油溶性咪唑啉的合成及對(duì)CO2的緩蝕性能*

大慶師范學(xué)院

油溶性咪唑啉的合成及對(duì)CO2的緩蝕性能*

徐春放 劉洪勝 趙秀麗 何曉英 陳新萍大慶師范學(xué)院

模擬慶深氣田CO2分壓范圍和采出水礦化度配制腐蝕介質(zhì)，以異丁醇為溶劑、乳化劑等配制含羥乙基咪唑啉的緩蝕劑，參照《油田采出水緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法（SY/T5237—2000）》，測(cè)定合成物和復(fù)配體系對(duì)N80鋼試片的緩蝕率。單獨(dú)使用咪唑啉緩蝕劑的緩蝕效果不理想，緩蝕性能受溫度和CO2分壓影響較大。將咪唑啉緩蝕劑與適量硫脲、乙二胺在正丁醇、乳化劑、水中進(jìn)行復(fù)配，緩蝕性能有了很大的改善，加藥量為500mg/L的情況下，緩蝕率可達(dá)94.65%。

油溶性咪唑啉；CO2；緩蝕性能；慶深氣田；實(shí)驗(yàn)

CO2腐蝕成為影響大慶油氣田安全生產(chǎn)的重大隱患。芳深7井1995年試氣后一直未投產(chǎn)、升深2井2004年7月報(bào)廢、已投產(chǎn)的深層氣井均存在不同程度的CO2腐蝕。加注緩蝕劑防腐因緩蝕劑對(duì)環(huán)境具有較高的選擇性，有效的緩蝕劑只有在特定的腐蝕環(huán)境下才能起到保護(hù)作用。

慶深氣田與其他油田的差異在于H2S腐蝕的影響很小，CO2腐蝕影響嚴(yán)重[1]，針對(duì)類該氣田高溫高壓環(huán)境下的CO2腐蝕，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果還不多見(jiàn)。

1 緩蝕劑的合成

1.1 原料和儀器

油酸，羥乙基乙二胺，二甲苯，乙醇，異丁醇，乙二胺，硫脲、乳化劑。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，磁力驅(qū)動(dòng)高壓釜，N80鋼片（20mm×15mm×2mm），紅外光譜儀（FTIR）Spectrumone型，二氧化碳鋼瓶。

1.2 油溶性羥乙基咪唑啉的合成

在配有冷凝管和分水器的250mL三口燒瓶的減壓蒸餾裝置中，加入油酸和羥乙基乙二胺（酸與胺物質(zhì)的量比為1∶1.3）、原料質(zhì)量20%左右的二甲苯作為攜水劑和溶劑，在160℃下反應(yīng)3h完成?；磻?yīng)，冷卻后測(cè)定胺值。然后升溫，在210℃的條件下反應(yīng)3h完成環(huán)化反應(yīng)，在90℃下于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸餾回收過(guò)量的羥乙基乙二胺及溶劑。得到深紅棕色黏稠狀油溶性咪唑啉產(chǎn)品，測(cè)定產(chǎn)品的紅外光譜。

1.3 胺值的測(cè)定

羥乙基咪唑啉由酰胺化和環(huán)化兩步合成，酰胺化反應(yīng)是慢反應(yīng)，是影響目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)率的關(guān)鍵。參照美標(biāo)ASTMD2073—1992總胺值測(cè)試方法（鹽酸—乙醇法），測(cè)定酰胺化階段胺值的變化，確定該階段反應(yīng)的最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。準(zhǔn)確稱取0.5g樣品置于250mL錐形瓶中，加入40mL丁醇—甲苯混合液，振蕩使溶解均勻。加入指示劑甲基紅1滴，溴甲酚綠4滴，搖勻。以0.1N鹽酸乙醇標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)溶液滴定至桔紅色為終點(diǎn)。羥乙基乙二胺含量按下式計(jì)算

式中V為滴定所消耗標(biāo)準(zhǔn)酸液的體積（mL）；N為滴定用標(biāo)準(zhǔn)液的濃度（mol/L）；G為試樣重量（g）；0.03472為羥乙基乙二胺的毫克當(dāng)量。

1.4 對(duì)CO2的緩蝕性能評(píng)價(jià)

模擬慶深氣田CO2分壓范圍和采出水礦化度配制腐蝕介質(zhì)，以異丁醇為溶劑、乳化劑等配制含羥乙基咪唑啉的緩蝕劑，參照《油田采出水緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法（SY/T5237—2000）》，測(cè)定合成物和復(fù)配體系對(duì)N80鋼試片的緩蝕率。

2 結(jié)果與討論

2.1 羥乙基咪唑啉的結(jié)構(gòu)表征

測(cè)定不同酸胺比的目標(biāo)產(chǎn)物，從紅外光譜圖中可以看出，產(chǎn)物在1550～1660cm-1處均有—C=N—吸收峰，該峰為咪唑啉環(huán)特征吸收峰；在2900～2850cm-1處有—CH—鍵的吸收峰；在1100cm-1附近處有醇羥基的吸收峰，該峰為與咪唑啉環(huán)相連的羥乙基特征吸收峰。紅外光譜分析說(shuō)明合成產(chǎn)品為目標(biāo)產(chǎn)物[2]。

2.2 優(yōu)化的合成反應(yīng)條件

2.2.1 酰胺化階段的優(yōu)化條件

原料配比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等3個(gè)因素是影響定速步驟的要素，選取這3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平來(lái)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，測(cè)定多胺轉(zhuǎn)化率，確定酰胺化的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成的影響最明顯，其次是反應(yīng)溫度，最后是物料配比。據(jù)此確定酰胺化階段的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：物料配比1∶1.2，反應(yīng)溫度160℃，反應(yīng)時(shí)間3h。

