煤層氣井酸洗中聚天冬氨酸的緩蝕效果研究

蓋潔超，張 勝，吳 鵬

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.天津大港油田濱港集團(tuán)博弘石油化工有限公司，天津 300270）

在山西沁水盆地煤層氣的開采過程中，氣井井下設(shè)備結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重并存在垢下局部腐蝕，反復(fù)檢泵作業(yè)嚴(yán)重影響到了氣井的正常生產(chǎn)[1]。為解決這個(gè)問題需進(jìn)行針對(duì)性的酸洗除垢、防垢等工藝。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取垢樣采用失重法篩選出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的鹽酸作為酸洗除垢的主劑，添加酸洗緩蝕劑來緩解鹽酸對(duì)于井下設(shè)備的腐蝕。

隨著人們?nèi)找嬖黾拥沫h(huán)保意識(shí)，綠色無毒無害的緩蝕劑成為了國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的首選。聚天冬氨酸作為一種氨基酸類聚合物，對(duì)金屬離子有著極強(qiáng)的螯合能力，并且無毒、不含磷，可降解為無害的氨、水和二氧化碳，具有一定的緩蝕阻垢能力[2]。聚天冬氨酸常被用作水處理劑，同時(shí)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥方面有著巨大的貢獻(xiàn)[3]。但關(guān)于其作為金屬緩蝕劑在酸性腐蝕介質(zhì)下的研究比較少，在2004年，李春梅等[4]通過電化學(xué)阻抗譜法在鹽酸環(huán)境下對(duì)其緩蝕性能進(jìn)行了測(cè)試。筆者主要通過靜態(tài)掛片實(shí)驗(yàn)來探究聚天冬氨酸在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的鹽酸中的緩蝕能力，對(duì)前人的想法加以驗(yàn)證，同時(shí)通過與其他試劑的復(fù)配對(duì)其緩蝕性能加以提高，從而探究聚天冬氨酸是否可以作為綠色酸洗緩蝕劑應(yīng)用于煤層氣酸洗除垢工藝上。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)主要材料：N80標(biāo)準(zhǔn)掛片，尺寸為50 mm×10 mm×3 mm；聚天冬氨酸，山東遠(yuǎn)聯(lián)化工股份有限公司；D-葡萄糖酸鈉，十二烷基硫酸鈉（表面活性劑），硅酸鈉，烏洛托品，尿素，鐵離子穩(wěn)定劑（實(shí)驗(yàn)室自配），36%～38%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）濃鹽酸，0.5 mol/L的氫氧化鈉溶液，石油醚，無水乙醇，脫脂棉（以上試劑均采購(gòu)自當(dāng)?shù)鼗x器商店）。

實(shí)驗(yàn)主要儀器：FA2004電子分析天平；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱；游標(biāo)卡尺、100 mL具塞試管、試管架、燒杯、玻璃棒、濾紙。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文所涉及的實(shí)驗(yàn)方法均是遵循我國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》中的要求處理掛片，并進(jìn)行緩蝕劑性能的測(cè)試[5]。采取靜態(tài)掛片法來測(cè)定N80鋼的腐蝕速度。實(shí)驗(yàn)的掛片為N80標(biāo)準(zhǔn)掛片，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的鹽酸作為腐蝕介質(zhì)，依照現(xiàn)場(chǎng)井下的實(shí)際溫度選取實(shí)驗(yàn)溫度為50℃，周期為7 d。

1.2.1 緩蝕掛片處理 掛片需經(jīng)過金相砂紙磨光毛刺，待其表面光滑無缺陷后方可使用。用刷子將打磨好的掛片在石油醚中刷洗掉油污，放入無水乙醇中浸泡1 min～5 min后晾干，包裹防銹紙放在干燥器中24 h后稱重，記錄初始質(zhì)量[6]。

做完實(shí)驗(yàn)后的掛片應(yīng)當(dāng)立即用大量水沖洗，如腐蝕面積不大，可用橡皮擦去腐蝕產(chǎn)物后將其放入無水乙醇中，用脫脂棉擦洗干凈。干燥后稱得實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量。

1.2.2 緩蝕性能測(cè)定 針對(duì)聚天冬氨酸和其他藥劑分別做了在同一濃度下的掛片實(shí)驗(yàn)，緩蝕劑的加入量為1.0%，并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)盡管聚天冬氨酸在鹽酸體系中具有較好的緩蝕效果，但仍達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)所需的緩蝕要求，故選擇聚天冬氨酸與其他試劑復(fù)配，并篩選出最優(yōu)配比。

