适用高温、高cl^-工况下的缓蚀剂合成及评价
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第 37 卷第 1 期 2020 年 3 月 25 日
文章编号：1000-4092（2020）01-155-04
油田化学 Oilfield Chemistry
Vol.37 No.1 25 Mar，2020
适用高温、高 Cl-工况下的缓蚀剂合成及评价*
赵海洋，石 鑫，刘冬梅，魏晓静，高秋英
（中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011）
采用失重法评价合成的缓蚀剂 QA 在高矿化 度、高 Cl—含量下对挂片的缓蚀效率。在实验前先 用蒸馏水清洗腐蚀挂片，然后分别用蘸有丙酮和无 水乙醇的脱脂棉擦拭，以实现对腐蚀挂片的去油除 水。将擦 拭 干 净 的 腐 蚀 挂 片 用 吹 风 机 吹 干 ，用 电 子天平进行称量，记录挂片的质量 m0；用游标卡尺 测量挂片的长度、宽度和厚度，分别测量 3 次，取 平均值。
0 前言
当前大多数油田的开采进入中后期，采出水的 温度和矿化度越来越高 。 ［1-2］ 水中的矿物质离子尤 其 是 Cl- 的 含 量 的 增 加 ，会 使 管 道 形 成 严 重 的 点 蚀［3］，甚至腐蚀穿孔，造成巨大的经济损失和安全问 题。投放缓蚀剂是一种常用的腐蚀防护方法，具有 投资成本低、实施简单、效果明显、适用性强等优 点［4］，已在石油行业广泛应用。目前国内对于耐高 温、高 Cl-的缓蚀剂的研究也有所报道，zhang 等研 制的一种新型咪唑啉硫酸盐，在浓度为 200 mg/L 时 在 1 mol/L 的盐酸溶液中对 Q235 钢的缓蚀率可达 96%［5］。 王 霞 等 合 成 的 一 种 曼 尼 希 碱 季 铵 盐 缓 蚀 剂，在 130℃、20%盐酸体系中加入量为 0.5%时对 P110 钢材的缓蚀率达到 90%以上［6］。杨永飞等用甲 醛、脂肪胺和芳香酮合成的缓蚀剂 MNX 在与增效 剂复配后可耐 150℃高温［7］。虽然目前对高温缓蚀 剂的研究较多，也有较好的结果，但目前常用的缓 蚀剂单剂在高矿化度条件下的缓蚀效果均较差。
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油田化学
2020 年
135℃时，加入适量无水乙醇，继续加热至某一温度 后恒温反应一段时间，反应结束后降温至 95℃时再 加入一定量无水乙醇，最后取出样品放入干燥环境 密封保存。合成路径如下：
Cl N+ Cl-
N
1.3 红外光谱表征 缓蚀剂 QA 为黏稠状的液体，因此采用液膜法
进行红外光谱测试。首先将缓蚀剂 QA 直接滴在两 块盐片之间，形成没有气泡的毛细厚度液膜，然后 用夹具固定，放入仪器光路中进行测试。 1.4 缓蚀剂的性能评价
* 收稿日期：2019-02-21；修回日期：2019-07-12。 作者简介：赵海洋（1974-），男，教授级高工，西南石油大学油气田开发专业博士（2011），主要从事油气田开发工程技术研究，通讯地址： 830011 新疆乌鲁木齐新市区长春南路 466 号，电话：0991-3166628，E-mail：zhaohy.xbsj@。
m·2 h；vcorr为添加缓蚀剂实验的腐蚀rials Studio 2017 软件进行分子动力
使用高温高压反应釜模拟高温、高 Cl-腐蚀条 件，反应釜内模拟水的体积为 2 L，实验周期为 72 h， 温 度 为 140℃ ，缓 蚀 剂 浓 度 为 200 mg/L，压 力 为 4 MPa。实验结束后将挂片取出，用酸洗液浸泡 5数 10 min，再用蘸有无水乙醇的脱脂棉进行擦拭，将擦 拭 干 净 的 挂 片 用 吹 风 机 吹 干 ，用 电 子 天 平 进 行 称 重，记录其质量 mt，分别按式（1）和（2）计算挂片在 模拟水中的腐蚀速率和缓蚀剂在高矿化度水中对 挂片的缓蚀效率［8-10］：
