煤层气井酸洗中聚天冬氨酸的缓蚀效果研究

盖洁超，张 胜，吴 鹏

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.天津大港油田滨港集团博弘石油化工有限公司，天津 300270）

在山西沁水盆地煤层气的开采过程中，气井井下设备结垢现象严重并存在垢下局部腐蚀，反复检泵作业严重影响到了气井的正常生产[1]。为解决这个问题需进行针对性的酸洗除垢、防垢等工艺。针对现场所取垢样采用失重法筛选出质量分数为18%的盐酸作为酸洗除垢的主剂，添加酸洗缓蚀剂来缓解盐酸对于井下设备的腐蚀。

随着人们日益增加的环保意识，绿色无毒无害的缓蚀剂成为了国内外各行业的首选。聚天冬氨酸作为一种氨基酸类聚合物，对金属离子有着极强的螯合能力，并且无毒、不含磷，可降解为无害的氨、水和二氧化碳，具有一定的缓蚀阻垢能力[2]。聚天冬氨酸常被用作水处理剂，同时在农业、医药方面有着巨大的贡献[3]。但关于其作为金属缓蚀剂在酸性腐蚀介质下的研究比较少，在2004年，李春梅等[4]通过电化学阻抗谱法在盐酸环境下对其缓蚀性能进行了测试。笔者主要通过静态挂片实验来探究聚天冬氨酸在质量分数为18%的盐酸中的缓蚀能力，对前人的想法加以验证，同时通过与其他试剂的复配对其缓蚀性能加以提高，从而探究聚天冬氨酸是否可以作为绿色酸洗缓蚀剂应用于煤层气酸洗除垢工艺上。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验主要材料：N80标准挂片，尺寸为50 mm×10 mm×3 mm；聚天冬氨酸，山东远联化工股份有限公司；D-葡萄糖酸钠，十二烷基硫酸钠（表面活性剂），硅酸钠，乌洛托品，尿素，铁离子稳定剂（实验室自配），36%～38%（质量分数）浓盐酸，0.5 mol/L的氢氧化钠溶液，石油醚，无水乙醇，脱脂棉（以上试剂均采购自当地化玻仪器商店）。

实验主要仪器：FA2004电子分析天平；101-1型电热鼓风干燥箱；游标卡尺、100 mL具塞试管、试管架、烧杯、玻璃棒、滤纸。

1.2 实验方法

本文所涉及的实验方法均是遵循我国石油天然气行业标准SY/T 5405-1996《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》中的要求处理挂片，并进行缓蚀剂性能的测试[5]。采取静态挂片法来测定N80钢的腐蚀速度。实验的挂片为N80标准挂片，配制质量分数为18%的盐酸作为腐蚀介质，依照现场井下的实际温度选取实验温度为50℃，周期为7 d。

1.2.1 缓蚀挂片处理 挂片需经过金相砂纸磨光毛刺，待其表面光滑无缺陷后方可使用。用刷子将打磨好的挂片在石油醚中刷洗掉油污，放入无水乙醇中浸泡1 min～5 min后晾干，包裹防锈纸放在干燥器中24 h后称重，记录初始质量[6]。

做完实验后的挂片应当立即用大量水冲洗，如腐蚀面积不大，可用橡皮擦去腐蚀产物后将其放入无水乙醇中，用脱脂棉擦洗干净。干燥后称得实验后的质量。

1.2.2 缓蚀性能测定 针对聚天冬氨酸和其他药剂分别做了在同一浓度下的挂片实验，缓蚀剂的加入量为1.0%，并观察实验现象。在实验过程中发现尽管聚天冬氨酸在盐酸体系中具有较好的缓蚀效果，但仍达不到现场所需的缓蚀要求，故选择聚天冬氨酸与其他试剂复配，并筛选出最优配比。

1.2.3 缓蚀结果计算 根据失重法，腐蚀速率的计算方法根据如下公式：

式中：V－腐蚀速度，g/（m2·h）；Δm－挂片腐蚀前后的质量差值，g；A0-挂片的表面积，m2；t－腐蚀时间，h。

缓蚀率的计算方法根据如下公式：

式中：η-药剂对挂片的缓蚀效率；V0-空白实验的缓蚀速度，g/（m2·h）；V1-加入缓蚀药剂情况下的缓蚀速度，g/（m2·h）。

2 结果与分析

2.1 不同缓蚀剂筛选

实验条件：腐蚀介质：质量分数18%的盐酸，材质：N80钢挂片，温度：50℃，腐蚀周期：7 d，保持实验条件不变的前提下，进行不同试剂的筛选，得出结果（见表1）。

表1 不同缓蚀剂筛选结果

由表1可知：聚天冬氨酸在盐酸介质下，表现出了较好的缓蚀性能，与常用缓蚀剂乌洛托品的缓蚀性能相当。碘化钾在酸性介质中缓蚀性能最高，但由于其价格昂贵，且如果不注意用量会有点蚀的现象发生。考虑到聚天冬氨酸作为绿色可降解这一特点，与煤层气开采现场的需求相结合，故选择聚天冬氨酸与其他缓蚀剂复配，并加以铁离子稳定剂，表面活性剂，对其缓蚀性能进一步测定。

表2 缓蚀剂复配的评测结果

2.2 试剂复配的评测结果

实验条件：腐蚀介质：质量分数18%的盐酸，材质：N80 钢挂片，温度：50 ℃，腐蚀周期：7 d（见表2）。

由表2可知，当聚天冬氨酸与其他试剂复配时，与其中一些并没有产生很好的协同作用比如十二烷基硫酸钠、硅酸钠等，甚至低于其独自使用时的缓蚀效果。挑选出葡萄糖酸钠、乌洛托品进行初期复配，其缓蚀率达到了87.09%，但表面不够光滑，有轻微的钝涩感。考虑到尿素对于钢铁有缓蚀作用并同时有增光作用，遂在配方中加入尿素，缓蚀率达到了88.06%，表面较之前变得相对光滑。加入铁离子稳定剂后，缓蚀率升高到91.74%，表面光滑无点蚀。在该体系中聚天冬氨酸具有可降解绿色环保的特点，葡萄糖酸钠等药剂对环境也相对环保，符合当下可持续发展的要求，且实验证明聚天冬氨酸不仅仅适用于水处理缓蚀阻垢方面，在酸洗过程中产生的缓蚀作用亦不容小觑。

3 结论

通过静态挂片实验显示聚天冬氨酸在质量分数为18%的盐酸中的缓蚀效率为83.11%，验证了前人运用电化学阻抗谱法所得出的结果。证明了聚天冬氨酸在以盐酸为缓蚀介质的情况下具有一定的缓蚀作用。

通过与乌洛托品、葡萄糖酸钠、尿素复配并加以适当的铁离子稳定剂，其缓蚀效率得到了明显的提高，说明聚天冬氨酸可以通过试剂间的复配作为一种适合于煤层气的绿色环保型酸洗缓蚀剂，但在其缓蚀机理方面还需要加以进一步的探究。