1.2.3 緩蝕結(jié)果計(jì)算 根據(jù)失重法，腐蝕速率的計(jì)算方法根據(jù)如下公式：

式中：V－腐蝕速度，g/（m2·h）；Δm－掛片腐蝕前后的質(zhì)量差值，g；A0-掛片的表面積，m2；t－腐蝕時(shí)間，h。

緩蝕率的計(jì)算方法根據(jù)如下公式：

式中：η-藥劑對(duì)掛片的緩蝕效率；V0-空白實(shí)驗(yàn)的緩蝕速度，g/（m2·h）；V1-加入緩蝕藥劑情況下的緩蝕速度，g/（m2·h）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同緩蝕劑篩選

實(shí)驗(yàn)條件：腐蝕介質(zhì)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的鹽酸，材質(zhì)：N80鋼掛片，溫度：50℃，腐蝕周期：7 d，保持實(shí)驗(yàn)條件不變的前提下，進(jìn)行不同試劑的篩選，得出結(jié)果（見表1）。

表1 不同緩蝕劑篩選結(jié)果

由表1可知：聚天冬氨酸在鹽酸介質(zhì)下，表現(xiàn)出了較好的緩蝕性能，與常用緩蝕劑烏洛托品的緩蝕性能相當(dāng)。碘化鉀在酸性介質(zhì)中緩蝕性能最高，但由于其價(jià)格昂貴，且如果不注意用量會(huì)有點(diǎn)蝕的現(xiàn)象發(fā)生。考慮到聚天冬氨酸作為綠色可降解這一特點(diǎn)，與煤層氣開采現(xiàn)場(chǎng)的需求相結(jié)合，故選擇聚天冬氨酸與其他緩蝕劑復(fù)配，并加以鐵離子穩(wěn)定劑，表面活性劑，對(duì)其緩蝕性能進(jìn)一步測(cè)定。

表2 緩蝕劑復(fù)配的評(píng)測(cè)結(jié)果

2.2 試劑復(fù)配的評(píng)測(cè)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)條件：腐蝕介質(zhì)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的鹽酸，材質(zhì)：N80 鋼掛片，溫度：50 ℃，腐蝕周期：7 d（見表2）。

由表2可知，當(dāng)聚天冬氨酸與其他試劑復(fù)配時(shí)，與其中一些并沒有產(chǎn)生很好的協(xié)同作用比如十二烷基硫酸鈉、硅酸鈉等，甚至低于其獨(dú)自使用時(shí)的緩蝕效果。挑選出葡萄糖酸鈉、烏洛托品進(jìn)行初期復(fù)配，其緩蝕率達(dá)到了87.09%，但表面不夠光滑，有輕微的鈍澀感?？紤]到尿素對(duì)于鋼鐵有緩蝕作用并同時(shí)有增光作用，遂在配方中加入尿素，緩蝕率達(dá)到了88.06%，表面較之前變得相對(duì)光滑。加入鐵離子穩(wěn)定劑后，緩蝕率升高到91.74%，表面光滑無點(diǎn)蝕。在該體系中聚天冬氨酸具有可降解綠色環(huán)保的特點(diǎn)，葡萄糖酸鈉等藥劑對(duì)環(huán)境也相對(duì)環(huán)保，符合當(dāng)下可持續(xù)發(fā)展的要求，且實(shí)驗(yàn)證明聚天冬氨酸不僅僅適用于水處理緩蝕阻垢方面，在酸洗過程中產(chǎn)生的緩蝕作用亦不容小覷。

3 結(jié)論

通過靜態(tài)掛片實(shí)驗(yàn)顯示聚天冬氨酸在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的鹽酸中的緩蝕效率為83.11%，驗(yàn)證了前人運(yùn)用電化學(xué)阻抗譜法所得出的結(jié)果。證明了聚天冬氨酸在以鹽酸為緩蝕介質(zhì)的情況下具有一定的緩蝕作用。

通過與烏洛托品、葡萄糖酸鈉、尿素復(fù)配并加以適當(dāng)?shù)蔫F離子穩(wěn)定劑，其緩蝕效率得到了明顯的提高，說明聚天冬氨酸可以通過試劑間的復(fù)配作為一種適合于煤層氣的綠色環(huán)保型酸洗緩蝕劑，但在其緩蝕機(jī)理方面還需要加以進(jìn)一步的探究。