劑研究[D].北京：北京化工大學，2011.

[15]王佳，曹楚南，陳家堅.緩蝕劑理論與方法的進展[J].腐蝕科學與防護技術，1992，4（2）：79-86.

[16]高建村.馮麗，翁永基，等.曼尼希堿型緩蝕劑協同效應的研究[J].新疆石油天然氣，2007，3（3）： 86-88.

[17]張林霞，袁宗明，王勇.抑制CO2腐蝕的緩蝕劑室內篩選[J].石油化工腐蝕與防護，2006，23（6）：3.

[18]鄭家燊.有關硫化氫油氣田腐蝕及緩蝕劑防護的綜述[J].材料保護增刊，2006，39（7）：1-12.

[19]王君， 明云峰. 前大油田注水系統防腐防垢技術的研究[J]. 工業水處理. 2007， 27（006）： 87-89..

[20]Takasaki， Shinichi. Effects of temperature and aggressive anions on corrosion of carbon steel in potable water[J]. Corrosion Science， 2007， 49（1）： 240-247.