高效固體緩釋型阻垢劑的研制及性能分析*

畢鳳琴 韓嘉平 李會(huì)星 趙紅梅 王 勇

(1.東北石油大學(xué)；2.大慶測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司檢測(cè)中心)

大慶油田已進(jìn)入開采中后期，油田管道結(jié)垢和腐蝕問題變得越來越突出，解決結(jié)垢和腐蝕問題已迫在眉睫，添加緩蝕阻垢藥劑性價(jià)比高、針對(duì)性強(qiáng)，已成為目前各大油田比較可行且通用的方法[1，2]。目前通用的緩蝕阻垢劑多為液體型，由于隨流體流失較大，因此添加量較大，作用周期和效果也不夠理想，造成很大浪費(fèi)，而固體緩蝕劑在緩慢溶解的過程中起到防腐和阻垢的作用，作用時(shí)間長(zhǎng)，效果理想，經(jīng)濟(jì)性好，具有良好的性價(jià)比[3]。筆者針對(duì)大慶五廠地區(qū)水驅(qū)輸油管道腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象和油田采出液的成分特點(diǎn)，以緩蝕劑、阻垢劑、分散劑和載體為組分，配制出新型固體緩釋型緩蝕阻垢劑，并對(duì)藥劑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器和藥品有：美國(guó)Gamry PCI4/7500電化學(xué)工作站，恒溫水浴鍋，復(fù)配試劑(表1)，大慶五廠杏-13計(jì)量間油田采出液(成分見表2)，20#鋼試樣以及實(shí)驗(yàn)室基本儀器等。

表1 復(fù)配試劑

注：1——山東省泰和水處理有限公司；2——天津大茂化學(xué)試劑廠；3——山西三維集團(tuán)公司。

表2 水驅(qū)管道采出液成分 mg/L

1.2緩蝕阻垢劑的制備

緩蝕阻垢劑復(fù)配由主劑(有機(jī)磷酸或磷酸鹽,一種或多種)、分散劑、特殊緩蝕或阻垢劑和載體組成。

藥劑復(fù)配方案：以一種或多種主劑分別和3種分散劑復(fù)配，制備至少32種緩蝕阻垢藥劑，確定性能較穩(wěn)定的緩蝕阻垢藥劑。緩蝕阻垢劑的復(fù)配試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，按復(fù)配方案依次編號(hào)為CL01～CL32。

制備時(shí)先測(cè)試添加藥劑水質(zhì)成分，根據(jù)水質(zhì)成分，確定腐蝕和結(jié)垢性。有針對(duì)性選取藥劑成分，制備過程是在主劑中加入輔劑，加入聚丙烯醇后用恒溫水浴鍋加熱，充分分散、均勻混合后，通過粘合劑進(jìn)行粘合沖模，加工成特定形狀，再經(jīng)過脫模干燥，即為成品。

1.3性能測(cè)試

采用石油天然氣總公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/5273-1991評(píng)定緩蝕性能，阻垢性能采用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定[4]。

模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，采用失重法對(duì)添加的定量緩蝕阻垢劑進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬檢測(cè)，根據(jù)單位時(shí)間溶解的質(zhì)量確定緩釋速率。

2 結(jié)果與分析

2.1緩蝕性能分析

對(duì)20#管道鋼作電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，以油田采出液為介質(zhì)，分別作空白和加注實(shí)驗(yàn)，得到極化曲線和阻抗譜如圖1所示。

圖1 加注藥劑前后20#鋼極化曲線和阻抗譜

如圖1a所示，加注藥劑后自腐蝕電位上升，由于藥劑溶解抑制腐蝕能力逐漸加強(qiáng)，有利于阻礙腐蝕的發(fā)生。腐蝕電流為22μA，小于空白試驗(yàn)的34μA，腐蝕電流變小，而極化電阻則增加到1.104kΩ，不利于腐蝕的發(fā)生。通過失重法測(cè)得腐蝕速率，空白和加藥后試樣的腐蝕速率分別為0.310mm/a和0.070mm/a，緩蝕效果明顯，加藥后試片的腐蝕速率低于0.076mm/a，達(dá)到了油田集輸管道的腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。

電化學(xué)阻抗譜如圖1b所示，加藥后容抗增大，耐腐蝕能力提高。經(jīng)過Zview軟件擬合后，加藥后溶液電阻基本沒有變化，說明加入藥劑之后對(duì)溶液的導(dǎo)電性沒有影響，對(duì)其腐蝕性影響較小。20#鋼膜層電阻和電荷傳遞電阻明顯上升，耐腐蝕能力增強(qiáng)。

由于緩蝕主劑為有機(jī)磷酸，其結(jié)構(gòu)中的P、O等原子能向金屬原子提供孤對(duì)電子，在金屬表面吸附成膜，抑制腐蝕電化學(xué)過程的發(fā)生，從而起到緩蝕作用。同時(shí)有機(jī)磷酸鹽等的O、P原子均含有未成鍵電子對(duì)，可進(jìn)入金屬結(jié)構(gòu)的空軌道形成配位體，在金屬表面形成緩蝕劑分子的吸附層，抑制金屬的腐蝕。

