CO2驅地面采輸系統緩蝕阻垢劑優選研究

張 洲 易勇剛 同 航 張 新 曾德智

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油新疆油田分公司工程技術研究院, 新疆 克拉瑪依 834000;3. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學, 四川 成都 610500

0 前言

近年來,CO2驅提采技術日益成熟,因其成本低、提采效率高、環保等優點而應用廣泛[1-2]。但CO2驅在明顯提高原油采收率的同時,也給地面采輸系統帶來了嚴重的腐蝕結垢問題[3-5],造成管道設備穿孔刺漏、堵塞等安全隱患,影響正常運行和生產[6-14]。

化學藥劑防護方法因用量小、防護效果好、適用性強等優點,成為解決腐蝕結垢問題的一種經濟有效的防護措施[15-16]。李玲杰等人[17]開發出了一種環境友好的油田集輸系統CO2緩蝕劑并測試了其性能,結果表明該緩蝕劑對20鋼在高Cl-含量、高礦化度CO2腐蝕環境中有良好的緩蝕效果;李軍龍等人[18]評價了合成的咪唑啉季銨鹽對A3鋼的緩蝕性能,結果表明咪唑啉季銨鹽對A3鋼具有很好的緩蝕作用;李暉等人[19]完成了高溫酸化復合緩蝕劑XAI-180的配方設計,結果表明形成的緩蝕劑具有良好的配伍性和緩蝕性;方曦等人[20]制備出了阻垢劑PTA-AA,結果表明PTA-AA對CaCO3和MgCO3具有較好的防垢性能;牟靜等人[21]合成了MA/AA/AM/AMPS四元共聚物阻垢劑,結果表明合成產物對CaCO3和CaSO4具有優良的阻垢性能。國內外學者對緩蝕劑和阻垢劑進行了大量的研究,而現場往往是腐蝕和結垢同時發生,且緩蝕劑和阻垢劑都具有較強的環境適應性,在某一區塊運用效果良好的緩蝕阻垢劑到另一區塊的使用效果可能不盡人意。為此,文章針對西部某油田CO2驅地面采輸系統腐蝕結垢問題,篩選并復配出了滿足防腐、防垢要求的復合緩蝕阻垢劑。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

實驗用金屬材質為20鋼和825耐蝕合金,其中電化學測試與模擬工況緩蝕性能評價均用集輸管線常用材料20鋼,而測試模擬工況阻垢性能時,為避免材質腐蝕對阻垢性能測試產生影響,選用825耐蝕合金進行測試,兩種材質化學組分見表1;實驗用液相介質為模擬西部某油田CO2驅地層水溶液,主要離子含量見表2。

表1 20鋼和825耐蝕合金的化學組分表

表2 模擬地層水離子含量表

實驗用緩蝕劑為CI-Ⅰ、CI-Ⅱ、CI-Ⅲ、CI-Ⅳ、CI-Ⅴ、CI-Ⅵ;阻垢劑為SI-Ⅰ、SI-Ⅱ、SI-Ⅲ、SI-Ⅳ、SI-Ⅴ。

實驗用儀器包括電化學工作站、電子天平、高溫高壓釜等。

1.2 實驗方法

針對西部某油田CO2驅地面采輸系統腐蝕結垢的具體工況,分別篩選出性能良好的緩蝕劑和阻垢劑,完成配伍性試驗后進行復配實驗研究,形成最優配比的復合緩蝕阻垢劑并進行模擬工況下防護性能測試。

1.2.1 緩蝕劑和阻垢劑單劑篩選

1.2.1.1 緩蝕劑單劑篩選

實驗采用Corrtest CS350電化學工作站，按標準SY/T 5273—2013《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》(以下簡稱SY/T 5273—2013)對緩蝕劑進行評價,實驗條件為飽和CO2(約 0.005 6 mol/L)的模擬地層水溶液、溫度55 ℃、緩蝕劑濃度200 mg/L。其中工作電極為20鋼(有效暴露面積 0.785 4 cm2),輔助電極為Pt電極,參比電極為飽和甘汞電極。

