隱形酸完井液緩蝕劑的制備及性能評(píng)價(jià)

陳志陽(yáng)

（中國(guó)石化西北油田公司，新疆烏魯木齊 830000）

油氣田儲(chǔ)層鉆開(kāi)過(guò)程中，在井筒液柱正壓差以及毛細(xì)管力作用下，鉆井液易進(jìn)入并堵塞儲(chǔ)層孔喉中，影響后期油氣田的產(chǎn)能恢復(fù)[1-2]，即使使用無(wú)固相鉆開(kāi)液，也無(wú)法避免鉆井液處理劑對(duì)儲(chǔ)層的傷害，常用隱形酸完井液溶除無(wú)機(jī)垢、泥餅以及近井地帶較為深處的孔喉和微裂縫中的鉆井液聚合物殘液[3-5]。提高隱形酸完井液溶解堵塞物的效率可通過(guò)增大隱形酸HTA 的使用濃度實(shí)現(xiàn)，其濃度越高，完井液的酸性越強(qiáng)，在水溶液中釋放出大量氫離子，達(dá)到有效疏通儲(chǔ)層孔喉的目的[6]。但金屬設(shè)備在酸性環(huán)境下易發(fā)生腐蝕反應(yīng)，降低金屬設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)造成現(xiàn)場(chǎng)安全事故。針對(duì)金屬腐蝕問(wèn)題，最高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的辦法就是加入酸化緩蝕劑。曼尼希堿型酸化緩蝕劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗溫、抗酸性能好，并具有良好的酸溶性[7-9]，不會(huì)因隱形酸HTA 的加量而引起該緩蝕劑對(duì)完井液濁度的影響。曼尼希堿緩蝕劑分子中常含有苯環(huán)以及多個(gè)氧原子以及氮原子，此類原子能提供孤對(duì)電子與金屬表面形成配位鍵，苯環(huán)使緩蝕劑分子在金屬表面的化學(xué)吸附作用增強(qiáng)，苯環(huán)體積大，可提高緩蝕劑分子在金屬表面的有效覆蓋，形成致密而穩(wěn)定的保護(hù)膜[10]?；诖?，筆者以二乙烯三胺、3-羥基苯甲醛、環(huán)己酮為原料合成一種新型曼尼希堿緩蝕劑ZD，采用靜態(tài)失重法以及電化學(xué)法研究其緩蝕性能，并討論了該緩蝕劑與隱形酸完井液的配伍性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 緩蝕劑的合成及表征

在置于恒溫水浴鍋中的圓底燒瓶中依次加入150 mL無(wú)水乙醇（溶劑）、2 g 二乙烯三胺、3 g 3-羥基苯甲醛、3 g環(huán)己酮以及少許濃鹽酸（催化劑），攪拌條件下使其充分混合，加熱至溫度為70 ℃，在攪拌、冷凝回流條件下反應(yīng)5 h，反應(yīng)完后所得溶液為棕紅色。待溶液冷卻后減壓蒸餾，除去溶劑和少量的未反應(yīng)的原料，并采用甲苯重結(jié)晶，置于溫度為90 ℃的恒溫烘箱中干燥6 h，即曼尼希堿緩蝕劑ZD（產(chǎn)率為72.6%）。將最終的產(chǎn)品與KBr 晶體混合并制成壓片，采用Nicolet710 傅里葉變換紅外光譜儀分析其結(jié)構(gòu)。

1.2 緩蝕性能評(píng)價(jià)

靜態(tài)失重法：參考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)，將N80 鋼置于溫度為90 ℃的腐蝕介質(zhì)（1%隱形酸HTA+6%KCl）浸泡1 d，改變緩蝕劑ZD 的加量來(lái)評(píng)價(jià)其緩蝕性能。另外，在緩蝕劑ZD、KCl 加量不變的條件下，改變隱形酸HTA 的濃度，根據(jù)N80 鋼的腐蝕速率來(lái)評(píng)價(jià)緩蝕劑ZD 抗酸性能。

