油气井缓蚀剂的室内合成及性能评价

2022-10-21

0 引言

油气田生产过程中, 含有CO2、H2S的卤水伴随着天然气产出, 对油气井设备如油管、套管、输气管线等材质产生很大的腐蚀, 对整个气田的正常生产造成严重的影响。CO2引起钢铁迅速的全面腐蚀和严重的局部腐蚀, 使得管道和设备发生早期腐蚀失效, 并造成严重的后果。另外, CO2在天然气-凝析液井中可引起深坑型腐蚀、苔藓状腐蚀和冲蚀。目前采用气井缓蚀剂是一种有效又经济的方法。在针对目前国内在缓蚀剂方面主要是以咪唑啉、醛、酮、酰胺等类别的基础上, 综合分析气田中既有CO2、又有H2S的腐蚀介质, 同时伴有脱出水及无机盐腐蚀介质, 确定了最终确定出了对气—液环境中的腐蚀介质含量下效果良好的缓蚀剂配方和合成工艺。

1 主剂的结构设计

我国应用的油气井缓蚀剂主要有醛类、酰胺类、咪唑啉类、吡啶类、页氮类等。而高温、高含CO2油气井缓蚀剂既要能耐CO2类酸性介质的腐蚀, 又要能耐90℃以上的高温。耐高温必须要有很强的吸附能力。一般认为, 咪唑啉类化合物对碳钢、铜、铝等有优良的缓蚀性能, 咪唑啉学名间二氮杂环戊烯, 分子结构中有氨基, 可以吸收酸性的CO2、H2S的气体, 起到一定的缓蚀作用。因此确定了室内进行咪唑啉缓蚀剂结构设计研究。

2 主剂的合成

采用不同结构、不同克分子比的脂肪酸 (环烷酸、苯甲酸等) 与不同的胺类 (二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、β-羟乙基乙二胺等) 加热缩合、环化生成不同结构类型的咪唑啉。

3 合成步骤

第一段合成:咪唑啉合成

首先, 连接好实验装置, 按照配方分别准确称取有机酸、有机溶剂和多乙烯多胺;由圆底烧瓶的加料口先加入依次加入各物料, 开启电热套, 以每分钟2.5~3℃匀速地加热, 并启动搅拌装置, 匀速搅拌, 开启循环水, 进行冷凝循环, 当温度为230-240℃, 证明第一阶段的咪唑啉合成反应完成。

第二段合成:咪唑啉季铵化

第一步完成后, 停止加热, 逐步降低温度, 使其控制在150~160℃, 进行生成物的季铵化反应2h。至此, 咪唑啉季铵化反应完成。

第三段改性:油溶性改性

由于经过了缩合和季铵化的反应, 生成的咪唑啉呈粘稠状物质, 并且为油溶性, 在水相中分散性差, 很难扩散到金属表面, 因此, 室内进行咪唑啉的油溶性改性。通过加料口向第二步反应完成后的生成物中加入分散性好的溶剂, 然后搅拌反应。待生成物呈均相后, 反应结束。

4 合成反应影响因素

4.1 合成配比

室内进行了有机酸A与有机胺类B与有机苄化物C几种不同的摩尔比, 根据几组合成结果确定A∶B∶C=1∶1.20∶0.18为最佳配比。

4.2 合成温度与时间

有机合成中温度和时间是影响合成反应的两大关键因素, 由大量室内对合成过程中初馏点控制, 咪唑啉的合成过程中反应温度和时间控制可知, 最理想的初馏点合成温度为158-162℃, 之后在5小时的合成中温度不能超过240℃。在2小时季铵化合成中温度不超过160℃。

5 合成成品缓蚀性能

5.1 性能评价方法

目前油气井缓蚀剂没有行业评价标准, 同时, 由于目前各油田气井中的腐蚀介质含量不同, 另外, 及使同一油田的不同采气厂含有CO2、H2S的腐蚀介质也存在着差异, 因此, 室内参照现场腐蚀介质含量, 确定评价介质。

5.2 腐蚀介质的制备

(1) 腐蚀介质制备原理

由于目前H2S的安全性要求, 采用室内理论计算反应生成腐蚀性H2S和CO2的方式制备, 制备原理如下:

将制备的腐蚀气体通入腐蚀反应瓶中, 瓶内装入饱和Na Cl溶液占据1/2空间, 腐蚀性气体一部分溶解于溶液中, 一部分占据空余空间, 形成气液双相腐蚀体系。

(2) 腐蚀装置图示

(3) 缓蚀性能评价结果分析

室内进行了合成样品评价试验, 选取了合成样品和复配的工业样品、室内设计了实验方案, 进行气—液缓蚀剂评价, 现摘录部分实验数据进行对比, 结果如下:

目前室内合成的天然气缓蚀剂在腐蚀介质:Na Cl:50g/L, CO2:400mg/L, H2S:100mg/L的环境中评价, 液相缓蚀率大于90%, 气相缓蚀率偏低。

6 结论

6.1 合成参数

(1) 合成配比 (摩尔比) :A∶B∶C=1∶1.20∶0.18

(2) 合成条件:第一阶段合成温度:158~162℃, 合成时间:40min;第二阶段合成温度:162~240℃, 合成时间:4h。第三段改性:油溶性改性1 h。

6.2 合成产品性能

合成产品为黄色或黄褐色透明液体, p H值8.0~8.5, 凝点小于-30℃, 密度0.900~0.950g/cm3, 不溶于水, 可溶于醇类溶剂和煤油, 在腐蚀介质为:Na Cl:50g/L, CO2:3600mg/L, H2S:360mg/L的条件下, 浓度50mg/L, 72h在80℃下液相缓蚀率大于90%。

摘要：本文主要从天然气缓蚀剂合成原材料选择、合成工艺研究、合成过程中各影响因素分析、合成品缓蚀效果评价等方面进行了全面的实验研究。室内建立了腐蚀介质制备装置, 确定了评价缓蚀剂的实验方法。对合成样品进行了评价, 结果证明室内合成的气井缓蚀剂液相缓蚀率可大于90%。

关键词：CO2,H2S,气井缓蚀剂,合成,性能