工作電極的開路電位穩定后,極化曲線測試相對于開路電位±500 mV掃描,掃描速率0.50 mV/s。緩蝕率可由式(1)計算:

(1)

式中:ηi為緩蝕劑對20鋼的緩蝕率；I0,corr、Icorr分別為空白溶液和添加緩蝕劑溶液中20鋼的自腐蝕電流密度,A/cm2。

1.2.1.2 阻垢劑單劑篩選

實驗采用靜態阻垢法，參照標準GB/T 7476—2009《水質、鈣的測定、EDTA滴定法》(以下簡稱GB/T 7476—2009標準)測試阻垢劑對CaCO3的阻垢性能。阻垢劑對CaCO3的阻垢率可由式(2)計算:

(2)

1.2.2 緩蝕阻垢劑復配

1.2.2.1 配伍性測試

實驗參照標準SY/T 5273—2013，將篩選出的緩蝕劑和阻垢劑按質量比1∶1與模擬地層水混合均勻,在55 ℃、常壓條件下測定兩種藥劑與模擬地層水的配伍性。

1.2.2.2 協同性測試

兩種或多種藥劑同時使用與單獨使用的防護效果有一定差異。為了研究加入其他藥劑對該藥劑性能的影響,采用電化學方法,在55 ℃、常壓條件下測試不同配比緩蝕阻垢劑和單一緩蝕劑在飽和CO2模擬地層水溶液中的緩蝕性能,明確阻垢劑對緩蝕劑緩蝕性能的影響;采用靜態阻垢法,在55 ℃、常壓條件下測試不同配比緩蝕阻垢劑和單一阻垢的阻垢性能,明確緩蝕劑對阻垢劑阻垢性能的影響。

1.2.2.3 復合緩蝕阻垢劑最優配比實驗

采用電化學方法和靜態阻垢法,在55 ℃、常壓條件下測試不同配比的復合緩蝕阻垢劑的緩蝕阻垢性能。保持藥劑總質量濃度210 mg/L不變,具體配比設計方案見表3。

表3 緩蝕阻垢劑復配實驗設計表

1.2.3 模擬工況下防護效果測試

1.2.3.1 掛片失重測試

實驗采用30 mm×15 mm×3 mm的長方體20鋼試樣,實驗條件為溫度55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)、模擬地層水溶液。參照標準JB/T 6073—2015《金屬覆蓋層實驗室全浸腐蝕試驗》在靜態高溫高壓釜中實驗72 h,試樣的均勻腐蝕速率可按式(3)進行計算:

(3)

式中:Vcorr為均勻腐蝕速率,mm/a;m、mt分別為試樣實驗前、后的質量,g;S為試樣表面積,cm2;t為實驗時間,h;ρ為試樣材料的密度,g/cm3。

1.2.3.2 模擬工況阻垢率測試

為了使測試的阻垢率不受試樣腐蝕的影響,實驗采用30 mm×15 mm×3 mm的長方體825耐蝕合金試樣,實驗條件為溫度55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)、模擬地層水溶液。在靜態高溫高壓釜進行掛片實驗72 h,其阻垢率可由式(4)計算:

(4)

式中:Yi為阻垢劑的阻垢率；Δm0、Δm1分別為試樣在空白溶液和添加藥劑溶液中的質量增加值,g。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑與阻垢劑單劑篩選結果與分析

2.1.1 緩蝕劑單劑篩選結果與分析

在55 ℃、常壓條件下測試添加六種不同緩蝕劑和空白組飽和CO2模擬地層水溶液中20鋼的極化曲線,采用Tafel外推法進行擬合,得到腐蝕電化學動力學參數,并通過式(1)計算緩蝕率,結果見表4。

