煤層氣井酸洗中聚天冬氨酸的緩蝕效果研究

蓋潔超，張 勝，吳 鵬

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.天津大港油田濱港集團博弘石油化工有限公司，天津 300270）

在山西沁水盆地煤層氣的開采過程中，氣井井下設(shè)備結(jié)垢現(xiàn)象嚴重并存在垢下局部腐蝕，反復檢泵作業(yè)嚴重影響到了氣井的正常生產(chǎn)[1]。為解決這個問題需進行針對性的酸洗除垢、防垢等工藝。針對現(xiàn)場所取垢樣采用失重法篩選出質(zhì)量分數(shù)為18%的鹽酸作為酸洗除垢的主劑，添加酸洗緩蝕劑來緩解鹽酸對于井下設(shè)備的腐蝕。

隨著人們?nèi)找嬖黾拥沫h(huán)保意識，綠色無毒無害的緩蝕劑成為了國內(nèi)外各行業(yè)的首選。聚天冬氨酸作為一種氨基酸類聚合物，對金屬離子有著極強的螯合能力，并且無毒、不含磷，可降解為無害的氨、水和二氧化碳，具有一定的緩蝕阻垢能力[2]。聚天冬氨酸常被用作水處理劑，同時在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥方面有著巨大的貢獻[3]。但關(guān)于其作為金屬緩蝕劑在酸性腐蝕介質(zhì)下的研究比較少，在2004年，李春梅等[4]通過電化學阻抗譜法在鹽酸環(huán)境下對其緩蝕性能進行了測試。筆者主要通過靜態(tài)掛片實驗來探究聚天冬氨酸在質(zhì)量分數(shù)為18%的鹽酸中的緩蝕能力，對前人的想法加以驗證，同時通過與其他試劑的復配對其緩蝕性能加以提高，從而探究聚天冬氨酸是否可以作為綠色酸洗緩蝕劑應(yīng)用于煤層氣酸洗除垢工藝上。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗主要材料：N80標準掛片，尺寸為50 mm×10 mm×3 mm；聚天冬氨酸，山東遠聯(lián)化工股份有限公司；D-葡萄糖酸鈉，十二烷基硫酸鈉（表面活性劑），硅酸鈉，烏洛托品，尿素，鐵離子穩(wěn)定劑（實驗室自配），36%～38%（質(zhì)量分數(shù)）濃鹽酸，0.5 mol/L的氫氧化鈉溶液，石油醚，無水乙醇，脫脂棉（以上試劑均采購自當?shù)鼗x器商店）。

實驗主要儀器：FA2004電子分析天平；101-1型電熱鼓風干燥箱；游標卡尺、100 mL具塞試管、試管架、燒杯、玻璃棒、濾紙。

1.2 實驗方法

本文所涉及的實驗方法均是遵循我國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》中的要求處理掛片，并進行緩蝕劑性能的測試[5]。采取靜態(tài)掛片法來測定N80鋼的腐蝕速度。實驗的掛片為N80標準掛片，配制質(zhì)量分數(shù)為18%的鹽酸作為腐蝕介質(zhì)，依照現(xiàn)場井下的實際溫度選取實驗溫度為50℃，周期為7 d。

1.2.1 緩蝕掛片處理 掛片需經(jīng)過金相砂紙磨光毛刺，待其表面光滑無缺陷后方可使用。用刷子將打磨好的掛片在石油醚中刷洗掉油污，放入無水乙醇中浸泡1 min～5 min后晾干，包裹防銹紙放在干燥器中24 h后稱重，記錄初始質(zhì)量[6]。

做完實驗后的掛片應(yīng)當立即用大量水沖洗，如腐蝕面積不大，可用橡皮擦去腐蝕產(chǎn)物后將其放入無水乙醇中，用脫脂棉擦洗干凈。干燥后稱得實驗后的質(zhì)量。

