新型抗CO2緩蝕劑的開發及其在原油集輸管道中的應用

嚴長征

(中國石油新疆油田油氣儲運分公司，新疆克拉瑪依 834000)

隨著石油與天然氣資源的不斷勘探與開發，油氣資源的開采難度逐漸增大，需要采用更加高效的三次采油技術來提高油氣采收率，其中CO2驅提高采收率技術是一種比較常用的三次采油技術手段[1-3]。CO2注入地層中后，不可避免地會部分溶解于油水介質中，并隨著原油進入地面集輸管道中。CO2與水相接觸后會對集輸管道產生一定的腐蝕，尤其是在含水率較高的原油中，其腐蝕現象會更加嚴重[4-6]。因此，為減緩CO2對地面原油集輸管道的腐蝕問題，延長管道的使用壽命，需要有針對性地研究防腐蝕措施。

目前常用的防止CO2腐蝕的方法主要有使用耐CO2腐蝕材質的鋼材或者添加高性能緩蝕劑等措施。由于耐CO2腐蝕的管材通常價格都較為昂貴，無法大規模在油田進行推廣使用。而添加緩蝕劑防腐蝕技術由于操作簡單、防腐效果較好以及價格較低等優點，成為各大油田的首選防腐蝕措施[7-11]。筆者針對西部某油田含CO2原油集輸管道腐蝕現象嚴重的問題，通過室內試驗研制了一種新型抗CO2緩蝕劑KW-101，評價了含水率、溫度、流速以及CO2分壓對其緩蝕效率的影響，并在現場進行了成功應用。

1 試驗部分

1.1 主要試驗材料及儀器

不飽和脂肪酸(純度不小于99%)，濟南久瑞鑫化工有限公司；三乙烯四胺(純度不小于98%)，無錫市晶科化工有限公司；二甲苯、氯苯甲烷，分析純，湖北鑫潤德化工有限公司；非離子表面活性劑SYR-1(純度不小于95%)，實驗室自制；氮氣(純度不小于99.99%)、二氧化碳(純度不小于99.99%)，武漢萊迪特化工有限公司；試驗用流體為不同含水率的現場油水混合液。

三口燒瓶，天長市天滬分析儀器有限公司；RE-50L旋轉蒸發器，鄭州歐雷儀器設備有限公司；高溫高壓動態腐蝕反應釜，南通儀創試驗儀器有限公司。

1.2 新型抗CO2緩蝕劑的制備

將不飽和脂肪酸、三乙烯四胺和二甲苯按一定的比例加入到三口燒瓶中，通入氮氣，攪拌均勻后升高溫度至150 ℃左右，反應4～6 h后，繼續升高溫度至190 ℃左右，繼續反應5～8 h，反應過程中產生的水和二甲苯會形成共沸物被一起蒸出。此階段反應結束后將反應產物進行降溫至100 ℃左右，再按一定的比例加入氯苯甲烷，繼續反應2～4 h后得到咪唑啉型緩蝕劑，最后將反應產物與非離子表面活性劑SYR-1按質量比為1∶1進行混合即得新型抗CO2緩蝕劑產品KW-101。

1.3 緩蝕劑性能評價方法

室內按照石油天然氣行業標準 SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標及評價方法》，評價了新型抗CO2緩蝕劑KW-101的基本理化性能(pH值、水溶性、開口閃點和傾點)以及均勻緩蝕率(主要包括含水率、溫度、流速以及CO2分壓對緩蝕率的影響)。腐蝕試驗方法為掛片失重法，試驗儀器為高溫高壓動態腐蝕反應釜，試驗時間為7 d，緩蝕劑加量均為200 mg/L，試驗用鋼片使用現場集輸管道鋼打磨制成，材質為L360。其中均勻緩蝕率的計算公式如下：

式中：η表示均勻緩蝕率，%；Δm0表示空白試驗中鋼片的失重，g；Δm1表示加入緩蝕劑后試驗中鋼片的失重，g。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑基本理化性能

按照1.3中的試驗方法，評價了新型抗CO2緩蝕劑KW-101的基本理化性能，并與行業標準進行了對比，試驗結果見表1。

表1 緩蝕劑KW-101的基本理化性能

由表1可見：研制的新型抗CO2緩蝕劑KW-101的pH值、水溶性、開口閃點和傾點均能符合行業標準的要求。

2.2 含水率對緩蝕劑性能的影響

在試驗溫度為50 ℃、流速為3 m/s、CO2分壓為0.5 MPa條件下，評價了試驗流體不同含水率(w，下同)對緩蝕劑性能的影響，試驗結果見圖1。

圖1 含水率對緩蝕率的影響

由圖1可見：隨著試驗流體中含水率的升高，緩蝕劑的緩蝕效率逐漸下降，但降低幅度較小，當含水率為90%時，緩蝕率仍可以達到90%以上，說明研制的緩蝕劑KW-101性能較好。當試驗流體中含水率較低時，主要呈油包水狀態，油相可以阻止水相與金屬表面接觸，起到減緩腐蝕的作用，再加上緩蝕劑的作用，使腐蝕速率下降，緩蝕效率較高；而當含水率較高時，試驗流體主要呈水包油狀態，水相與金屬表面接觸導致腐蝕速率增大，使緩蝕劑的緩蝕效率有所下降。

