一種新型固體緩蝕劑的緩蝕性能評價

中國大部分油田的開發和生產都采用了注水開發。從經濟和水資源角度考慮,油田用水難以采用優質水,大多數為地表水、油層產出水和海水,甚至使用工業廢水。由于地質結構不同,油田采出水的水質存在著較大差異,因水中溶解的氣體和礦物質不同,不同水質會給油井和集輸系統帶來嚴重的腐蝕問題。油田最常用的防腐蝕方法之一是使用緩蝕劑。目前,我國油田現場用的緩蝕劑以液體為主。對于液體緩蝕劑雖然投注工藝簡單,但是存在間歇注入加藥不均勻、液體緩蝕劑在油管壁上易粘附、緩蝕劑耗量大、投加工作量大和效果不穩定等缺點。而且由于介質的變化,緩蝕劑的補充量也不易控制。對于一些產水量較大的井、高水位井、邊遠井及加有封隔器的井,液態緩蝕劑的使用存在一些不便。因此從研制液體緩蝕劑入手,選擇適當的藥劑、載體和制備工藝,將其制成固體緩蝕劑,加工成棒狀、球狀或粒狀,使其在污水中緩慢均勻地溶解或釋放,從而達到長效緩蝕的目的。1由固體緩沖劑制成1.1膦甲基化改性咪唑啉衍生物母體緩蝕劑為咪唑啉的衍生物。將有機酸和多乙烯多胺按一定的配比加入帶有溫度計、分水器、攪拌器和冷凝柱的四口燒瓶中,加入適量的二甲苯做攜水劑,在120～150℃之間反應2h,從150℃開始采用“階梯升溫法”緩慢升溫至200～240℃,維持該溫度反應3h,完成酰胺化、環化反應。為了提高咪唑啉的水溶性進而增強其緩蝕效果,對合成的咪唑啉進行了膦甲基化改性。將合成的咪唑啉化合物與甲醛、亞磷酸等在一定的條件下反應,生成兼具有緩蝕阻垢雙重功能的膦甲基化改性咪唑啉衍生物。產物為粘稠物,不經提純直接用于緩蝕性能評價及固體緩蝕劑的制備。1.2復配型緩蝕劑的研制固體緩蝕劑的制備采用膠結粘合法。為了提高緩蝕效果,并有助于成型,篩選出幾種增效劑,增效劑的選擇考慮了殺菌、除氧等效果;為了使固體緩蝕劑具有較高密度,以防止上浮和減少裝載的體積,選擇具有一定緩蝕作用、密度較高、水溶性好、配伍性好的無機物作為填充加重劑;篩選了合適種類和用量的粘合劑。研制篩選出的母體緩蝕劑及添加劑之間配伍性較好。首先將篩選出的固體狀的增效劑、加重劑和填充劑按比例混合均勻,然后加入定量的液態狀母體緩蝕劑,最后加入適量的粘合劑,攪拌均勻,加熱至一定溫度,待所有藥品融融成液體狀態時,倒入成型裝置內,冷卻至常溫,脫模成型后即得固體緩蝕劑。2緩蝕劑性能評價目前對于固體緩蝕劑的性能評價方法尚無統一標準,我們參照國家標準GB10124-1988“金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法”和國家石油和化學工業局頒SY/T5273-2000“油田采出水用緩蝕劑性能評價方法”、SY/T0026-1999“水腐蝕性測試方法”,在室內建立了一套固體緩蝕劑的緩蝕率和靜、動態溶解速率的評價方法。2.1靜態溶解試驗和測試(1)水是否在半水的情況將固體緩蝕劑試樣填裝于玻璃管內(一端裸露或兩端裸露),靜止浸入到水中,每天更換一次水。用靜態掛片法測定緩蝕率,并計算其在水中的靜態溶出率。(2)水的溶解和更換將固體緩蝕劑試樣加工成棒狀或球狀,直接浸入到水中靜止使其溶解,每天更換一次水。用靜態掛片法測定緩蝕率,并計算其在水中的靜態溶出率(以固體緩蝕劑樣品中KI的溶出濃度表示樣品的溶出率)。2.2溶解動態試驗和測試(1)緩蝕率的測定①將固體緩蝕劑試樣填裝于一端裸露或兩端裸露的玻璃管內,將其固定在攪拌器上,在轉動的條件下使其溶解,每天更換一次污水,用靜態掛片法測定緩蝕率,并計算其在水中的動態溶出率。②將固體緩蝕劑試樣加工成棒狀或球狀,直接將其加入到燒杯中,在攪拌的狀態下使其溶解,每天更換一次污水,用靜態掛片法測定緩蝕率,并計算其在水中的動態溶出率。(2)測試介質的選擇將固體緩蝕劑試樣加工成棒狀或球狀,直接將其放入到測試介質中,或填裝于玻管后再放入測試介質中,用自來水或油田污水流動沖刷,在不同的流速下使其溶解,定期取樣檢測。3試驗結果3.1樣品的溶解時間由圖1可以看出,在80℃的孤東污水中,用靜態評價方法評價固體緩蝕劑溶解速率時,棒球法測得樣品需60多天全部溶解完畢,而玻管法測得樣品在93天時溶出率僅為95%;用動態評價方法評價固體緩蝕劑溶解速率時,棒球法測得樣品在47天即全部溶解完畢,而玻管法測得樣品需80天全部溶解完畢。