2.2阻垢性能分析

在采出液中加入緩蝕阻垢劑，每天采樣，持續(xù)15天，分別對(duì)采出液樣品做滴定實(shí)驗(yàn)，得到阻垢率如圖2所示。阻垢作用主要由膦酸鹽與共聚物阻垢劑復(fù)配而成,前者具有強(qiáng)螯合作用，與Ca2+、Mg2+等金屬離子螯合生成易溶于水的螯合物,阻止垢的形成；后者為水溶性聚電解質(zhì)，電荷密度高，產(chǎn)生離子間的斥力或空間位阻，阻止成垢晶核微粒相互接觸，使垢不能聚結(jié)長(zhǎng)大。此外，阻垢劑還可吸附在剛析出的晶核上，破壞和干擾晶核的正常生長(zhǎng)，起到阻垢作用[5，6]。

圖2 阻垢率隨時(shí)間變化曲線

由圖2可知，在加入緩蝕阻垢劑的前幾天里，阻垢率分別為81%和83%，這說明藥劑有效成分尚未完全發(fā)揮阻垢性能；在第四五天時(shí)藥劑有效成分完全發(fā)揮作用，阻垢率也逐漸升高，可達(dá)到90%；在接下來的時(shí)間內(nèi)阻垢率趨于穩(wěn)定，在91%左右，波動(dòng)不大，表明本產(chǎn)品的阻垢性能良好且穩(wěn)定。

2.3最佳用量確定

針對(duì)采出液水質(zhì)設(shè)計(jì)5組加注用量實(shí)驗(yàn)，加注量分別為5、10、15、20、25mg/L，進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同用量時(shí)極化曲線和阻抗譜

由圖3a可知，當(dāng)加注量為10mg/L時(shí)，腐蝕電流較小，為7.5μA；自腐蝕電位較高，采出液極化電阻變大，不利于腐蝕的發(fā)生。當(dāng)加注量為10mg/L時(shí)，20#鋼在采出液中的腐蝕速率為0.069mm/a，低于國(guó)家管道腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。由圖3b可知，當(dāng)加注量為10mg/L和15mg/L時(shí)，溶液的容抗較大，耐腐蝕性較好，綜合實(shí)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性，選擇加注量為10mg/L。

2.4緩釋性能分析

為了保證藥劑的效果在采出液中持續(xù)作用，可以通過失重法對(duì)加入到采出液中定量的藥劑進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得緩釋速率，從而確定加藥周期。固體緩蝕阻垢劑的粘合劑為聚乙烯醇，其綜合性能良好，能有效固化緩蝕阻垢劑而不影響其緩蝕阻垢性能。由圖4可知，固體藥劑溶解和時(shí)間呈線性關(guān)系，約每10天溶解8%，由此確定加注周期約為3個(gè)月。根據(jù)采出液質(zhì)量和加注藥劑量計(jì)算，采出液中藥劑含量在10～15mg/L之間，滿足最佳加注用量要求。

圖4 剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨取樣時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

3.1加注藥劑后，自腐蝕電位上升，腐蝕電流下降，極化電阻升高，腐蝕速率為0.070mm/a，研制固體緩蝕阻垢藥劑緩蝕性能良好。

3.2在加注后4～5天藥劑可達(dá)到理想阻垢效果，阻垢率可達(dá)90%；在加注15天內(nèi)阻垢率波動(dòng)不大，穩(wěn)定在91%左右，阻垢效果穩(wěn)定。

3.3聚乙烯醇為粘合劑緩釋性能良好，緩釋速率大約為每10天8%，確定加注周期約為3個(gè)月。

3.4固體緩釋型緩蝕阻垢劑加注用量為10mg/L時(shí)，緩蝕性能良好，可用作大慶油田五廠地區(qū)水驅(qū)管道的專用緩蝕阻垢劑。

[1] 杜春安,趙修太,邱廣敏.緩釋型固體緩蝕阻垢劑的研制與應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2005,34(2):128～131.

[2] 汪雙喜,謝小聰.油田結(jié)垢的防治方法[J].清洗世界,2010,26(12):8～10.

[3] 張銀.油田緩蝕阻垢劑篩選及復(fù)配室內(nèi)研究[J].全面腐蝕控制,2008,22(3):15～17.

[4] 上海化工廠.復(fù)合緩蝕阻垢劑的水質(zhì)中穩(wěn)定中試研究[J].化肥工業(yè)，1978，(1)：42～47

[5] 王兵,李長(zhǎng)俊.管道結(jié)垢原因及常用分析方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2008,27(2):59～61.

[6] 王晏山,張洪林.緩蝕阻垢劑的篩選及工業(yè)應(yīng)用[J].全面腐蝕控制,2005,19(4):22～27.