2.3 溫度對緩蝕劑性能的影響

在試驗流體含水率為80%、流速為3 m/s、CO2分壓為0.5 MPa條件下，評價了不同試驗溫度對緩蝕劑性能的影響，試驗結果見圖2。

圖2 溫度對緩蝕率的影響

由圖2可見：隨著試驗溫度的不斷升高，緩蝕劑的緩蝕效率逐漸下降，當試驗溫度為100 ℃時，緩蝕率仍可以達到85%以上，說明研制的緩蝕劑KW-101具有良好的耐溫性能，能夠適應高溫環境下原油集輸的需求。當溫度較低時，緩蝕劑分子在金屬表面的吸附層較為緊密，使腐蝕速率降低，緩蝕效率較高；而當溫度升高時，緩蝕劑分子的運動加快，吸附在金屬表面的緩蝕劑分子層加速解離，使腐蝕速度有所增大，導致緩蝕效率下降。

2.4 流速對緩蝕劑性能的影響

在試驗溫度為50 ℃、流體含水率為80%、CO2分壓為0.5 MPa條件下，評價了不同流速對緩蝕劑性能的影響，試驗結果見圖3。

圖3 流速對緩蝕率的影響

由圖3可見：隨著流速的不斷增大，緩蝕劑的緩蝕效率逐漸下降，當流速達到6 m/s時，緩蝕率仍可以達到90%以上，說明研制的緩蝕劑KW-101能在較高流速的原油集輸管道中應用。流速的增大會阻礙緩蝕劑在金屬表面的吸附，使鋼片的腐蝕速率增大，緩蝕效果變差。

2.5 CO2分壓對緩蝕劑性能的影響

在試驗溫度為50 ℃、流體含水率為80%、流速為3 m/s條件下，評價了不同CO2分壓對緩蝕劑性能的影響，試驗結果見圖4。

圖4 CO2分壓對緩蝕率的影響

由圖4可見：隨著CO2分壓的不斷增大，緩蝕劑的緩蝕效率逐漸下降，當CO2分壓增大至1.5 MPa時，緩蝕率仍可以達到80%以上，能夠滿足行業標準SY/T 5273—2014中室內動態均勻緩蝕率不小于70%的要求，說明研制的緩蝕劑KW-101具有良好的抗CO2腐蝕的能力，能夠滿足含CO2原油集輸管道的防腐蝕要求。

綜合以上室內試驗結果可知，隨著含水率、溫度、流速和CO2分壓的增大，緩蝕劑KW-101的緩蝕效果均有所下降，但降低幅度較小，仍能達到良好的緩蝕效果。為驗證室內試驗結果的準確性，還需在現場原油集輸管道中開展進一步的試驗。

3 現場應用效果

將研制的新型抗CO2緩蝕劑KW-101在西部某油田含CO2原油集輸管道中進行了現場應用試驗，采用在集輸管道中放置掛片的方法來評價緩蝕效果，新型抗CO2緩蝕劑KW-101的加注濃度為200 mg/L，原油含水率達到82.6%，溫度為51 ℃，檢測720 h后鋼片的腐蝕速率為0.006 mm/a，鋼片表面光亮，沒有出現明顯的點蝕和坑蝕現象，說明新型抗CO2緩蝕劑KW-101的加入起到了良好的緩蝕效果。

4 結論

1)室內以不飽和脂肪酸、三乙烯四胺和氯苯甲烷為單體，以二甲苯為溶劑，合成了一種咪唑啉型緩蝕劑，并與非離子型表面活性劑進行復配研制出了一種新型抗CO2緩蝕劑KW-101。

2)依據標準評價了含水率、溫度、流速和CO2分壓對緩蝕劑KW-101緩蝕效率的影響，結果表明：隨著含水率、溫度、流速和CO2分壓的增大，緩蝕劑KW-101的緩蝕效率逐漸降低，當試驗溫度為50 ℃、流體含水率為80%、流速為3 m/s、CO2分壓為1.5 MPa時，緩蝕率仍可以達到80%以上，說明研制的緩蝕劑KW-101具有良好的緩蝕效果。

3)現場應用結果表明：在含CO2原油集輸管道中加注新型抗CO2緩蝕劑KW-101后，掛片的腐蝕速率低至0.006 mm/a，起到了良好的緩蝕效果，能夠滿足含CO2原油集輸管道防腐蝕的要求。