油田高溫酸化緩蝕劑研究進展

崔福員，桑軍元，王云云，張帥，楊彬，李文杰

（1.中國石油渤海鉆探工程技術研究院，天津300280；2.中國石油渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘062550）

油田高溫酸化緩蝕劑研究進展

崔福員1，桑軍元2，王云云1，張帥2，楊彬1，李文杰1

（1.中國石油渤海鉆探工程技術研究院，天津300280；2.中國石油渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘062550）

本文闡述了酸化用緩蝕劑的作用機理以及性能評價方法，綜述了當前國內外油田高溫酸化緩蝕劑的研究現狀。高溫酸化緩蝕劑主要由緩蝕主劑、表面活性劑、緩蝕增效劑、有機溶劑等成分組成，耐溫等級可以達到150℃以上。今后緩蝕劑發展方向主要是對緩蝕劑作用機理、復配協同機理的研究以及高效、低毒、環境友好型高溫緩蝕劑。

酸化；緩蝕劑；機理；研究現狀

酸化施工中高濃度的酸液會對設備及地下管線造成嚴重腐蝕，為降低腐蝕，最常用且有效的方法是向酸液中添加緩蝕劑，具有用量少、工藝簡便、成本低廉、適用性強的特點，是一種經濟實用的金屬防護措施。根據形成保護膜的特征，緩蝕劑可以分為氧化膜型、沉淀膜型和吸附膜型三種類型。在酸性環境中大多數沉淀膜與氧化膜易于溶解，不能有效地起到緩蝕作用，因此酸化施工中主要以吸附膜型緩蝕劑為主。隨著油田開發技術的不斷深入，深井、超深井的數量逐漸增加，對緩蝕劑的性能要求也越來越高，耐溫150℃甚至更高溫度緩蝕劑也隨之問世，為更好服務于油氣田酸化施工，提高緩蝕劑耐溫等級，有必要對緩蝕劑機理以及高溫緩蝕劑研究進展進行總結。

吸附型緩蝕劑必然在金屬表面發生吸附過程，只有具備吸附競爭能力的組分才能發揮有效的緩蝕作用。因此可以從改善物質吸附能力角度提高緩蝕劑性能。吸附方式分為化學吸附和物理吸附［1］。鐵元素含有未占滿電子的d軌道，因此，能向金屬d軌道提供電子，又能用反鍵軌道接受金屬電子形成穩定反饋鍵的物質易于與鐵原子形成化學吸附，如含有孤對電子元素（N、O、P、S）的物質，它們可與鐵表面原子形成共價鍵，吸附型緩蝕劑多為此類物質。目前有很多研究工作圍繞如何在金屬表面形成致密穩定的吸附膜展開，吸附膜的穩定性主要受到吸附物質結構、吸附密度、溶液離子強度以及介質影響［2］。性能較好的吸附物質應該由吸附基團和疏水基團兩部分組成，吸附基團由-SO3H、-SH、=NOH、-NH、C=O、-OH、-NH2、-COOH和-PO（OH）2等含有N、O、P、S等元素的基團構成，疏水基團為長鏈烷烴并含有短側鏈（如芳香烴基或環烷基）的多核基團，這樣的結構可以在金屬界面形成緊密排列的吸附膜且由于吸附基團以及吸附物質分子間相互作用力的作用，吸附膜具有較強附著力［3，4］。

1　緩蝕機理研究

緩蝕劑作用機理的研究可追溯到20世紀初，近幾年，這方面的研究更是引起了廣大腐蝕科學工作者的重視。1972年Fischer提出了界面抑制機理、電解雙層抑制機理、膜抑制機理及鈍化機理。但由于金屬腐蝕和緩蝕過程的復雜性以及緩蝕劑的多樣性，難以用同一種理論解釋各種各樣緩蝕劑的作用機理。當前緩蝕作用理論主要包括：（1）成相膜理論；（2）吸附膜理論；（3）電化學理論［5］；（4）量子化學理論［6，7］；（5）軟硬酸堿理論（HSAB）［8］。

其中，軟硬酸堿理論在緩蝕劑的選配中具有一定指導意義，1963年美國化學家Pearson將酸堿分別劃分為硬、軟、交界等。HSAB理論原理是“硬親硬，軟親軟，軟硬結合不穩定，軟硬交界就不管”。鐵原子不易得電子被認為是軟酸，如果緩蝕劑為軟堿，供電性不強，則兩者容易相互作用，緩蝕劑會很容易吸附在金屬表面上，形成配位共價鍵起到緩蝕作用。當腐蝕產物為高價鐵時，易得電子屬于強酸，可配以適當的硬堿物質如含氧原子的基團形成沉淀膜，覆蓋金屬表面。當溶液中出現二價鐵離子時可加入過渡堿配位，如果選擇適當的官能團還會和金屬表面原子結合，提高緩蝕效果。在酸性溶液中，同時存在軟酸Fe原子、過渡酸Fe2+以及氯離子，其中氯離子離子半徑小、溶劑化低、穿透能力強屬于軟堿，容易與金屬表面配位，在裸露的金屬表面它們可以與緩蝕劑產生協同作用，提高緩蝕劑靜電吸附能力，但在覆蓋膜表面也存在造成點蝕的危害［9］。因此選用單一組分緩蝕劑很難起到很好的緩蝕效果，應采用復配型多組分緩蝕劑。

