高效固体缓释型阻垢剂的研制及性能分析*

毕凤琴 韩嘉平 李会星 赵红梅 王 勇

(1.东北石油大学；2.大庆测试技术服务分公司检测中心)

大庆油田已进入开采中后期，油田管道结垢和腐蚀问题变得越来越突出，解决结垢和腐蚀问题已迫在眉睫，添加缓蚀阻垢药剂性价比高、针对性强，已成为目前各大油田比较可行且通用的方法[1，2]。目前通用的缓蚀阻垢剂多为液体型，由于随流体流失较大，因此添加量较大，作用周期和效果也不够理想，造成很大浪费，而固体缓蚀剂在缓慢溶解的过程中起到防腐和阻垢的作用，作用时间长，效果理想，经济性好，具有良好的性价比[3]。笔者针对大庆五厂地区水驱输油管道腐蚀结垢现象和油田采出液的成分特点，以缓蚀剂、阻垢剂、分散剂和载体为组分，配制出新型固体缓释型缓蚀阻垢剂，并对药剂性能进行评价。

1 实验

1.1实验仪器和药品

实验仪器和药品有：美国Gamry PCI4/7500电化学工作站，恒温水浴锅，复配试剂(表1)，大庆五厂杏-13计量间油田采出液(成分见表2)，20#钢试样以及实验室基本仪器等。

表1 复配试剂

注：1——山东省泰和水处理有限公司；2——天津大茂化学试剂厂；3——山西三维集团公司。

表2 水驱管道采出液成分 mg/L

1.2缓蚀阻垢剂的制备

缓蚀阻垢剂复配由主剂(有机磷酸或磷酸盐,一种或多种)、分散剂、特殊缓蚀或阻垢剂和载体组成。

药剂复配方案：以一种或多种主剂分别和3种分散剂复配，制备至少32种缓蚀阻垢药剂，确定性能较稳定的缓蚀阻垢药剂。缓蚀阻垢剂的复配试验采用正交试验法，按复配方案依次编号为CL01～CL32。

制备时先测试添加药剂水质成分，根据水质成分，确定腐蚀和结垢性。有针对性选取药剂成分，制备过程是在主剂中加入辅剂，加入聚丙烯醇后用恒温水浴锅加热，充分分散、均匀混合后，通过粘合剂进行粘合冲模，加工成特定形状，再经过脱模干燥，即为成品。

1.3性能测试

采用石油天然气总公司行业标准SY/5273-1991评定缓蚀性能，阻垢性能采用EDTA络合滴定法测定[4]。

模拟现场工况，采用失重法对添加的定量缓蚀阻垢剂进行动态模拟检测，根据单位时间溶解的质量确定缓释速率。

2 结果与分析

2.1缓蚀性能分析

对20#管道钢作电化学实验，以油田采出液为介质，分别作空白和加注实验，得到极化曲线和阻抗谱如图1所示。

图1 加注药剂前后20#钢极化曲线和阻抗谱

如图1a所示，加注药剂后自腐蚀电位上升，由于药剂溶解抑制腐蚀能力逐渐加强，有利于阻碍腐蚀的发生。腐蚀电流为22μA，小于空白试验的34μA，腐蚀电流变小，而极化电阻则增加到1.104kΩ，不利于腐蚀的发生。通过失重法测得腐蚀速率，空白和加药后试样的腐蚀速率分别为0.310mm/a和0.070mm/a，缓蚀效果明显，加药后试片的腐蚀速率低于0.076mm/a，达到了油田集输管道的腐蚀标准。

电化学阻抗谱如图1b所示，加药后容抗增大，耐腐蚀能力提高。经过Zview软件拟合后，加药后溶液电阻基本没有变化，说明加入药剂之后对溶液的导电性没有影响，对其腐蚀性影响较小。20#钢膜层电阻和电荷传递电阻明显上升，耐腐蚀能力增强。

由于缓蚀主剂为有机磷酸，其结构中的P、O等原子能向金属原子提供孤对电子，在金属表面吸附成膜，抑制腐蚀电化学过程的发生，从而起到缓蚀作用。同时有机磷酸盐等的O、P原子均含有未成键电子对，可进入金属结构的空轨道形成配位体，在金属表面形成缓蚀剂分子的吸附层，抑制金属的腐蚀。

