柳敏

（大港油田采油工藝研究院，天津300280）

空氣泡沫驅(qū)腐蝕防控技術(shù)對(duì)策研究

柳敏

（大港油田采油工藝研究院，天津300280）

出于空氣泡沫驅(qū)注入安全性考慮將注入空氣中的氧含量降至5%以下，本文模擬空氣泡沫驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)工況條件，進(jìn)行緩蝕劑對(duì)油管和管線鋼、特種涂層對(duì)油管在飽含5%O2的空氣的地層水中腐蝕行為影響研究。

有氧腐蝕；緩蝕劑；Tafel曲線；線性極化曲線；特種涂層；鈍化

隨著我國(guó)陸上油田相繼進(jìn)入開(kāi)采中后期，原油的開(kāi)采難度加大，注水、注空氣泡沫驅(qū)油的技術(shù)相繼大規(guī)模應(yīng)用造成了管材嚴(yán)重的腐蝕，同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，因此，研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的抗氧腐蝕技術(shù)是當(dāng)前油氣田所面臨的迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。目前對(duì)于注泡沫管柱采取的防腐措施主要有注入過(guò)程中添加緩蝕劑的方式，采取對(duì)油管表面鍍特殊材料或者對(duì)油管表面進(jìn)行鈍化處理防腐工藝［1］。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

利用電化學(xué)工作站和高溫高壓釜技術(shù)評(píng)價(jià)油管在飽含5%O2的空氣的地層水中采取緩蝕劑、涂層和鈍化處理后的氧腐蝕行為，為防腐措施選擇提供理論依據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要有M273A型電化學(xué)工作站和高溫高壓釜。試樣為油管和管線鋼，規(guī)格為Φ10 mm×5 mm，其中一個(gè)圓面用銅線引出，次面及側(cè)面用環(huán)氧樹(shù)脂密封，露出背面作為工作面，工作面用水磨砂紙逐級(jí)打磨至1500號(hào)，酒精清洗。實(shí)驗(yàn)前往地層水中先通入氮?dú)? h，帶水中氧氣除干凈后再通入含氧5%的空氣。測(cè)定試樣的腐蝕電位，得出Tafel曲線和線性極化曲線。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1緩蝕劑對(duì)油管和管線鋼在飽含5%O2的空氣的地層水中腐蝕行為影響

圖1　油管鋼在飽含5%O2空氣的地層水中添加緩蝕劑前后測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線

油管鋼在飽含5%O2空氣的地層水中添加緩蝕劑前后測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線（見(jiàn)圖1），由圖1可以看出，添加緩蝕劑前后，油管鋼的腐蝕電位明顯負(fù)移，同時(shí)陰陽(yáng)極腐蝕電位顯著呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這說(shuō)明緩蝕劑加入后油管鋼的腐蝕程度明顯減輕，緩蝕劑能有效地緩解油管在所研究介質(zhì)的腐蝕程度。

線性極化曲線顯示出添加緩蝕劑前后測(cè)得的線性極化曲線中直線段斜率顯著下降，這意味著緩蝕劑添加后油管腐蝕過(guò)程的阻力顯著增加，即緩蝕劑加入后油管的腐蝕速率下降。

腐蝕參數(shù)的擬合結(jié)果（見(jiàn)表1），由表1可以看出，緩蝕劑添加后陰陽(yáng)極腐蝕常數(shù)增大，而腐蝕電流呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)中所用緩蝕劑屬于強(qiáng)吸附型混合型緩蝕劑，其主要成分為含有氮、磷等原子的喹啉、咪唑啉等有機(jī)高分子化合物，這種化合物由極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)構(gòu)成，故具有很強(qiáng)的界面活性；同時(shí)復(fù)配丙酮肟等其他增效劑。其吸附機(jī)理為：有機(jī)高分子化合物中的氮、磷原子上帶有孤對(duì)電子，其能進(jìn)入鐵原子（離子）雜化的dsp空軌道，形成配位鍵，發(fā)生絡(luò)合作用，生成穩(wěn)定的具有六元環(huán)狀結(jié)構(gòu)的螯合物吸附在鐵表面，形成完整的疏水保護(hù)膜，同時(shí)在分子形成配位鍵后，鐵表面的電位相對(duì)較正，較難進(jìn)一步吸附陽(yáng)離子，而在此時(shí)加入的其他增效劑在溶液中能產(chǎn)生負(fù)離子，其被正電性的鐵表面吸附，使其帶上負(fù)電荷，有利于有機(jī)高分子在鐵表面發(fā)生特性吸附，從而形成多層網(wǎng)狀吸附，達(dá)到防腐效果［2］。

表1　緩蝕劑對(duì)油管在飽含5%O2的空氣的地層水中的腐蝕參數(shù)影響

3.2特種涂層對(duì)油管在5%O2的空氣的地層水中腐蝕行為影響

油管鋼表面鍍TiAlN和TiCrN特種涂層后在飽含5%O2的空氣的地層水中測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線（見(jiàn)圖2），由圖2可以看出，油管鋼表面鍍特種涂層后腐蝕電位明顯正移，而腐蝕電流則顯著減小，這說(shuō)明油管表面鍍層后腐蝕程度顯著減輕，所研制的特種涂層能有效地緩解油管在所研究介質(zhì)的腐蝕。

圖2　油管鋼在飽含5%O2的空氣的地層水中表面鍍層前后測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線

