泡排-水合物防聚-缓蚀一体剂研究

作     者：董洁 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈刚;董三宝

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：泡排 缓蚀 Langmuir吸附 水合物防聚 

摘      要：目前天然气的开采伴随着各种难题,如井底积液增加、腐蚀性物质积累、水合物聚集等。目前针对天然气开采中存在的这几点问题的解决方法分别是加入单一剂(泡排剂、缓蚀剂和水合物防聚剂),工艺复杂且存在兼容性问题,采用泡排-缓蚀-水合物防聚一体剂的方法优势突出,但同时解决三种缺点的多功能一体剂研究较少。本文基于泡排、缓蚀、防聚的机理,构建出新型泡排-缓蚀-水合物防聚一体剂,使其同时具有泡排、缓蚀、防聚的效果,为提高天然气的开采效率提供了新的思路。具体研究内容及结果如下:(1)不同类型的泡排剂筛选复配,获得了三组起泡能力非常好的泡排剂配方:(a)4D-1配方:0.05%十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)+0.7%椰油酰胺丙基甜菜碱(CDAB)+0.6%脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO7)+0.05%ɑ-烯基磺酸钠(AOST)高搅后的泡沫体积达550 mL,表面张力低至22.4 mN·m,对于NaCl、KCl、MgCl和CaCl的耐受程度分别为75、50、300和150 g/L,甲醇浓度为15%时,初始高度大于17 cm,20 min后的高度扔大于16 cm,说明甲醇对配方的影响不大;(b)4D-2配方:0.6%月桂酰胺丙基甜菜碱(LAB-35)+0.05%ɑ-烯基磺酸钠(AOST)+0.05%烷基磺酸钠(SASE)+0.07%十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)高搅后的泡沫体积达565 mL,表面张力低至22.0 mN·m,甲醇浓度加至15%时,初始泡沫高度大于16 cm,20 min时仍大于15.5 cm;(c)4D-3配方:0.1%ɑ-烯基磺酸钠(AOST)+0.3%十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)高搅后的泡沫体积达520 mL,表面张力低至26.4 mN·m,对于NaCl、KCl、MgCl和CaCl的耐受程度分别为100、100、75和75 g/L,甲醇浓度为15%时,高度始终大于16 cm,说明甲醇对配方的影响不大。三种配方均拍摄了泡沫微观结构,可看出无论稀释或增加浓度倍数(0.5～2倍),泡沫壁均保持着相对较好的厚度,这说明泡沫的稳定性好。(2)将三种泡排剂分别加入缓蚀剂筛选,结合经济效益及缓蚀效果最终确定泡排缓蚀配方为:0.1%AOST+0.3%BS-12+0.3%SLS+0.5%水合肼,即4DF-4一体剂配方,对其进行静态挂片失重法实验(60℃下通入空气5 min后反应168 h),此一体剂对于Q235钢的缓蚀率可达到92.59%,腐蚀速率为0.0076 mm/a。借助科斯特电化学工作站对一体剂进行动电位极化扫描、交流阻抗测试,得到极化曲线及阻抗谱图,从拟合后的极化曲线可以看出,加入一体剂后,腐蚀电位发生正移且移动量大于80 mV,说明此一体剂主要是通过抑制阳极从而起到缓蚀的作用。拟合后Nyquist阻抗谱可以得出随着浓度的增大,单容抗弧的半径不断增大,直至保持不变。而当浓度增加至0.5倍配方浓度时,分子在金属界面吸附将近饱和,容抗弧半径几乎不再变化,缓蚀效率接近最佳。再将配方进行不同温度下不同浓度的配方缓蚀性能评价,再进行热力学及动力学分析:结果显示Ea随着浓度增加,先降低又增加,说明金属与一体剂界面存在物理与化学吸附,加入一体剂后的活化能相比空白溶液中更高。本一体剂吸附适合Langmuir吸附等温式,其相关线性回归系数达到0.99995。同时,对不同温度下的缓蚀率进行吸附曲线拟合,通过拟合计算出吸附常数K值,通过K值的大小确定ΔG(吉布斯自由能)的大小,从而得到一体剂存在强物理吸附。(3)将通过泡排、缓蚀筛选后得到的4DF-4一体剂进行表面张力的测量,最小张力为23.5 mN/m,盐的类型对一体剂影响的大小序列分别为KClNaClMgClCaCl,进而对一体剂进行抗温性能、抗甲醇性能、微观结构的测试,在20 min时,无论一体剂的浓度是标准浓度的0.5倍、1倍、1.5倍还是2倍,泡沫形貌均未出现明显的多边形结构,得到的一体剂作为助排剂性能优良,再对其进行起泡能力以及携液量的测量,在65℃下测得一体剂的初始起泡高度为21.5 cm,携液量为143 mL,携液率达71.5%。随着一体剂浓度增加,界面扩张模量及粘度减小,最终趋于稳定。通过紫外分光光度计进行一体剂的吸附性实验,由紫外光谱图可以看出,在362 nm处产生的吸收峰随着浓度及Fe粉的增加,发生明显的红移,且吸收峰均有所增强,这可能是一体剂吸附在Fe原子的表面,与金属离子发生了配位作用。而钢片的表面微观形貌中的2D图像可以观察到,钢片表面光滑,3D及高度图中紫色越多代表点蚀坑越深,随着水合肼浓度的增加,紫色区域明显减小,点蚀范围显著降低,最大腐蚀深度也从不加水合肼的11.52μm,逐渐随着水合肼浓度的增加降至5.24μm。通过水合物微观形貌装置观测水合物生长,可以看出一体剂加后,