2.2.2 環(huán)化階段的優(yōu)化條件

環(huán)化階段的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間決定目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量，由于羥乙基乙二胺自身具有緩蝕性能，過(guò)量的原料能夠和目標(biāo)產(chǎn)物復(fù)配，產(chǎn)生良好的協(xié)同緩蝕性能。為此選取這3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，測(cè)定產(chǎn)物的緩蝕性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 環(huán)化階段的優(yōu)化條件

由表1可見(jiàn)，反應(yīng)溫度對(duì)合成的影響最明顯，其次是物料配比，最后是時(shí)間。在溫度和反應(yīng)時(shí)間相同的條件下，物料配比為1∶1.3時(shí)較物料配比為1∶1.2時(shí)緩蝕率提高3.31%。據(jù)此確定環(huán)化階段的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：物料配比1∶1.3，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度210℃。

綜上所述，合成反應(yīng)的最優(yōu)化條件為：酸、胺配比1∶1.3，酰胺化階段反應(yīng)溫度160℃，反應(yīng)時(shí)間3h；成環(huán)階段反應(yīng)溫度210℃，反應(yīng)時(shí)間3h。

2.3 緩蝕性能評(píng)價(jià)

利用失重法研究合成產(chǎn)品的緩蝕性能，實(shí)驗(yàn)在磁力驅(qū)動(dòng)高壓釜中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為25r/min，腐蝕介質(zhì)的組成為：氯化鈣（1.226mmol/L）、硫酸鈉（1.647mmol/L）、碳酸氫鈉（48.320mmol/L）、氯化鈉（64.807mmol/L）和六水氯化鎂（1.124mmol/L），使用蒸餾水和分析純配制。

（1）緩蝕劑用量對(duì)緩蝕性能的影響。將合成的油溶性咪唑啉用異丁醇、乳化劑與水配成緩蝕劑，實(shí)驗(yàn)緩蝕劑加入量對(duì)N80鋼試片的緩蝕率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加藥量為500mg/L時(shí)，緩蝕率可達(dá)80.05%。

（2）腐蝕介質(zhì)溫度對(duì)緩蝕性能的影響。緩蝕劑用量為500mg/L時(shí)，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)溫度對(duì)N80鋼試片的緩蝕率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，緩蝕率下降，溫度達(dá)到60℃時(shí)緩蝕率下降顯著。其原因是咪唑啉類緩蝕劑在N80鋼試片表面的吸附是放熱過(guò)程，溫度升高緩蝕劑與金屬片發(fā)生的表面吸附平衡逆向移動(dòng)，且隨著溫度升高，吸附平衡受到破壞，進(jìn)而失去緩蝕能力，腐蝕反應(yīng)速率加快。這說(shuō)明單一唑啉緩蝕劑在高溫條件下不適用。

（3）CO2分壓對(duì)緩蝕劑緩蝕性能的影響。從溫度為80℃，緩蝕劑用量為500mg/L，時(shí)間為24h的條件下，CO2分壓對(duì)N80鋼試片緩蝕率的影響可見(jiàn)，單一咪唑啉緩蝕劑的緩蝕率隨CO2分壓的升高而降低，在CO2壓力比較高的條件下不適用。

（4）咪唑啉緩蝕劑復(fù)配產(chǎn)物的緩蝕性能。在溫度為80℃，CO2的壓力為2MPa，時(shí)間為24h的條件下，測(cè)定油溶性咪唑啉與硫脲、乙二胺復(fù)配產(chǎn)物對(duì)N80鋼試片的緩蝕率。從測(cè)定結(jié)果可以看出，咪唑啉緩蝕劑復(fù)配產(chǎn)物的緩蝕率隨著用量的增加而提高，并隨著緩蝕用量的提高趨于穩(wěn)定；當(dāng)緩蝕劑用量達(dá)到500mg/L時(shí)，緩蝕效果可以達(dá)到94.65%。因此可知，復(fù)配的緩蝕劑可以有效地提高緩蝕劑的緩蝕性能。

3 結(jié)論

（1）用油酸和羥乙基乙二胺為原料，二甲苯作攜水劑合成油溶性咪唑啉，酸、胺投料比為1∶1.3，在160℃下反應(yīng)3h；升高溫度為210℃，反應(yīng)3h，蒸出溶劑得到目標(biāo)產(chǎn)物。

（2）單獨(dú)使用咪唑啉緩蝕劑的緩蝕效果不理想，緩蝕性能受溫度和CO2分壓影響較大。

（3）將咪唑啉緩蝕劑與適量硫脲、乙二胺在正丁醇、乳化劑、水中進(jìn)行復(fù)配，緩蝕性能有了很大的改善，加藥量為500mg/L的情況下，緩蝕率可達(dá)94.65%。

[1]剛振寶，劉偉，衛(wèi)秀芬，等．大慶油田深層氣井CO2腐蝕規(guī)律及防腐對(duì)策[J]．大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2007，26（3）：95-99．

[2]蔣秀，鄭玉貴．油氣井緩蝕劑研究進(jìn)展[J]．腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2003，15（3）：164-170.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.019

基金論文：大慶師范學(xué)院自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“油氣井咪唑啉型二氧化碳緩蝕劑的開(kāi)發(fā)研究”（12ZR02）。