電化學(xué)分析法：采用CHI660C 電化學(xué)工作站測(cè)試N80 鋼在含有不同濃度緩蝕劑ZD 的腐蝕介質(zhì)中的腐蝕電流以及腐蝕電位，分析緩蝕劑ZD 的緩蝕機(jī)理。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，極化曲線測(cè)試掃描范圍為相對(duì)開(kāi)路電位-300～-600 mV，電位掃描速率為5 mV/s。

1.3 腐蝕形貌分析

通過(guò)失重實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將N80 鋼表面腐蝕產(chǎn)物清洗并烘干，采用SSX-550 掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)其腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZD 分子結(jié)構(gòu)表征

緩蝕劑ZD 的紅外光譜圖（見(jiàn)圖1），從圖1 可知，720.23 cm-1處出現(xiàn)-CH2-長(zhǎng)鏈的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 715.20 cm-1處出現(xiàn)環(huán)己酮上的羰基伸縮振動(dòng)吸收峰；3 350.82 cm-1、1 500 cm-1附近出現(xiàn)苯環(huán)中=C-H 的伸縮振動(dòng)峰、苯環(huán)中C=C 的骨架振動(dòng)峰，3 001.11 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)而寬的-OH 伸縮振動(dòng)吸收峰；812.86 cm-1出現(xiàn)N-H 彎曲振動(dòng)峰，表明三種原料發(fā)生了曼尼希反應(yīng)，合成產(chǎn)物即為緩蝕劑ZD。

圖1 ZD 的紅外光譜圖

2.2 緩蝕性能評(píng)價(jià)

將不同濃度緩蝕劑ZD 加入腐蝕介質(zhì)（1%隱形酸HTA+6%KCl），評(píng)價(jià)緩蝕劑ZD 對(duì)N80 鋼腐蝕反應(yīng)抑制效果（見(jiàn)表1），從表1 可知，隨著緩蝕劑ZD 濃度增加，N80 鋼在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率逐漸降低?？瞻讜r(shí)，N80 鋼的腐蝕速率為9.054 g/（m2·h），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)金屬設(shè)備的破壞較大，難以滿足施工要求，當(dāng)緩蝕劑ZD加量為2%，其緩蝕率可高達(dá)94.05%，其緩蝕性能優(yōu)異，可有效抑制金屬腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行。

表1 ZD 的緩蝕性能評(píng)價(jià)

為了有效疏通儲(chǔ)層巖心孔喉，現(xiàn)場(chǎng)常提高完井液中H+含量，因此需評(píng)價(jià)緩蝕劑ZD 在不同濃度的隱形酸HTA 中的緩蝕性能，測(cè)試條件為90 ℃下，N80 鋼在含有2%緩蝕劑ZD 的腐蝕介質(zhì)中浸泡1 d，緩蝕劑ZD的抗酸性能（見(jiàn)表2），從表2 可知，隨著隱形酸HTA含量增加，N80 鋼的腐蝕速率逐漸增大，但其腐蝕速率增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢，當(dāng)隱形酸HTA 含量為3%時(shí)，N80鋼的腐蝕速率僅為0.810 g/（m2·h），表明緩蝕劑分子在N80 鋼表面形成一層致密的吸附膜，可有效地降低H+與金屬表面的接觸，顯著抑制腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行[11]。

表2 緩蝕劑ZD 的抗酸性能評(píng)價(jià)

通過(guò)極化曲線分析N80 鋼在不同濃度緩蝕劑ZD的腐蝕介質(zhì)（1%隱形酸HTA+6%KCl）中的電化學(xué)腐蝕行為（見(jiàn)圖2），電化學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表3），隨著緩蝕劑ZD含量增加，N80 鋼的腐蝕電流逐漸降低，陰陽(yáng)兩極極化曲線均向低電流方向移動(dòng)，表明緩蝕劑ZD 可有效地抑制金屬的腐蝕反應(yīng)，緩蝕劑ZD 對(duì)N80 鋼的陽(yáng)極溶解反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)均表現(xiàn)出顯著的抑制作用，從N80 鋼的腐蝕電位分析，該緩蝕劑屬于混合控制型緩蝕劑[12]。

圖2 不同濃度ZD 下N80 鋼的極化曲線

表3 極化曲線電化學(xué)參數(shù)

