伴隨著能源消耗的持續(xù)上升,油氣田的勘探開發(fā)正逐漸向深井、超深井（>7 000 m）和極深井（>15 000 m）發(fā)展。酸化技術(shù)作為重要的增產(chǎn)增注手段仍將被用于深井的開發(fā)。在深井的酸化過程中,由于酸量多,且井下高溫（通常大于180 ℃）、高壓和高酸的惡劣環(huán)境,造成井下金屬設(shè)施和管道嚴(yán)重腐蝕。在眾多防腐蝕手段中,緩蝕劑因用量少、成本低、防腐蝕效果好,以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[1-4]。國內(nèi)外技術(shù)人員關(guān)于酸化緩蝕劑的研究與開發(fā)做了大量的工作,在中低溫酸化緩蝕劑的研究及應(yīng)用方面取得了較好的成果[5-7]。LI等[8]通過曼尼希堿與銻鹽復(fù)配的方法,研制出一種酸化緩蝕劑,能使2205雙相不銹鋼在140 ℃混和酸液中的腐蝕速率降為6.935 0 g/（m2·h）；李俊莉等[9]以肉桂醛、2-氨基吡啶和2-溴乙基磺酸鈉為原料合成了希夫堿基吡啶季銨鹽,在160 ℃下,其緩蝕效率可達(dá)96.41%。然而,多數(shù)緩蝕劑在高溫（180 ℃及以上）條件下對(duì)碳鋼的緩蝕效果并不理想[10-11]。目前,關(guān)于高溫酸化緩蝕劑的報(bào)道不多[12-13],且適用溫度達(dá)到180 ℃以上的更少[14-17]。因此,開發(fā)耐高溫的酸化緩蝕劑具有重要現(xiàn)實(shí)意義[18-19]。

筆者以3-甲基喹啉、氯化芐為原料合成了一種喹啉季銨鹽,將其作為主劑加入表面活性劑GTS、炔醇衍生物TC和螯合劑YHT,通過高溫（180 ℃）腐蝕試驗(yàn)優(yōu)選復(fù)配配方,得到耐高溫鹽酸酸化緩蝕劑GWS-G,并利用電化學(xué)測試、SEM-EDS（掃描電鏡及能譜）分析和XPS（X射線光電子能譜）分析等研究其緩蝕行為。

1. 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)試劑包括3-甲基喹啉、氯化芐、表面活性劑GTS、炔醇衍生物TC、螯合劑YHT、無水乙醇、37%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）鹽酸。試驗(yàn)材料為N80鋼（尺寸50 mm×10 mm×3 mm）,主要化學(xué)成分見表1。

1.2 耐高溫鹽酸酸化緩蝕劑的合成

1.2.1 緩蝕劑主劑的合成

以3-甲基喹啉和氯化芐為原料,無水乙醇為溶劑,制備了耐高溫鹽酸酸化緩蝕劑主劑（以下簡稱GWS）,并采用減壓抽濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,重結(jié)晶等工藝進(jìn)行提純。GWS外觀為紅棕色,密度為0.90 g/cm3。采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了合成條件,其反應(yīng)方程式如圖1所示。

圖 1 GWS反應(yīng)方程式

Figure 1. Reaction equation of GWS

1.2.2 緩蝕劑的復(fù)配

緩蝕劑主劑與助劑的復(fù)配過程如下：按配方（采用單因素法進(jìn)行確定）將一定比例的緩蝕劑主劑與助劑在60 ℃水浴鍋中加熱,充分?jǐn)嚢?使助劑與主劑充分溶解混合,得到耐高溫鹽酸酸化緩蝕劑（簡稱GWS-G）。

1.3 緩蝕劑性能評(píng)價(jià)

1.3.1 失重法

采用金相砂紙逐級(jí)打磨N80鋼表面后,依次使用丙酮與無水乙醇除去N80鋼表面油污和水漬并用冷風(fēng)風(fēng)干,將風(fēng)干后的N80鋼放入真空干燥箱內(nèi),30 min后用分析天平稱量（精確至0.000 1 g）。

依據(jù)SY/T5405-2019《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》,在指定條件下對(duì)緩蝕劑的緩蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。腐蝕介質(zhì)為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同）HCl溶液、腐蝕時(shí)間為4 h；高溫腐蝕試驗(yàn)溫度為180 ℃、緩蝕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%；低溫腐蝕試驗(yàn)溫度為90 ℃、緩蝕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。

1.3.2 電化學(xué)方法

電化學(xué)試驗(yàn)采用CHI660C電化學(xué)工作站,試驗(yàn)介質(zhì)為含不同量復(fù)配緩蝕劑的20%鹽酸溶液,測試溫度為30 ℃。電化學(xué)測試使用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極（SCE）,輔助電極為Pt電極,工作電極為采用環(huán)氧樹脂封裝,并留出1 cm2工作面的N80鋼電極。極化曲線的掃描電位為-0.2~0.2 V,掃描速率為5 mV/s。電化學(xué)阻抗譜（EIS）試驗(yàn)在開路電位（OCP）下進(jìn)行,擾動(dòng)信號(hào)為5 mV正弦波,頻率范圍為10 Hz~100 kHz。阻抗測量后使用ZSimpWin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到EIS參數(shù)。

1.3.3 掃描電鏡及能譜分析

將N80鋼試樣分別置于添加與未添加5.0%復(fù)配緩蝕劑的20%鹽酸中,180 ℃腐蝕4 h后,取出清洗,采用Quanta 200型掃描式電子顯微鏡（荷蘭FEI公司）分析試樣腐蝕前后表面狀態(tài)、形貌以及表面元素組成。

1.3.4 X射線電子能譜分析

采用德國Thermo Scientific ESCALAB Xi+型X射線光電子能譜儀分析腐蝕后試樣表面元素及腐蝕產(chǎn)物。

2. 結(jié)果與討論

2.1 緩蝕劑主劑的合成優(yōu)化

采用正交試驗(yàn)法對(duì)GWS的制備條件進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)置反應(yīng)物3-甲基喹啉與氯化芐的物質(zhì)的量之比（因素A）、反應(yīng)溫度（因素B）以及反應(yīng)時(shí)間（因素C）為正交試驗(yàn)因素,以N80鋼在90 ℃、20%鹽酸溶液中的腐蝕速率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置3因素3水平正交試驗(yàn)表,如表2所示。