2　緩蝕評價方法

研究緩蝕劑吸附、緩蝕作用的方法很多，依據的不同原理大致分為化學分析法、電化學方法以及譜學方法。目前評價緩蝕劑性能的最基本方法就是失重法，作為一種原始的化學分析法，雖然獲取的信息有限，但也為緩蝕劑性能評價及其他研究方法提供可靠性的判據［10］；電化學方法主要針對緩蝕劑與相應的電化學參數（如腐蝕電位、腐蝕電流密度、極化電阻及界面電容等）之間關系展開的，是目前緩蝕劑研究的主流方法。如電毛細管法、充電曲線法、交流阻抗法、電化學阻抗譜、循環伏安法等；現代各種譜學方法則可以表征金屬表面吸附膜的狀況與結構，從而判斷緩蝕劑緩蝕作用過程和機理。如XPS、紅外光譜、石英晶體微天平（QCM）、表面等離子共振（SPR）、STM、SEM等，近來出現微量量熱法，也取得了較好的效果。

3　高溫酸化緩蝕劑

吸附膜型緩蝕劑主要包括有機胺類、脂肪族羧酸和羥基羧酸等［11］，羧酸類緩蝕劑主要應用于中性水介質中鋼鐵保護，只有在中性或是堿性條件下羧酸基團才能形成陰離子與金屬或金屬氧化物表面陽離子形成離子鍵，在金屬表面形成穩定的高價鐵的配合物膜，有效地抑制鋼鐵的腐蝕。而在酸性液中，羧酸的羧基不電離，無法實現緩蝕作用。因此酸化用緩蝕劑大多數為有機胺類。當前高溫酸化緩蝕劑主要由緩蝕主劑、表面活性劑、緩蝕增效劑、有機溶劑等成分組成。緩蝕主劑一般為醛酮胺縮合物或其季銨鹽［12-16］、吡啶/喹啉、咪唑啉及其衍生物等［17，18］，主要是一類具有苯環或雜環、季銨鹽等特征的化合物。苯環和雜環中的大π鍵可以通過極化吸附在鐵表面形成疏水保護膜，溶液中存在的陰離子如Cl-可與鐵原子形成特性吸附，使其表面帶有負電荷，季銨鹽可在負電性金屬表面形成靜電吸附提高吸附膜的吸附強度以及完整性。緩蝕劑中添加的表面活性劑多為酸溶性非離子表面活性劑，如平平加、磺化醚、辛基酚聚氧乙烯醚等，表面活性劑可大大降低表面張力，與緩蝕劑吸附膜起到協同作用，提高緩蝕效果［19］。為提高緩蝕劑耐溫等級，緩蝕劑中常添加緩蝕增效劑，主要為丙炔醇、甲酰胺、金屬碘化物、三氧化二銻等。丙炔醇、甲酰胺主要利用分子中π電子吸附在緩蝕劑主劑之間縫隙中，形成完整致密的吸附膜。碘離子主要通過與鐵原子的特性吸附作用與金屬表面配位，提高緩蝕劑主劑特別是陽離子型緩蝕劑的吸附能力。三氧化二銻等金屬氧化物可在酸中生成沉淀膜與有機緩蝕劑協同作用，如國內四川天研所開發出的CTI-5型銻化物緩蝕增效劑，與CTI-3緩蝕劑以及一些表面活性劑復配，使用溫度可達200℃［20］。當前國內外耐溫達到150℃以上的緩蝕劑以及增效劑多達50余種［21］。油田用耐溫150℃以上緩蝕劑研究情況（見表1，表2）。

表1　國內外高溫酸化緩蝕劑一覽表（Ⅰ）Tab.1 High-temperature acidification corrosion inhibitors in the domestic and overseas（Ⅰ）

表2　國內外高溫酸化緩蝕劑一覽表（Ⅱ）Tab.2 High-temperature acidification corrosion inhibitors in the domestic and overseas（Ⅱ）

4　緩蝕劑發展趨勢

結合當前油田高溫酸化緩蝕劑的發展，可以得出未來緩蝕劑的發展趨勢為：（1）減少使用對環境污染較大成分，發展環境友好型緩蝕劑；（2）完善緩蝕劑理論工作，做好與其他相關學科的交叉合作，指導緩蝕劑結構設計；（3）研究緩蝕劑復配協同機理；（4）發展緩蝕劑新型測試方法。

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Advance of oilfield high-temperature acidification corrosion inhibitors

CUI Fuyuan1，SANG Junyuan2，WANG Yunyun1，ZHANG Shuai2，YANG Bin1，LI Wenjie1
（1.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China；2.No.4 Drilling Engineering Company，BHDC，Renqiu Hebei 062550，China）

The research advance，mechanism research and performance evaluation of corrosion inhibitors used in oilfield were summarized，especially for high-temperature acidizing. High-temperature acidification corrosion inhibitors consist mainly of corrosion inhibitor，surfactant，synergist and organic solvent.It can withstand temperatures in excess of 150℃.The mechanism，synergistic effect and environmental-friendly inhibitors of low-toxic，high-efficient are the direction of future research on corrosion inhibitors.

acidification；corrosion inhibitors；mechanism；research

TE254.4

A

1673-5285（2016）10-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.001

2016－08-06

崔福員，男（1985-），工程師，碩士，現從事油田增產措施研究工作，郵箱：cuifuyuan-ok@163.com。