2.3 緩蝕劑與隱形酸完井液的配伍性

將2%緩蝕劑ZD 加入隱形酸完井液中（隱形酸完井液配方：海水+1.0%HTA+1.5%助排劑SA-1+1.0%鐵離子穩(wěn)定劑SF+6%KCl），采用SZD-1 型散射光臺(tái)式渾濁計(jì)評(píng)價(jià)緩蝕劑ZD 對(duì)隱形酸完井液濁度的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未加、加2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液的濁度分別為1.78 NTU、2.12 NTU，其濁度值變化小。評(píng)價(jià)緩蝕劑ZD 在隱形酸完井液的緩蝕性能發(fā)現(xiàn)，90 ℃下N80 鋼在未加、加2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液中浸泡1 d 的腐蝕速率為8.845 g/（m2·h）、0.452 g/（m2·h），表明緩蝕劑ZD 具有優(yōu)異的緩蝕性能，并與隱形酸完井液具有良好的配伍性。

90 ℃下N80 鋼在未加、加2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液中浸泡1d 后，其腐蝕形貌（見(jiàn)圖3）。從圖3可知，未加緩蝕劑ZD 時(shí)，N80 鋼表面腐蝕嚴(yán)重，表面堆積著N80 鋼的腐蝕產(chǎn)物，當(dāng)加入2%緩蝕劑ZD 后，N80鋼表面平整、光滑，未出現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡，表明緩蝕劑可有效地吸附在N80 鋼表面，阻隔了腐蝕介質(zhì)與金屬表面的接觸，顯著降低N80 鋼的腐蝕反應(yīng)。

圖3 SEM 形貌圖

2.4 儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

采用巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀、高溫高壓動(dòng)態(tài)污染實(shí)驗(yàn)儀等評(píng)價(jià)含有2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能，選用不同滲透率的海上油田的天然巖心作為評(píng)價(jià)對(duì)象，先采用現(xiàn)場(chǎng)常應(yīng)用的PRD 鉆井液對(duì)天然巖心進(jìn)行污染，再通過(guò)含有2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液對(duì)污染后的巖心進(jìn)行清洗，巖心滲透率變化（見(jiàn)表4）。從表4 可知，兩塊不同滲透率下的巖心經(jīng)過(guò)PRD 鉆井液污染后的滲透率恢復(fù)值均小于80%。隱形酸完井液對(duì)污染后的巖心進(jìn)行清洗，其滲透率恢復(fù)值均超過(guò)120%，使巖心滲透率接近污染前的巖心滲透率，表明含有2%緩蝕劑ZD 的隱形酸完井液對(duì)儲(chǔ)層巖心堵塞孔喉具有優(yōu)異的疏通作用。

表4 儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

（1）隨著緩蝕劑ZD 濃度增加，處于腐蝕介質(zhì)中N80 鋼的腐蝕速率逐漸降低。當(dāng)緩蝕劑ZD 加量為2%，其緩蝕率可高達(dá)94.05%，其緩蝕性能優(yōu)異，可有效抑制金屬腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，緩蝕劑ZD 使N80 鋼的腐蝕電流逐漸降低，陰陽(yáng)兩極極化曲線均向低電流方向移動(dòng)，說(shuō)明緩蝕劑ZD 可有效地抑制金屬的腐蝕反應(yīng)，緩蝕劑ZD 對(duì)N80 鋼的陽(yáng)極溶解反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)均表現(xiàn)出顯著的抑制作用，且屬于混合控制型緩蝕劑。

（2）隱形酸完井液加入緩蝕劑ZD 后，對(duì)其濁度值影響較小。表明與隱形酸完井液具有良好的配伍性，使處于隱形酸完井液體系的N80 鋼的腐蝕速率低至0.452 g/（m2·h），使N80 鋼表面平整、光滑，未出現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡，表明緩蝕劑可有效地吸附在N80 鋼表面，阻隔了腐蝕介質(zhì)與金屬表面的接觸，顯著降低N80鋼的腐蝕反應(yīng)，該隱形酸完井液可有效疏通儲(chǔ)層孔喉，具有優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)性能。