高 波,姚 謀,薛 強,張 康

(1.長慶油田分公司第七采油廠，甘肅 慶陽 745700；2.長慶油田勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710016)

空氣泡沫驅(qū)采用的泡沫液體，主要由發(fā)泡的表面活性劑及穩(wěn)定泡沫的泡沫穩(wěn)定劑組成?？諝馔ㄟ^除氧處理，直接與泡沫液體進行發(fā)泡，得到穩(wěn)定的泡沫體系[1]。體系中大量氧氣的引入會對注入體系造成嚴重的腐蝕，從而給生產(chǎn)造成巨大的影響和損失[2]。

咪唑啉型緩蝕劑是較為常用的緩蝕劑，具有較強的吸附能力，能夠和金屬達到動態(tài)的吸附平衡，即使不能實現(xiàn)完全覆蓋，也不會造成局部的嚴重腐蝕，對腐蝕過程中的陽極能夠起到較好的保護作用[3]。所以，使用咪唑啉緩蝕劑是安全的，即使局部濃度分布不均勻也不會引起點蝕[4]。

除了氧氣的腐蝕，管線中的結垢也會加重設備的腐蝕[5]。有機磷羧酸類緩蝕劑的使用十分廣泛，具有緩蝕和阻垢的雙重功效，可以在金屬表面形成沉淀吸附薄膜，達到緩蝕的效果，也可以與常見的成垢金屬離子如Ca2+、Mg2+等發(fā)生絡合反應，起到阻垢的效果[6]。

本文對幾種常用的緩蝕阻垢劑進行篩選，并考察各相關藥劑的加量對N80鋼片在腐蝕介質(zhì)中腐蝕速率的影響，通過正交實驗，得到對空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)有良好緩蝕性能的緩蝕劑。

1 原理及方法

1.1 儀器與試劑

試劑：月桂基咪唑啉季銨鹽，十六烷基咪唑啉季銨鹽，油酸基咪唑啉季銨鹽，改性咪唑啉等緩蝕劑，以及有機磷酸、有機磷羧酸、多功能有機磷酸鹽等緩蝕阻垢劑和除氧劑等。實驗采用N80鋼片為試片。

儀器：分析天平，空氣泡沫驅(qū)腐蝕評價裝置，掃描電子顯微鏡等。

1.2 實驗方法

采用正交實驗法，以N80試片的腐蝕速率為指標，參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5273-2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》進行測試[7]。腐蝕速率和緩蝕率按以下計算方法：

其中：rcorr為腐蝕速率，mm·a-1；m0為N80測試前質(zhì)量，g；mt為N80測試后質(zhì)量，g；S為N80鋼片表面積，cm2；t為腐蝕時間，h；ρ為N80鋼片密度，g·cm-3；η為緩蝕劑的緩蝕率，%；Δm1為空白實驗中N80鋼片腐蝕前后的質(zhì)量差值，g。

采用掃描電子顯微鏡對腐蝕前后的試片表面進行觀察，分析可能的腐蝕機理和緩蝕劑的作用機理。

2 結果與討論

2.1 單劑的篩選

將常用的幾種緩蝕阻垢劑與泡沫液體系配制成一定濃度的溶液，測量不同緩蝕劑在80℃、500mg·L-1濃度下N80鋼片的腐蝕速率，結果見表1。從實驗結果可以看出，在同等實驗條件下，實驗采用的4種咪唑啉類緩蝕劑中，改性咪唑啉的腐蝕速率最低，體系的腐蝕速率下降到0.0954mm·a-1。實驗采用的3種磷羧酸類緩釋阻垢劑中，有機磷羧酸的緩蝕性能最好，體系的腐蝕速率下降到0.2267 mm·a-1。因此，選擇改性咪唑啉和有機磷羧酸作為空氣泡沫驅(qū)復合緩蝕劑的主要試劑。

表1 單劑的緩蝕性能測定

2.2 多元緩蝕劑的制備

單獨使用某一種緩蝕劑，不能達到現(xiàn)場的使用標準(0.076mm·a-1)，因此需要將多種緩蝕劑進行復配，使得緩蝕劑和其他助劑協(xié)同作用，以期達到相應的施工要求。將篩選后的緩蝕劑與除氧劑等進行正交復配實驗，考察緩蝕劑用量為500 mg·L-1時，N80鋼片的腐蝕速率(表2)。

表2 復合緩蝕劑正交實驗結果

從正交實驗的結果可以看出，復合后的緩蝕劑擁有更低的腐蝕速率和更好的緩蝕性能，改性咪唑啉、有機磷羧酸和除氧劑的含量均為20%時，得到的復合緩蝕劑的性能最佳。因此該復合緩蝕劑的優(yōu)化配方為：改性咪唑啉∶有機磷羧酸∶除氧劑=1∶1∶1。

2.3 緩蝕劑性能評價

按照優(yōu)化配方配制相應的復合緩蝕劑，按照實驗中的評價方法對緩蝕劑的使用效果進行評價。配制不同濃度的緩蝕劑泡沫溶液，測量N80鋼片在其中的腐蝕速率，對其濃度和腐蝕速率的關系進行分析，結果見圖1。從圖1可知，隨著復合緩蝕劑使用濃度增加，N80鋼片的腐蝕速率逐漸減小，濃度為800mg·L-1時，腐蝕速度最小，為 0.027 mm·a-1，隨后緩慢升高。濃度大于400mg·L-1后，N80鋼片的腐蝕速率降低至0.065mm·a-1，能夠滿足國內(nèi)石油注水用緩蝕劑的相關標準[8]。

圖1 復合緩蝕劑使用濃度與N80鋼片腐蝕速率的關系

2.4 作用機理研究

按照優(yōu)化后的使用濃度，加入400mg·L-1的復合緩蝕劑，對N80鋼片進行腐蝕測試，同時做空白對比。對腐蝕后的鋼片表面進行掃描電鏡分析，結果見圖2。從圖2中可以看出，未添加復合緩蝕劑的鋼片表面溝壑縱橫，局部有點蝕發(fā)生。添加復合緩蝕劑后的N80鋼片表面平整均勻，鋼片被保護得十分完好。

圖2 N80試片的SEM圖，

從掃描電鏡的結果可以看出，使用復合緩蝕劑后，鋼片的表面更加光潔，表明緩蝕劑可以和鋼片表面緊密貼合吸附，阻止了泡沫液在鋼片表面的擴散，因此可以大大降低氧氣分子對金屬的腐蝕以及金屬離子在試片表面的結垢，起到了較好的緩蝕作用[9-10]。圖3示意了該過程可能的吸附作用機理。

圖3 復合緩蝕劑的吸附作用機理

3 結論與展望

1)復合緩蝕劑的最佳配比為：改性咪唑啉∶有機磷羧酸∶除氧劑=1∶1∶1，復合緩蝕劑的最佳使用濃度為400mg·L-1。

2)復合緩蝕劑吸附在金屬表面形成了保護層，隔絕了泡沫液中的氧氣在金屬表面的擴散，從而起到了緩蝕作用。

3)復雜的使用條件下，可以適當加大復合緩蝕劑的用量，以達到相應的操作要求，但用量建議不超過 1500mg·L-1。

4)該復合緩蝕劑有極好的水溶性，可以和其他的一些水基體系進行復合使用，可作為注水、壓裂等過程中的緩蝕劑使用。

5)可以將其他類型的緩蝕劑與該復合緩蝕劑進行多元復合，可能會起到一定的增效作用。