WC19－1N油田緩蝕劑的優選與緩蝕性能評價

李強，廖粵，方明新，孫愛平，華小芬

（中海油能源發展工程技術分公司，廣東 湛江 524000）

張曉霞

（中海石油 （中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

WC19－1N油田位于珠江口西部海域，根據現場ODP天然氣分析資料顯示，氣相組分CO2摩爾組分百分比為5.96%，CO2分壓為0.058～0.219MPa，可見現場環境含有高濃度的CO2，其不僅會引起鋼鐵嚴重的全面腐蝕而且會導致強烈的局部腐蝕，使得石油天然氣管道發生早期腐蝕而失效，造成巨大的經濟損失和嚴重的社會后果。另外，現場環境的高溫、高流速、高CO2分壓均使得系統的腐蝕進一步加劇，添加緩蝕劑是抑制CO2腐蝕的一種簡便、高效的方法。但緩蝕劑對腐蝕環境具有較強的針對性，必須根據實際工況環境對緩蝕劑進行優選［1－2］。室內采用失重法和電化學法對6種不同緩蝕劑進行了篩選和評價，并考察了緩蝕劑質量濃度、介質溫度以及現場藥劑對緩蝕劑緩蝕性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗條件

1）試驗溫度與CO2分壓的確定 根據投產后操作溫度顯示，WC19－1C平臺至WC19－1A平臺海管管道內最高溫度62℃，考慮到CO2腐蝕嚴重區域在70℃左右以及原 WC油田群的CO2含量在60～70%，因此確定緩蝕劑篩選CO2分壓范圍為1.88MPa，溫度為70℃。

2）腐蝕介質與藥劑 腐蝕介質為 WC19－1A／B油田產出水。評選的緩蝕劑主要有 HYG－5A、HYG－5B、BHH－32、BHH－35、BHH－20A、HY－21共6種緩蝕劑樣品。試驗試片為市售腐蝕試片，生產廠家為陽信森普科技有限公司，材質為X65。

1.2 評價方法

1）失重法測腐蝕速率和緩蝕率 按中華人民共和國石油天然氣行業標準SY／T5273－2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》，采用靜態掛片失重法與高溫高壓釜動態失重試驗，測定X65鋼的腐蝕速率Vcorr和緩蝕率η:

式中，Vcorr為均勻腐蝕速率，mm／a；m為試驗前的試片質量，g；mt為試驗后的試片質量，g；Sl為試片的總面積，cm2；t為試驗時間，h；ρ為試片的材料密度，g／cm3；η為緩蝕率，%；Δm0為空白試驗中試片的質量損失，g；Δm1為加緩蝕劑試驗中試片的質量損失，g。

2）鋼片表面狀態分析 采用Quanta200環境掃描電子顯微鏡 （ESEM）對失重試驗后的X65鋼片表面進行微觀分析。設定掃描電子顯微鏡加速電壓為30kV，選擇放大倍數為500倍進行掃描。

3）電化學方法 電化學測試采用CS350電化學工作站，參比電極為飽和甘汞 （SCE）電極，輔助電極為鉑黑電極，工作電極為環氧樹脂封裝的圓柱體X65電極，工作面積為1cm2。試驗溫度為70℃，電位掃描由陰極向陽極進行，掃描范圍相對開路電位±100mV，掃描速率0.1mV／s，數據記錄由計算機自動完成。

2 結果與討論

2.1 靜態失重結果與討論

試驗條件為飽和的CO2模擬 WC19－1A／B水樣，鋼片為X65鋼，溫度70℃，時間24h，緩蝕劑添加量50mg／L，試驗結果見表1。從表1中的數據來看，空白腐蝕速率為0.3509mm／a，腐蝕較大，6種緩蝕劑添加量為50mg／L時，均有一定的緩蝕效果，其中HGY－5A 和 HGY－5B緩蝕劑緩蝕率大于90%，效果較好。

2.2 動態失重結果與討論

在溫度為70℃，流速為2m／s，總壓為3.13MPa，CO2分壓為1.88MPa，試片為X65鋼，緩蝕劑添加量50mg／L，對緩蝕劑BHH－32、 BHH－35、 BHH－20A、 HY－21、HGY－5B、HGY－5A進行了動態失重測試評價。根據表2結果可以看出，在緩蝕劑濃度為50mg／L時，緩蝕劑 HGY－5A 與 HGY－5B的緩蝕性能顯著優于其他緩蝕劑，鋼片的腐蝕速度均不超過0.076mm／a。

表1 緩蝕劑常溫常壓條件靜態試驗結果

表2 緩蝕劑高溫高壓條件動態試驗結果

2.3 掃描電鏡測試結果與討論

對在高溫高壓動態失重后的X65鋼片進行掃描電鏡分析，如圖1所示。由圖1可知，未加緩蝕劑的鋼片表面有大量腐蝕產物生產，附著在鋼材的表面，添加了緩蝕劑HBB－32、HBB－20A、HBB－35、RY－21的鋼材表面，具有較多的腐蝕產物，鋼材表面有龜裂痕與腐蝕坑，而緩蝕劑HGY－5A與HGY－5B緩蝕劑對鋼片起到一定的防護作用，未發現有明顯的腐蝕產物與開裂現象，表面為鋼材基體機械加工劃痕。