表4 20鋼在含不同緩蝕劑的CO2飽和模擬地層水溶液中的極化曲線擬合參數表

從表4可以看出,相對于空白組,加入緩蝕劑后自腐蝕電位正移,自腐蝕電流密度降低,說明加入緩蝕劑能很好地抑制20鋼的腐蝕。其中緩蝕劑CI-Ⅳ、CI-Ⅴ、CI-Ⅵ的緩蝕效果較好,緩蝕劑CI-Ⅵ效果最好(93.06%),因此選用緩蝕劑CI-Ⅵ作為復合緩蝕阻垢劑的緩蝕劑單劑。

2.1.2 阻垢劑單劑篩選結果與分析

在55 ℃、常壓下測試五種不同阻垢劑對CaCO3的阻垢性能,測得未加阻垢劑的空白組與加注30 mg/L阻垢劑的實驗結果，見表5。

表5 阻垢劑靜態阻垢實驗結果表

從表5可以看出,SI-Ⅰ、SI-Ⅱ、SI-Ⅲ三種阻垢劑在加量30 mg/L時阻垢效率較差,均低于80%,阻垢劑SI-Ⅴ的阻垢率最大(95.18%),因此選用SI-Ⅴ作為阻垢劑單劑。

2.2 緩蝕阻垢劑復配結果分析

2.2.1 配伍性測試結果

根據緩蝕劑和阻垢劑的性能評價結果,對篩選出的緩蝕劑CI-Ⅵ和阻垢劑SI-Ⅴ進行配伍性實驗,實驗結果顯示,恒溫30 min及恒溫24 h后混合溶液都呈均相,表明緩蝕劑CI-Ⅵ和阻垢劑SI-Ⅴ與該區塊地層水的配伍性良好。

2.2.2 協同性測試結果

2.2.2.1 阻垢劑對緩蝕劑性能影響

在55 ℃,常壓條件下,測試添加不同配比藥劑的飽和CO2模擬地層水溶液中20鋼的極化曲線并用Tafel外推法進行擬合,得到腐蝕動力學參數,通過式(1)計算得到緩蝕速率,結果見表6。

表6 20鋼在添加不同配比藥劑的CO2飽和模擬地層水溶液中的極化曲線擬合參數表

從表6可以看出,將阻垢劑SI-Ⅴ與緩蝕劑CI-Ⅵ復配后,不同配比下的緩蝕率較單劑緩蝕劑的緩蝕率都有所提高,當加入150 mg/L緩蝕劑CI-Ⅵ+50 mg/L阻垢劑SI-Ⅴ后緩蝕率高達94.69%,說明阻垢劑的加入對緩蝕劑的緩蝕性能有協同作用,使緩蝕效果變好。

2.2.2.2 緩蝕劑對阻垢劑性能影響

在55 ℃、常壓條件下測試得單劑阻垢劑SI-Ⅴ與緩蝕劑CI-Ⅵ以不同比例復配后的靜態阻垢性能,結果見圖1。

圖1 復合緩蝕阻垢劑的阻垢協同效應圖

從圖1可以看出,將緩蝕劑CI-Ⅵ與阻垢劑SI-Ⅴ復配后,其阻垢率較單劑阻垢劑均有增加,尤其是將 15 mg/L 阻垢劑SI-Ⅴ和15 mg/L緩蝕劑CI-Ⅵ混合使用時,阻垢率高達97.56%,說明緩蝕劑與阻垢劑有較好的協同作用,當兩種藥劑混合使用時效率較高。

2.2.3 緩蝕阻垢劑配比實驗結果

在55 ℃、常壓條件下,測試加注不同比例的緩蝕阻垢劑和空白組的飽和CO2模擬地層水溶液中20鋼的極化曲線見圖2,擬合參數見表7。

圖2 20鋼在含不同配比藥劑的模擬地層水中的極化曲線圖

表7 極化曲線擬合參數表

從圖2和表7可以看出,當緩蝕劑CI-Ⅵ∶阻垢劑SI-Ⅴ=2∶1時,自腐蝕電位正移最多,自腐蝕電流密度最小,緩蝕率最高(95.59%),因此初步選定復合緩蝕阻垢劑的配比為CI-Ⅵ∶SI-Ⅴ=2∶1。