摘要：为了满足我国西北油田高温、高矿化度的恶劣开采条件，本文合成了一种喹啉季铵盐缓蚀剂 QA，利用红外 光谱对合成的样品进行了分析，然后通过高温高压动态反应釜实验考察了缓蚀剂在高温和高 Cl-工况下的缓蚀 效果，并利用分子动力学模拟实验研究了所合成缓蚀剂的缓蚀机理。研究表明：喹啉季铵盐 QA 在 140℃、Cl-浓 度为 30000 mg/L 环境中对 N80 和 P110 钢的缓蚀效率在 92 %以上，是一种缓蚀效果良好的缓蚀剂。此外，分子动 力学模拟实验结果表明，缓蚀剂 QA 能够取代金属表面的 Cl-，减少金属与 Cl-接触，延缓 Cl-在金属表面的腐蚀反 应；同时缓蚀剂 QA 的存在使 Cl-在金属表面的吸附能降低，从而延缓了 Cl-对金属的腐蚀，起到缓蚀效果。图 5 表 1 参 16 关键词：缓蚀剂；高温；高 Cl-；分子动力学模拟；合成 中图分类号：TG174.42 文献标识码：A DOI：10.19346/ki.1000-4092.2020.01.027
ｖ=
８．７６¥１０４¥ （ｍｔＳ◊ ｔ◊ r
ｍ０）
（1）
其中，v 为腐蚀速率，mm/a；mt为实验后挂片的质量， g；m0 为实验前挂片的质量，g；S 为挂片的总面积， cm2；t 为实验时间，h；ρ为挂片的密度，g/cm3。
h
=
u０
- ｖｃｏｒｒ¥ u０
１００％
（2）
其中，η为缓蚀效率，%；v0为空白实验的腐蚀速率，g/
醇，国药化学试剂有限公司；丙酮，国药化学试剂有 限公司；氯化苄，东营施普瑞石油工程技术有限公 司；酸洗液，自制。
C-276 型磁力驱动高温高压反应釜，威海磁力 化工机械有限公司；Nicolet-6700 型傅里叶变换红外 光谱仪，Bruker 公司。 1.2 缓蚀剂的合成
取一定量的喹啉和氯化苄放入干燥的三口烧 瓶 中 ，并 将 其 放 置 于 油 浴 锅 中 加 热 ，当 温 度 达 到
本文合成一种耐高温、高 Cl-的喹啉季铵盐缓蚀剂 QA，并通过红外光谱技术验证喹啉季铵盐缓蚀剂分 子合成情况，使用高温高压动态反应釜模拟油田管 道实际情况，采用失重试验评价缓蚀剂分子的缓蚀 性能，并通过分子动力学模拟对缓蚀剂的缓蚀机理 作出解释。
1 实验部分
1.1 材料与仪器 喹啉（99%），上海奥科化学品有限公司；无水乙
文章编号：1000-4092（2020）01-155-04
油田化学 Oilfield Chemistry
Vol.37 No.1 25 Mar，2020
适用高温、高 Cl-工况下的缓蚀剂合成及评价*
赵海洋，石 鑫，刘冬梅，魏晓静，高秋英
（中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011）
采用失重法评价合成的缓蚀剂 QA 在高矿化 度、高 Cl—含量下对挂片的缓蚀效率。在实验前先 用蒸馏水清洗腐蚀挂片，然后分别用蘸有丙酮和无 水乙醇的脱脂棉擦拭，以实现对腐蚀挂片的去油除 水。将擦 拭 干 净 的 腐 蚀 挂 片 用 吹 风 机 吹 干 ，用 电 子天平进行称量，记录挂片的质量 m0；用游标卡尺 测量挂片的长度、宽度和厚度，分别测量 3 次，取 平均值。
0 前言
当前大多数油田的开采进入中后期，采出水的 温度和矿化度越来越高 。 ［1-2］ 水中的矿物质离子尤 其 是 Cl- 的 含 量 的 增 加 ，会 使 管 道 形 成 严 重 的 点 蚀［3］，甚至腐蚀穿孔，造成巨大的经济损失和安全问 题。投放缓蚀剂是一种常用的腐蚀防护方法，具有 投资成本低、实施简单、效果明显、适用性强等优 点［4］，已在石油行业广泛应用。目前国内对于耐高 温、高 Cl-的缓蚀剂的研究也有所报道，zhang 等研 制的一种新型咪唑啉硫酸盐，在浓度为 200 mg/L 时 在 1 mol/L 的盐酸溶液中对 Q235 钢的缓蚀率可达 96%［5］。 王 霞 等 合 成 的 一 种 曼 尼 希 碱 季 铵 盐 缓 蚀 剂，在 130℃、20%盐酸体系中加入量为 0.5%时对 P110 钢材的缓蚀率达到 90%以上［6］。杨永飞等用甲 醛、脂肪胺和芳香酮合成的缓蚀剂 MNX 在与增效 剂复配后可耐 150℃高温［7］。虽然目前对高温缓蚀 剂的研究较多，也有较好的结果，但目前常用的缓 蚀剂单剂在高矿化度条件下的缓蚀效果均较差。