1.2.2 緩蝕性能測定 針對聚天冬氨酸和其他藥劑分別做了在同一濃度下的掛片實驗，緩蝕劑的加入量為1.0%，并觀察實驗現(xiàn)象。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)盡管聚天冬氨酸在鹽酸體系中具有較好的緩蝕效果，但仍達不到現(xiàn)場所需的緩蝕要求，故選擇聚天冬氨酸與其他試劑復配，并篩選出最優(yōu)配比。

1.2.3 緩蝕結(jié)果計算 根據(jù)失重法，腐蝕速率的計算方法根據(jù)如下公式：

式中：V－腐蝕速度，g/（m2·h）；Δm－掛片腐蝕前后的質(zhì)量差值，g；A0-掛片的表面積，m2；t－腐蝕時間，h。

緩蝕率的計算方法根據(jù)如下公式：

式中：η-藥劑對掛片的緩蝕效率；V0-空白實驗的緩蝕速度，g/（m2·h）；V1-加入緩蝕藥劑情況下的緩蝕速度，g/（m2·h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同緩蝕劑篩選

實驗條件：腐蝕介質(zhì)：質(zhì)量分數(shù)18%的鹽酸，材質(zhì)：N80鋼掛片，溫度：50℃，腐蝕周期：7 d，保持實驗條件不變的前提下，進行不同試劑的篩選，得出結(jié)果（見表1）。

表1 不同緩蝕劑篩選結(jié)果

由表1可知：聚天冬氨酸在鹽酸介質(zhì)下，表現(xiàn)出了較好的緩蝕性能，與常用緩蝕劑烏洛托品的緩蝕性能相當。碘化鉀在酸性介質(zhì)中緩蝕性能最高，但由于其價格昂貴，且如果不注意用量會有點蝕的現(xiàn)象發(fā)生?？紤]到聚天冬氨酸作為綠色可降解這一特點，與煤層氣開采現(xiàn)場的需求相結(jié)合，故選擇聚天冬氨酸與其他緩蝕劑復配，并加以鐵離子穩(wěn)定劑，表面活性劑，對其緩蝕性能進一步測定。

表2 緩蝕劑復配的評測結(jié)果

2.2 試劑復配的評測結(jié)果

實驗條件：腐蝕介質(zhì)：質(zhì)量分數(shù)18%的鹽酸，材質(zhì)：N80 鋼掛片，溫度：50 ℃，腐蝕周期：7 d（見表2）。

由表2可知，當聚天冬氨酸與其他試劑復配時，與其中一些并沒有產(chǎn)生很好的協(xié)同作用比如十二烷基硫酸鈉、硅酸鈉等，甚至低于其獨自使用時的緩蝕效果。挑選出葡萄糖酸鈉、烏洛托品進行初期復配，其緩蝕率達到了87.09%，但表面不夠光滑，有輕微的鈍澀感。考慮到尿素對于鋼鐵有緩蝕作用并同時有增光作用，遂在配方中加入尿素，緩蝕率達到了88.06%，表面較之前變得相對光滑。加入鐵離子穩(wěn)定劑后，緩蝕率升高到91.74%，表面光滑無點蝕。在該體系中聚天冬氨酸具有可降解綠色環(huán)保的特點，葡萄糖酸鈉等藥劑對環(huán)境也相對環(huán)保，符合當下可持續(xù)發(fā)展的要求，且實驗證明聚天冬氨酸不僅僅適用于水處理緩蝕阻垢方面，在酸洗過程中產(chǎn)生的緩蝕作用亦不容小覷。

3 結(jié)論

通過靜態(tài)掛片實驗顯示聚天冬氨酸在質(zhì)量分數(shù)為18%的鹽酸中的緩蝕效率為83.11%，驗證了前人運用電化學阻抗譜法所得出的結(jié)果。證明了聚天冬氨酸在以鹽酸為緩蝕介質(zhì)的情況下具有一定的緩蝕作用。

通過與烏洛托品、葡萄糖酸鈉、尿素復配并加以適當?shù)蔫F離子穩(wěn)定劑，其緩蝕效率得到了明顯的提高，說明聚天冬氨酸可以通過試劑間的復配作為一種適合于煤層氣的綠色環(huán)保型酸洗緩蝕劑，但在其緩蝕機理方面還需要加以進一步的探究。