在55 ℃、常壓條件下對不同比例的復合緩蝕阻垢劑進行靜態阻垢性能測試,得到不同比例下復合緩蝕阻垢劑的緩蝕率和阻垢率見表8。

表8 不同配比藥劑試驗結果表

從表8可以看出,當緩蝕劑CI-Ⅵ∶阻垢劑SI-Ⅴ=2∶1 時，緩蝕效率最高為95.59%,此時阻垢率為93.56%;當緩蝕劑CI-Ⅵ∶阻垢劑SI-Ⅴ=4∶3時，阻垢率最高為94.49%,但此時緩蝕率只有92.93%。現場實際工況中,CO2腐蝕失效的風險較結垢堵塞的風險更大,綜合考慮下,選用復合緩蝕阻垢劑的配比為CI-Ⅵ∶SI-Ⅴ=2∶1。

2.3 模擬工況下防護效果測試結果分析

2.3.1 靜態高溫高壓釜實驗結果分析

2.3.1.1 失重實驗結果

用20鋼在55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)條件下的模擬地層水中進行72 h失重腐蝕實驗,測得20鋼在模擬地層水中的腐蝕速率為1.618 mm/a,添加500 mg/L復合緩蝕阻垢劑后腐蝕速率為0.041 mm/a,緩蝕率達97.45%。

實驗結果表明:加入復合緩蝕阻垢劑后,20鋼的腐蝕速率有很大程度的降低(0.045 mm/a以下),說明該復合緩蝕阻垢劑對20鋼的腐蝕有良好的抑制作用,能夠滿足生產需求。

2.3.1.2 腐蝕形貌分析

20鋼在55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)下進行 72 h 失重腐蝕實驗后,去除腐蝕產物膜,宏觀形貌見圖3。

a)未添加復合緩蝕阻垢劑

從圖3可以看出,模擬工況下未添加復合緩蝕阻垢劑時,20鋼表面暗沉,腐蝕較嚴重,主要為均勻腐蝕;加注復合緩蝕阻垢劑后,表面有金屬光澤,腐蝕程度明顯減小。

2.3.2 模擬工況下阻垢試驗結果分析

在55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)條件下的模擬地層水溶液中測試復合緩蝕阻垢劑的阻垢性能,采用825耐蝕合金掛片試驗72 h后,測得掛片在模擬地層水中的增重量為 0.039 4 g,添加50 mg/L復合緩蝕阻垢劑后的增重量為 0.002 4 g,阻垢率為93.91%。實驗結果表明，該復合緩蝕阻垢劑的阻垢性能較好,能很好地控制CO2采出井井筒中的結垢問題。

3 結論

1)形成了一套復合緩蝕阻垢劑評價方法流程,首先采用電化學方法和靜態阻垢法分別篩選出性能良好的緩蝕劑和阻垢劑；其次對篩選的兩種藥劑進行配伍性和協同性測試,然后進行最佳配比實驗,得到性能優異的復合藥劑配方；最后進行模擬工況下復合藥劑的綜合防護性能測試,進一步明確所得藥劑的實用性能,為油田評價和篩選多功效復合藥劑提供了參考和指導。

2)明確了緩蝕劑和阻垢劑混合使用時的相互影響規律,將阻垢劑與緩蝕劑按不同比例復配后,復合藥劑的緩蝕率和阻垢率較單一藥劑的性能有所提高,說明緩蝕劑和阻垢劑對相互的防護性能具有較大促進作用,將兩種藥劑混合使用能起到更好的效果,充分利用藥劑間的協同效應可提升藥劑性能,減少用量,節約成本。

3)形成了一套適用于CO2驅地面采輸系統的防護藥劑體系配方,在55 ℃、CO2分壓1 MPa(總壓4 MPa)的模擬工況下,可將20鋼的腐蝕速率控制在0.045 mm/a以內,阻垢率達93.91%,綜合防護性能滿足油田控制指標,說明該藥劑體系能對CO2腐蝕結垢起到較好的防護作用,為油田集輸系統管道設備的防護提供了技術支撐。