2.4 極化曲線結果與分析

在70℃下對緩蝕劑BHH－32、BHH－35、BHH－20A、HY－21、HGY－5A、HGY－5B進行極化曲線測試，如圖2所示，擬合參數見表3，其中ba為陽極塔菲爾斜率，bc為陰極塔菲爾斜率，Ecorr為開路電位，Icorr為自腐蝕電流密度，V為腐蝕速度，η′為緩蝕效率:

式中，Icorr和I′corr分別為金屬在空白溶液中與添加了緩蝕劑的腐蝕介質中的腐蝕電流密度。

從極化曲線及擬合結果可以清楚地看出，加入緩蝕劑后，電極的自腐蝕電位顯著正移，這表明幾種緩蝕劑均為陽極抑制型緩蝕劑。在陽極區域，可以明顯觀察到BHH－35緩蝕劑及HGY－5B緩蝕劑的脫附現象。另外，電極在空白溶液中的極化曲線陰極區域出現了電流平臺，該平臺對應于CO2形成碳酸的水合過程，表明腐蝕反應受CO2水合過程控制。但是添加緩蝕劑后，該電流平臺消失了，這是由于緩蝕劑顯著抑制了腐蝕的電化學過程，使得CO2形成碳酸的水合過程不再是腐蝕反應的控制過程［3－5］。極化曲線得出的緩蝕性能結果與掛片結果相符。

表3 X65在空白溶液及添加了50／mg·L－1不同緩蝕劑溶液中的極化曲線擬合結果

2.5 緩蝕劑性能評價

結合以上結果，優選出緩蝕劑HGY－5A與 HGY－5B，并評價緩蝕劑濃度、溫度以及現場的藥劑對以上2種緩蝕劑的緩蝕性能的影響。

1）緩蝕劑質量濃度對緩蝕性能的影響 通過動態失重試驗評價了在不同添加濃度下，緩蝕劑 HGY－5A和HGY－5B的緩蝕性能，結果見表4。表4失重結果表明，隨著緩蝕劑濃度的增加腐蝕速度在逐漸減小，當緩蝕劑 HGY－5A 和 HGY－5B添加濃度為50mg／L時，X65鋼片的腐蝕速度均不超過0.0760mm／a。

2）溫度對緩蝕劑的緩蝕性能的影響 通過動態失重試驗評價了溫度對緩蝕劑HGY－5A和HGY－5B的緩蝕性能的影響，結果見表5。由表5可知，隨著溫度的升高，添加2種緩蝕劑后得試片腐蝕速度逐漸下降，這可能是由于隨著溫度的升高，碳鋼表面形成的產物膜更完整，緩蝕劑與腐蝕產物具有更好的協同效果，形成保護性更強的保護膜，從而降低了腐蝕速率。

3）現場藥劑對緩蝕劑緩蝕性能影響 針對現場實際情況，采用靜態掛片，考察清水劑、阻垢劑、破乳劑對緩蝕劑 HGY－5A、HGY－5B的緩蝕性能影響，結果見表6。從評價結果可以得知，當介質中存在清水劑、阻垢劑、破乳劑時，緩蝕劑HGY－5A與HGY－5B的緩蝕性能得到一定的增強。加入阻垢劑后，抑制了垢在金屬表面的形成，從而避免的垢下腐蝕的產生，同時由于金屬表面沒有垢的存在，使得緩蝕劑更容易在金屬表面發生吸附，從而更好地發揮緩蝕效果。清水劑、破乳劑能夠協同緩蝕劑產生吸附，使得緩蝕膜更致密，因而緩蝕效率更高。

圖2 X65在空白溶液及添加了50mg／L不同緩蝕劑溶液中的極化曲線

表4 添加不同濃度HGY－5A和HGY－5B緩蝕劑后X65鋼的緩蝕性能

表5 不同溫度下緩蝕劑的緩蝕性能

表6 現場各種藥劑對HGY－5A、HGY－5B的緩蝕性能影響

3 結論

1）靜態掛片與動態高壓釜測試表明，緩蝕劑 HGY－5A與HGY－5B的緩蝕性能顯著優于其他緩蝕劑。

2）掃描電鏡結果顯示，加入緩蝕劑后X65鋼片表面比較光滑，未發現有明顯的腐蝕產物與開裂現象，HGY－5A與HGY－5B能有效的阻止飽和CO2對X65鋼的腐蝕。

3）極化曲線及擬合結果表明，這幾種緩蝕劑均為陽極抑制型緩蝕劑。緩蝕劑HGY－5A與HGY－5B顯著抑制了CO2形成碳酸的水合過程。極化曲線得出的緩蝕性能結果也與掛片結果相符。

4）通過掛片失重法試驗，確定緩蝕劑HGY－5A與HGY－5B的最佳加注濃度為50mg／L，緩蝕效率能達到90%以上；同時其具有良好的抗溫性，能與現場使用的破乳劑、清水劑和阻垢劑產生協同效應，緩蝕性能得到進一步的增強。

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