線性極化曲線顯示出油管表面鍍膜后測(cè)得的線性極化曲線中直線段斜率顯著增加，這意味著緩蝕劑添加后油管腐蝕過(guò)程的阻力顯著增加，即緩蝕劑加入后油管的腐蝕速率下降。

腐蝕參數(shù)的擬合結(jié)果（見(jiàn)表2），由表2可以看出，油管表面鍍膜后陰陽(yáng)極腐蝕常數(shù)增大，而腐蝕電流呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

表2　涂層前后油管在飽含5%O2的空氣的地層水中的腐蝕參數(shù)影響

油管在鍍TiAlN和TiCrN后在飽含5%O2的空氣的地層水中浸泡2 h后測(cè)得的電化學(xué)阻抗譜（見(jiàn)圖3），由圖3可以看出，Nyquist曲線由高頻和低頻容抗弧組成，基體鍍膜厚測(cè)得的容抗弧遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍍膜前測(cè)得的容抗弧半徑，這表明鍍膜后基體的耐腐蝕性能顯著提高，圖3中的Bode曲線顯示出鍍膜后相位角呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

圖3　油管在飽含5%O2的空氣的地層水中鍍膜前后測(cè)得的電化學(xué)阻抗譜

腐蝕參數(shù)的擬合結(jié)果（見(jiàn)表3），由表3可以看出，鍍膜后傳遞電阻和膜電阻顯著增加，而雙電層電容和膜電容則呈下降趨勢(shì)，電阻的增加和電容的減小意味著基體的防腐性能增強(qiáng)［3］。

表3　圖3中所示阻抗譜擬合結(jié)果

3.3鈍化處理對(duì)油管在5%O2的空氣的地層水中腐蝕行為影響

油管鋼經(jīng)鈍化液（鈍化液組成：50 g/L鉬酸銨+20 g/L三氧化二鉻+1 g/L磷酸+5 g/L高錳酸鉀，鈍化溫度85℃，鈍化時(shí)間2 h）鈍化處理前后，在飽含5%O2的空氣的地層水中測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線（見(jiàn)圖4），由圖4可以看出，油管鋼表面鈍化處理后腐蝕電位明顯正移，而腐蝕電流則顯著減小，這說(shuō)明油管表面鈍化后腐蝕程度顯著減輕。

線性極化曲線顯示出油管表面鈍化后測(cè)得的線性極化曲線中直線段斜率顯著增加，這意味著鈍化處理后油管腐蝕過(guò)程的阻力顯著增加，即鈍化處理后油管的腐蝕速率下降。

圖4　油管經(jīng)鈍化液鈍化前后在飽含5%O2+N2+5%CO2氣體的地層水中測(cè)得的Tafel曲線和線性極化曲線

表4　油管經(jīng)鈍化液鈍化前后在飽含5%O2的空氣的地層水中的腐蝕參數(shù)

腐蝕參數(shù)的擬合結(jié)果（見(jiàn)表4），由表4可以看出，油管表面鈍化后陰陽(yáng)極腐蝕常數(shù)增大，而腐蝕電流呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖5　油管經(jīng)鈍化液鈍化前后在飽含5%O2的空氣的地層水中測(cè)得的電化學(xué)阻抗譜

表5　圖5中所示阻抗譜擬合結(jié)果

油管在鈍化處理前后在飽含5%O2的空氣的地層水中浸泡2 h后測(cè)得的電化學(xué)阻抗譜（見(jiàn)圖5），由圖5可以看出，Nyquist曲線由高頻和低頻容抗弧組成，表面鈍化處理后測(cè)得的容抗弧遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未鈍化處理前測(cè)得的容抗弧半徑，這表明鈍化后基體的耐腐蝕性能顯著提高，Bode曲線顯示出鈍化后相位角呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

腐蝕參數(shù)的擬合結(jié)果（見(jiàn)表5），由表5可以看出，鈍化后傳遞電阻和膜電阻顯著增加，而雙電層電容和膜電容則呈下降趨勢(shì)，電阻的增加和電容的減小意味著基體的防腐性能增強(qiáng)。

4　結(jié)論

（1）緩蝕劑有機(jī)高分子在鐵表面發(fā)生特性吸附，從而形成多層網(wǎng)狀吸附，能阻止氧對(duì)油管鋼質(zhì)的腐蝕，有效地緩解油管在有氧條件下的腐蝕程度；

（2）油管表面鍍TiAlN和TiCrN后，傳遞電阻和膜電阻顯著增加，而雙電層電容和膜電容則呈下降趨勢(shì)，電阻的增加和電容的減小意味著基體的防腐性能增強(qiáng)，能減緩有氧條件下的油管腐蝕；

（3）油管經(jīng)鈍化液鈍化處理后腐蝕速率降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，能有效降低腐蝕的發(fā)生，這是對(duì)于老井注空氣泡沫套管防腐的一條途徑。

［1］雷霞，等.鉬酸鹽鈍化碳鋼的緩蝕性能研究［J］.山西化工，2015，（4）：9-11.

［2］方景禮，葉向榮，李瑩，等.緩蝕劑的作用機(jī)理［J］.化學(xué)通報(bào)，1993，（6）：5-13.

［3］丁丙華，李順龍，余存燁，等.不銹鋼密封面在醋酸中的縫隙腐蝕及對(duì)策［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，2005，22（6）：7-9.

TE988.2

A

1673-5285（2016）10-0037-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.009

2016－07-27

柳敏，男（1981-），工程師，主要從事三次采油研究工作，郵箱：dgyt_liumin@petrochina.com.cn。