由此可以看出,研制的固體緩蝕劑達到了在水中緩慢釋放的目的。3.2溶解時間對固體緩蝕劑緩蝕率的影響考慮到油田實際生產狀況和實驗室的可操作性,使用攪拌法只評價動態溶出狀態下的緩蝕率,即用動態棒球法和動態玻管法時的緩蝕率,見圖2。由圖2可以看出,隨著溶解時間的增加,固體緩蝕劑的緩蝕率呈現總體下降趨勢,這是由于溶出的有效成分隨時間遞減。在相同的溶解時間內,玻管法緩蝕率比棒球法緩蝕率要低一些,這是由于玻管法固體緩蝕劑與水接觸面積少,有效成分釋放速度慢于棒球法。棒球法在第47天溶解完畢時,其緩蝕率約為89%,而玻管法在第80天溶解完畢時,其緩蝕率約為83%。在固體緩蝕劑的整個溶解期限內,緩蝕率均大于80%,可以滿足井下管柱防腐的要求。3.3局部腐蝕產物圖3分別為A3鋼片三種狀態下的SEM照片。由圖3可以看出,腐蝕前鋼片表面光滑、平整,有加工處理劃痕;鋼片被油田污水腐蝕后,表面有大量鱗片狀的腐蝕產物,產物間有很大的間隙,存在嚴重的局部腐蝕;在固體緩蝕劑的保護下,鋼片表面比較光滑,似形成了保護膜,基本上沒有發生點蝕等局部腐蝕現象。4固體緩沖劑的現場使用方法4.1固體緩蝕劑的開孔為保證固體緩蝕劑均勻溶解或釋放,除選擇合適的配方和添加劑外,關鍵是保證與介質接觸的面積不變,為此設計了特殊的裝載容器(見圖4)。裝料管直徑為61mm,長度為1500～2000mm,打孔的與不打孔的交叉連接,開孔長度為300～500mm,孔徑為15mm,孔數為20～30個。最下面一根為開孔的裝料管,下端裸管(裝有過濾網),裸管面積(接觸面積)為29.21cm2,最上端密封。將固體緩蝕劑裝入填料管內,填滿壓實。水與下端裸露的固體緩蝕劑接觸后,可使其緩慢釋放和溶解,由于接觸面積固定,因此可以保持較均勻的釋放。為保證污水能通過裝料管,當溶解到開孔的位置時(外面涂有保護層),固體緩蝕劑被溶解,孔被沖開,污水通過裝料管和孔流出。井口安裝掛片器和取樣口,定期進行檢測和化驗。4.2使用方法可在油水井使用,也可在污水站使用。油井使用時可投放在井底,水井使用時可投放在井口,污水站使用時可在污水入站處添加使用。(1)固體緩蝕劑的類型根據油田污水的水質、水量及介質的特性,通過室內實驗確定固體緩蝕劑的類型。用于油水井時,可將球狀或棒狀藥劑裝入特制的容器中,置于水井的井口或油井的井底。(2)投加藥劑量qt1的測定一般按式(1)計算:W=a?C?Q?t×10?3(1)W=a?C?Q?t×10-3(1)式中:W為投加藥劑量,kg;C為藥劑的有效濃度,mg/L;Q為日產(注)水量,m3/d;t為有效時間,d;a為加藥系數,一般取1.1～1.3。(3)首次使用時,每隔20天定期檢測水中藥劑的有效濃度,在有效濃度達不到要求或緩蝕效果變差時,應及時補加藥劑或重新投加藥劑。首次使用時,每隔15～20天檢測一次,重復使用時可根據首次使用的經驗,適當延長檢測的周期。最好用堿調污水pH值在9以上,以保證緩蝕的效果。具體的投加量和方法等需通過室內試驗和現場實際情況來確定。5成膜緩蝕劑的緩蝕劑作用機理緩慢釋放型長效緩蝕劑的基本緩蝕作用機理和常規液體緩蝕劑一樣,主要是通過成膜而起到減緩腐蝕的作用。長效緩蝕的作用機理主要是通過緩慢溶解或緩慢釋放、低溶解度和工具控流等來實現。5.1緩蝕的有效濃度用粘合膠結制成的固體緩蝕劑,投放到油井底等部位后,會緩慢、較均勻地釋放或溶解出其中的有效成分,均勻地混溶于產出污水中,控制其有效濃度可以滿足緩蝕的要求。在某些非均質嚴重的井上,還可以考慮將其擠入井底部某一層內,使其緩慢釋放出來。5.2低溶解原理固體緩蝕劑添加了一些在水中微溶或溶解度較低的物質(無機鹽、有機酸、聚合物及粘合劑等),使其在水中具有較低的溶解度。5.3固體緩蝕劑的研制油井以及污水系統各站點、井點的液量和流速是不同的,不同的流速和液量對固體緩蝕劑的溶解或釋放速度有較大影響。為保證其長效緩蝕的作用,專門設計了可以裝載固體緩蝕劑的工具,在液量較大、流速較快時,可使液體部分流經裝在工具內的固體緩蝕劑,在保證其有效濃度的前提下以保證其具有較長的有效期;也可以采用負壓裝置,根據流量和流速的大小,控制其溶解和釋放的速度;還可以在上端加上一個合適的動力,