酸性緩蝕劑HAC－S的合成及性能評價

陳以周，艾俊哲，榮沙沙 （長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州434023）

酸性緩蝕劑是一類應用廣泛的緩蝕劑，工業上使用較多的為咪唑啉及其衍生物，一般是以C8～C18的脂肪酸與多胺脫水縮合酰胺化，繼續升溫使其發生分子內脫水形成的咪唑啉五元環，在此基礎上還可以進一步與季銨化試劑等反應，以獲得更加優越的緩蝕性能［1～5］。下面，筆者合成了一種新型完井液用酸性咪唑啉緩蝕劑HAC－S，并對其性能進行了評價。

1 試驗部分

1.1 試劑和儀器

1）試劑 無水乙醇、丙酮、氯化鈉、石油醚等均為分析純；HTA為工業品，緩蝕劑B、C、D是市場上效果較好的適合酸性環境的緩蝕劑樣品。

2）儀器 水浴鍋（控溫精度±1℃）、游標卡尺（精度0.02mm）、202型電熱恒溫干燥箱、托盤天平、AL204電子天平（感量0.1mg）、干燥器、電吹風機、溫度計、玻璃棒、量筒、容器裝置等。

1.2 HAC－S緩蝕劑的合成

在三口燒瓶中按摩爾比1∶1.5～2加入脂肪酸和三乙烯四胺，緩慢升溫到160℃反應1～5h，再繼續升溫反應1～2h生成縮合中間體；以乙醇和平平加作為分散劑，加入縮合中間體，強力攪拌形成O／W型乳狀液并使其充分溶解于水介質中后再加入氯化芐，升溫到80℃攪拌使其完全反應，冷卻后即為緩蝕劑樣品，其分子式如下：

1.3 HAC－S緩蝕劑性能評價方法

采用N80鋼為掛片材料，蒸餾水＋HTA＋NaCl溶液體系為試驗介質，周期24h，分別考察緩蝕劑加量、鹽水濃度、溫度和酸度對緩蝕效果的影響；并在指定條件下將HAC－S緩蝕劑（A）與市場上效果較好的3種酸性緩蝕劑（B、C、D）緩蝕效果對比。根據實際要求，室內模擬油田施工現場最苛刻的工礦條件，評價HAC－S緩蝕劑對地層水介質中3種鋼X52、L80、K55的緩蝕效果，試驗體系采用20%NaCl鹽水溶液，HAC－S緩蝕劑加量為2%，氣體分壓PCO2＝3.0MPa，PH2S＝0.4MPa。

全部試驗方法及數據處理參照石油天然氣行業標準SY／5273－2000中的靜態掛片失重法等。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑加量對緩蝕效果的影響

試驗用N80鋼按標準處理，試驗介質為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%NaCl，試驗溫度50℃，試驗周期24h，試驗結果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著緩蝕劑HAC－S濃度的增加，鋼片在酸性完井液中的腐蝕速率迅速減小，緩蝕效率增大；當HAC－S濃度超過0.2%之后，緩蝕效率隨HAC－S濃度增加而緩慢增加，HAC－S的濃度為1%時，腐蝕速率降低至0.1157mm／a，緩蝕效率達到98%。

2.2 鹽水濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%HAC－S，試驗溫度50℃，試驗周期24h，改變NaCl濃度，試驗結果如圖2所示。Cl－能破壞鋼片表面的腐蝕保護膜，從而使得腐蝕加劇。從圖2中可以明顯看出，隨著NaCl濃度的增加，N80鋼在酸性完井液中的腐蝕速率明顯加快。試驗中發現，NaCl濃度為1%時，腐蝕后的鋼片依然光亮，濃度為2%時僅掛繩接觸點處腐蝕，濃度超過3%以后出現明顯的腐蝕銹斑，超過5%以后銹斑覆蓋整個鋼片。

圖1 緩蝕劑加量對腐蝕速率的影響

圖2 鹽水濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

2.3 溫度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質為蒸餾水＋0.5%HTA＋1%HAC－S，在不同溫度下腐蝕24h后的結果見圖3。從圖3中可知，溫度升高會加速金屬的腐蝕，一般認為這是由于有機物分子在高溫下易分解失效而造成。當溫度為50℃時，腐蝕速率僅0.0090mm／a，腐蝕后的鋼片依然光亮；當溫度升高到70℃時，鋼片出現明顯的腐蝕銹斑；溫度80℃時腐蝕速率達到0.5124mm／a，腐蝕銹斑覆蓋整個鋼片。

圖3 溫度對HAC－S緩蝕效果的影響

2.4 酸濃度對HAC－S緩蝕效果的影響

試驗介質為蒸餾水＋1%NaCl，在不同酸濃度下腐蝕24h后的結果見表1。從表1可知，隨著完井液體系中HTA濃度的增加，鋼片的腐蝕速率明顯增大。鋼片的空白試驗結果也表明酸性完井液體系中的鋼片有不同程度的點蝕存在。

表1 酸濃度對HAC－S緩蝕效果的影響（腐蝕溫度：50℃）

3 緩蝕效果比較與評價

3.1 HAC－S與其他緩蝕劑緩蝕效果比較

加入HAC－S（A）和B、C、D這4種不同緩蝕劑的完井液體系中，N80鋼的腐蝕速率及緩蝕劑的緩蝕效果如圖4所示。由圖4可知，這4種緩蝕劑在酸性完井液體系中，均對鋼片表現出一定的緩蝕性能，其中緩蝕劑HAC－S能顯著降低鋼片的腐蝕速率，當HAC－S加量為1%時，緩蝕效果達到最佳，緩蝕速率為0.1157mm／a。

3.2 HAC－S緩蝕劑對各種管材在苛刻環境中的緩蝕效果評價

室內模擬現場腐蝕介質結果見表2。在H2S和CO2共存的20%鹽水溶液中，3種鋼材的腐蝕均極為嚴重，HAC－S在極端環境下對3種鋼材均有良好的緩蝕效果，且能將腐蝕速率控制在非常低的水平，70℃時由于原始腐蝕速率較低導致緩蝕率數值較小，但腐蝕速率的絕對值很低。試驗還發現，50℃時這3種鋼材的腐蝕速率極大，隨溫度升高腐蝕速率有所下降，表明3種鋼材的腐蝕敏感溫度可能在50℃附近。

圖4 不同緩蝕劑效果對比

表2 極端條件下HAC－S對不同鋼材的緩蝕效果

4 結論

1）酸性緩蝕劑HAC－S緩蝕效率隨緩蝕劑濃度加大而增大，溫度、酸度和NaCl鹽水濃度的升高會使緩蝕效率有所下降；與市場常用的酸性緩蝕劑相比，HAC－S緩蝕劑對N80鋼緩蝕效果更好。

2）在H2S和CO2共存的高濃度鹽水溶液中，HAC－S緩蝕劑對不同材質的鋼材仍表現出優異的緩蝕效果；在50℃到90℃的不同溫度下均能將腐蝕速率控制在極低水平，表明HAC－S緩蝕劑具有優良的現場應用價值。

［1］艾俊哲，邱小慶，梅平，等 .隱形酸完井液體系緩蝕劑評價研究 ［J］.化學與生物工程，2009，26（6）：76～78.

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［4］馬莉，王洪國 .酸性緩蝕劑的研究進展 ［J］.當代化工，2012，41（10）：1087～1089.

［5］艾俊哲，梅平，郭興蓬.NaCl水溶液中緩蝕劑控制電偶腐蝕的研究 ［J］.中國腐蝕與防護學報，2008，28（2）：90～94.