2.2阻垢性能分析

在采出液中加入缓蚀阻垢剂，每天采样，持续15天，分别对采出液样品做滴定实验，得到阻垢率如图2所示。阻垢作用主要由膦酸盐与共聚物阻垢剂复配而成,前者具有强螯合作用，与Ca2+、Mg2+等金属离子螯合生成易溶于水的螯合物,阻止垢的形成；后者为水溶性聚电解质，电荷密度高，产生离子间的斥力或空间位阻，阻止成垢晶核微粒相互接触，使垢不能聚结长大。此外，阻垢剂还可吸附在刚析出的晶核上，破坏和干扰晶核的正常生长，起到阻垢作用[5，6]。

图2 阻垢率随时间变化曲线

由图2可知，在加入缓蚀阻垢剂的前几天里，阻垢率分别为81%和83%，这说明药剂有效成分尚未完全发挥阻垢性能；在第四五天时药剂有效成分完全发挥作用，阻垢率也逐渐升高，可达到90%；在接下来的时间内阻垢率趋于稳定，在91%左右，波动不大，表明本产品的阻垢性能良好且稳定。

2.3最佳用量确定

针对采出液水质设计5组加注用量实验，加注量分别为5、10、15、20、25mg/L，进行电化学实验，测试结果如图3所示。

图3 不同用量时极化曲线和阻抗谱

由图3a可知，当加注量为10mg/L时，腐蚀电流较小，为7.5μA；自腐蚀电位较高，采出液极化电阻变大，不利于腐蚀的发生。当加注量为10mg/L时，20#钢在采出液中的腐蚀速率为0.069mm/a，低于国家管道腐蚀标准。由图3b可知，当加注量为10mg/L和15mg/L时，溶液的容抗较大，耐腐蚀性较好，综合实验和经济性，选择加注量为10mg/L。

2.4缓释性能分析

为了保证药剂的效果在采出液中持续作用，可以通过失重法对加入到采出液中定量的药剂进行检测，测得缓释速率，从而确定加药周期。固体缓蚀阻垢剂的粘合剂为聚乙烯醇，其综合性能良好，能有效固化缓蚀阻垢剂而不影响其缓蚀阻垢性能。由图4可知，固体药剂溶解和时间呈线性关系，约每10天溶解8%，由此确定加注周期约为3个月。根据采出液质量和加注药剂量计算，采出液中药剂含量在10～15mg/L之间，满足最佳加注用量要求。

图4 剩余质量百分数随取样时间变化曲线

3 结论

3.1加注药剂后，自腐蚀电位上升，腐蚀电流下降，极化电阻升高，腐蚀速率为0.070mm/a，研制固体缓蚀阻垢药剂缓蚀性能良好。

3.2在加注后4～5天药剂可达到理想阻垢效果，阻垢率可达90%；在加注15天内阻垢率波动不大，稳定在91%左右，阻垢效果稳定。

3.3聚乙烯醇为粘合剂缓释性能良好，缓释速率大约为每10天8%，确定加注周期约为3个月。

3.4固体缓释型缓蚀阻垢剂加注用量为10mg/L时，缓蚀性能良好，可用作大庆油田五厂地区水驱管道的专用缓蚀阻垢剂。

[1] 杜春安,赵修太,邱广敏.缓释型固体缓蚀阻垢剂的研制与应用[J].石油与天然气化工,2005,34(2):128～131.

[2] 汪双喜,谢小聪.油田结垢的防治方法[J].清洗世界,2010,26(12):8～10.

[3] 张银.油田缓蚀阻垢剂筛选及复配室内研究[J].全面腐蚀控制,2008,22(3):15～17.

[4] 上海化工厂.复合缓蚀阻垢剂的水质中稳定中试研究[J].化肥工业，1978，(1)：42～47

[5] 王兵,李长俊.管道结垢原因及常用分析方法[J].油气储运,2008,27(2):59～61.

[6] 王晏山,张洪林.缓蚀阻垢剂的筛选及工业应用[J].全面腐蚀控制,2005,19(4):22～27.