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油田化学
2020 年
135℃时，加入适量无水乙醇，继续加热至某一温度 后恒温反应一段时间，反应结束后降温至 95℃时再 加入一定量无水乙醇，最后取出样品放入干燥环境 密封保存。合成路径如下：
Cl N+ Cl-
N
1.3 红外光谱表征 缓蚀剂 QA 为黏稠状的液体，因此采用液膜法
进行红外光谱测试。首先将缓蚀剂 QA 直接滴在两 块盐片之间，形成没有气泡的毛细厚度液膜，然后 用夹具固定，放入仪器光路中进行测试。 1.4 缓蚀剂的性能评价
* 收稿日期：2019-02-21；修回日期：2019-07-12。 作者简介：赵海洋（1974-），男，教授级高工，西南石油大学油气田开发专业博士（2011），主要从事油气田开发工程技术研究，通讯地址： 830011 新疆乌鲁木齐新市区长春南路 466 号，电话：0991-3166628，E-mail：zhaohy.xbsj@。
m·2 h；vcorr为添加缓蚀剂实验的腐蚀rials Studio 2017 软件进行分子动力
使用高温高压反应釜模拟高温、高 Cl-腐蚀条 件，反应釜内模拟水的体积为 2 L，实验周期为 72 h， 温 度 为 140℃ ，缓 蚀 剂 浓 度 为 200 mg/L，压 力 为 4 MPa。实验结束后将挂片取出，用酸洗液浸泡 5数 10 min，再用蘸有无水乙醇的脱脂棉进行擦拭，将擦 拭 干 净 的 挂 片 用 吹 风 机 吹 干 ，用 电 子 天 平 进 行 称 重，记录其质量 mt，分别按式（1）和（2）计算挂片在 模拟水中的腐蚀速率和缓蚀剂在高矿化度水中对 挂片的缓蚀效率［8-10］：
摘要：为了满足我国西北油田高温、高矿化度的恶劣开采条件，本文合成了一种喹啉季铵盐缓蚀剂 QA，利用红外 光谱对合成的样品进行了分析，然后通过高温高压动态反应釜实验考察了缓蚀剂在高温和高 Cl-工况下的缓蚀 效果，并利用分子动力学模拟实验研究了所合成缓蚀剂的缓蚀机理。研究表明：喹啉季铵盐 QA 在 140℃、Cl-浓 度为 30000 mg/L 环境中对 N80 和 P110 钢的缓蚀效率在 92 %以上，是一种缓蚀效果良好的缓蚀剂。此外，分子动 力学模拟实验结果表明，缓蚀剂 QA 能够取代金属表面的 Cl-，减少金属与 Cl-接触，延缓 Cl-在金属表面的腐蚀反 应；同时缓蚀剂 QA 的存在使 Cl-在金属表面的吸附能降低，从而延缓了 Cl-对金属的腐蚀，起到缓蚀效果。图 5 表 1 参 16 关键词：缓蚀剂；高温；高 Cl-；分子动力学模拟；合成 中图分类号：TG174.42 文献标识码：A DOI：10.19346/ki.1000-4092.2020.01.027
ｖ=
８．７６¥１０４¥ （ｍｔＳ◊ ｔ◊ r
ｍ０）
（1）
其中，v 为腐蚀速率，mm/a；mt为实验后挂片的质量， g；m0 为实验前挂片的质量，g；S 为挂片的总面积， cm2；t 为实验时间，h；ρ为挂片的密度，g/cm3。
h
=
u０
- ｖｃｏｒｒ¥ u０
１００％
（2）
其中，η为缓蚀效率，%；v0为空白实验的腐蚀速率，g/
醇，国药化学试剂有限公司；丙酮，国药化学试剂有 限公司；氯化苄，东营施普瑞石油工程技术有限公 司；酸洗液，自制。
C-276 型磁力驱动高温高压反应釜，威海磁力 化工机械有限公司；Nicolet-6700 型傅里叶变换红外 光谱仪，Bruker 公司。 1.2 缓蚀剂的合成
取一定量的喹啉和氯化苄放入干燥的三口烧 瓶 中 ，并 将 其 放 置 于 油 浴 锅 中 加 热 ，当 温 度 达 到
本文合成一种耐高温、高 Cl-的喹啉季铵盐缓蚀剂 QA，并通过红外光谱技术验证喹啉季铵盐缓蚀剂分 子合成情况，使用高温高压动态反应釜模拟油田管 道实际情况，采用失重试验评价缓蚀剂分子的缓蚀 性能，并通过分子动力学模拟对缓蚀剂的缓蚀机理 作出解释。
1 实验部分
1.1 材料与仪器 喹啉（99%），上海奥科化学品有限公司；无水乙