氟碳咪唑啉季銨鹽在油田采出液中對N80鋼緩蝕性能研究

黃瑾，侯雯雯，李延生，白福財，陳君，李芬芬

(1.陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054；2.陜西省石油精細化學品重點實驗室，陜西 西安 710054；3.延長油田股份有限公司杏子川采油廠，陜西 延安 717400)

油田采出液往往含有Ca2+、Mg2+、S2-、Cl-、H2S、CO2、SRB硫酸鹽還原菌等多種化學物質，這些物質對采集輸設備有很大的腐蝕性[1]，使設備服役年限縮短，嚴重會引發事故。咪唑啉緩蝕劑具有化學穩定性、抗靜電性、低毒、易降解，特別是在油水介質、強酸介質中對金屬具有良好的憎水憎油效果和選擇吸附效果，是一種性能優異的緩蝕劑[2-9]，近些年被廣泛應用。

本文針對油田采出水的腐蝕介質及性能研究，合成一種具有氟碳咪唑啉季銨鹽，同時具有氟碳烷基表面活性劑和咪唑啉陽離子表面活性劑的特點，解決油田采出水對N80鋼的腐蝕性，提高設備壽命，減少經濟成本[10-14]。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

全氟辛酸(質量含量≥90%)、二乙烯三胺(質量含量≥99%)均為工業品；石油醚、無水乙醇均為分析純；腐蝕標準試片(材質N80，尺寸50 mm×1 mm×10 mm)；水磨砂紙(400#、600#)。

MS204S分析天平；V70型紅外光譜儀；TSQ型液質聯用儀；Reference 3000型電化學工作站。

1.2 氟碳咪唑啉季銨鹽的合成

二乙烯三胺和全氟辛酸摩爾比為1∶1加入四口燒瓶內，分別插上溫度計、冷凝管、攪拌棒，加入適量二甲苯和催化劑，回流脫水反應9 h。利用真空蒸餾法脫出二甲苯和水，加入摩爾比1∶1的氯化芐，在100 ℃ 左右反應6 h，得到全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉季銨鹽。反應式如下：

用紅外光譜儀(FTIR)、質譜確定其結構，氟碳咪唑啉季銨鹽含量用亞甲基藍兩相滴定法測定。

1.3 緩蝕率測試

1.3.1 靜態失重法 參照(SY/T 5273—2000)油田采出水用緩蝕劑性能評價方法。用不同規格的水砂紙對試片進行打磨拋光處理，用石油醚和無水乙醇去除表面油脂，最后用蒸餾水洗凈后干燥。將N80試片浸泡在油田采出液中7 d，溫度30～70 ℃。取出試片，去除表面腐蝕產物，干燥稱重，計算腐蝕速率。

(1)

式中V——平均腐蝕速度，mm/a；

W——試片實驗前重量，g；

W1——試片實驗后重量，g；

S——試片表面積，cm2；

t——實驗時間，d；

ρ——試片材質密度，g/cm3。

1.3.2 電化學法 電化學工作站，采用傳統的三電極體系進行測量，工作電極、參考電極和輔助電極分別是N80鋼、石墨電極和鉑片，工作電極用環氧樹脂嵌封，工作面積100 mm2。電極掃描速率1 mV/s，電位掃描范圍為±0.6 V；電化學阻抗譜掃描范圍為100 kHz～10 MHz，交流激勵信號幅值為10 mV。

1.4 分析方法

在氟碳咪唑啉季銨鹽溶液中加入酸性亞甲基藍溶液和氯仿，用十二烷基硫酸鈉標準溶液滴定，直至氯仿層與水層顯示相同的藍色。

氟碳咪唑啉季銨鹽含量=

[(A-B)×C×M×10/W]×100% (2)

式中A——試樣消耗的十二烷基硫酸鈉標準溶液用量，mL；

B——空白實驗消耗的十二烷基硫酸鈉標準溶液用量，mL；

C——十二烷基硫酸鈉標準溶液濃度，mol/L；

M——氟碳咪唑啉季銨鹽的分子量；

W——試樣量，g。

經上式計算，全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉季銨鹽的含量為85.46%。

2 結果與討論

2.1 合成物的結構

圖1為合成產物紅外光譜。

圖1 合成產物紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of the synthesized product

全氟庚基-N-氨乙基咪唑啉的理論分子量481。

由圖2可知，該化合物中含有 —CH2—NH2基團，在質譜中很難出現分子峰，一般以M+1峰出現，即482峰。其中42，56，69，85，99，112為咪唑啉基團結構的特征碎片峰；440為M-·CH-CH2-N∶。根據以上分析，該化合物的質譜特征及分子量與理論相吻合。

圖2 合成產物質譜圖Fig.2 Spectrum of synthetic products

2.2 合成物的緩蝕性能

2.2.1 靜態失重法 在30～70 ℃ 時，靜態失重法測定的不同濃度氟碳咪唑啉季銨鹽在油井采出液中對N80鋼的緩蝕性能，結果見表1和圖3。

表1 不同濃度氟碳咪唑啉季銨鹽在油井采出溶液中對N80鋼的緩蝕性能Table 1 Corrosion inhibition properties offluorocarbon imidazoline quaternary ammoniumsalt at different concentrations on N80 steelin oil well produced solution

圖3 不同濃度氟碳咪唑啉季銨鹽在油井采出液中對N80鋼的緩蝕率Fig.3 Corrosion inhibition rate of fluorocarbonimidazoline quaternary ammonium salt at differentconcentrations on N80 steel in oil well production fluid

由表1和圖3可知，同一種溫度下，隨著季銨鹽濃度的增大，N80鋼的腐蝕速率下降，說明氟碳咪唑啉季銨鹽覆蓋在金屬表面，成了穩定的保護膜，能有效抑制金屬的腐蝕；隨著溫度的升高，緩蝕劑性能略有下降，主要是因為氟碳咪唑啉季銨鹽物理吸附受溫度影響，發生緩蝕劑少量的脫附，但是大多數是與金屬表面通過化學吸附結合，所以性能受溫度影響較小。

2.2.2 極化曲線 N80鋼在添加氟碳咪唑啉季銨鹽前后的極化曲線見圖4，擬合電化學參數見表2。

圖4 N80鋼在添加氟碳咪唑啉季銨鹽前后的極化曲線Fig.4 Polarization curves of N80 steel before and afterfluorocarbon imidazoline quaternary ammonium salt was added

表2 擬合極化曲線結果Table 2 Results of polarization curve fitting

注：塔菲爾斜率指電位變化值比上電流對數的變化值。

由圖4和表2可知，氟碳咪唑啉季銨鹽對N80有很強的緩蝕作用，添加氟碳咪唑啉季銨鹽后，體系自腐蝕電流密度Jcorr由280 μA/cm2減少到20.8 μA/cm2，體系的自腐蝕電位(Ecorr)由-658 mV增大到-600.1 mV，腐蝕電位正移幅度>30 mV，說明氟碳咪唑啉季銨鹽屬于陽離子緩蝕劑。

3 結論

(1)靜態實驗表明，當氟碳咪唑啉季銨鹽質量濃度≥50 mg/L時，在30～70 ℃其腐蝕速率<0.419 8 mm/a，且試片外觀光亮，無片蝕和條蝕現象，均勻腐蝕，對N80鋼的緩蝕率>90%。

(2)極化曲線表明，在油田采出水中，氟碳咪唑啉季銨鹽屬于陽離子型緩蝕劑。