耐高溫重質(zhì)水凝膠載控緩蝕體系靶向抑制油氣田酸性環(huán)境管線腐蝕
近日,化學(xué)工程領(lǐng)域國際雜志Chemical Engineering Journal(JCR分區(qū)Q1,中國科學(xué)院工程技術(shù)1區(qū),IF=13.4)刊發(fā)中國科學(xué)院海洋研究所田惠文研究員的最新研究成果Temperature-controlled sinking delivery of thermostable alkyl substituted benzimidazole by sodium alginate polymer gel network for efficient inhibition of carbon steel corrosion in acid oilfield solution。
在石油和天然氣井下的飽和CO2腐蝕會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和安全問題,特別是當(dāng)Q235碳鋼結(jié)構(gòu)暴露在高于50℃的溫度的環(huán)境時(shí),其腐蝕速率比室溫高5到10倍。同時(shí),在數(shù)千米的深井中,短期添加的緩蝕劑會(huì)發(fā)生大量的冗余浪費(fèi)現(xiàn)象,常見的緩蝕劑體系會(huì)因密度不足無法沉入井下腐蝕區(qū)域,這長期以來一直被普遍認(rèn)為是深層油井用緩蝕劑的三大難點(diǎn)問題。最近,具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠材料引起了廣泛關(guān)注。海藻酸鹽凝膠是典型的水凝膠材料,由于其疏松多孔的結(jié)構(gòu)和良好的摻雜改性能力,有望成為使用于嚴(yán)苛環(huán)境下的載體材料,大大延長緩蝕劑載物的作用時(shí)間。在海藻酸鹽凝膠體系中摻雜聚丙烯酰胺(PAM)、硫酸鋇(BaSO4) 作為溫控、沉降響應(yīng)因子,并負(fù)載新型合成的耐高溫咪唑緩蝕劑(OBIP),通過凝膠與聚合物孔隙率差異,實(shí)現(xiàn)緩蝕體系的溫控釋放和長效防護(hù),有望解決油井用緩蝕劑的三大問題,形成了針對(duì)高溫油氣井下CO2腐蝕的緩蝕防護(hù)新方案。
本研究工作如圖1所示,制備了耐高溫緩蝕劑OBIP并將其負(fù)載得到海藻酸鈉聚合物緩蝕體系(SA@PAM@OBIP)。如圖2所示,針對(duì)超過3000m的油氣井,在添加緩蝕劑體系SA@PAM@OBIP下,在井底重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域的釋放率達(dá)30%以上。本體系的緩蝕-釋放機(jī)理如圖3所示。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬分析,緩蝕體系中的耐高溫緩蝕劑OBIP具有多個(gè)極性吸附中心,在高溫環(huán)境中,耐高溫緩蝕劑OBIP的緩蝕效率達(dá)到85%以上,超越同類產(chǎn)品25%,可碳鋼表面形成更加穩(wěn)定的吸附膜層。同時(shí)結(jié)合載體網(wǎng)絡(luò)的溫控釋放效應(yīng),實(shí)現(xiàn)快速沉降使其在井下工作區(qū)域釋放率超過30%,溫度響應(yīng)使緩蝕劑釋放率差異達(dá)50%以上,并使緩蝕劑在油井環(huán)境中緩蝕作用時(shí)間延長3倍,達(dá)48h以上,解決了緩蝕體系的實(shí)踐應(yīng)用問題,成功實(shí)現(xiàn)了在高溫油氣田CO2腐蝕環(huán)境對(duì)碳鋼的長效防護(hù)。

圖1 耐高溫咪唑衍生物緩蝕劑OBIP和海藻酸鹽凝膠重質(zhì)緩蝕體系SA@PAM@OBIP的制備方案

圖2 SA@PAM@OBIP在高溫油井中各深度范圍防護(hù)區(qū)域的緩蝕劑釋放率分布

圖3 海藻酸鹽聚合物凝膠緩蝕體系的緩蝕-釋放機(jī)理圖
本研究通過合成耐高溫咪唑緩蝕劑并負(fù)載于海藻酸鹽凝膠網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了一種溫控響應(yīng)、長效控釋的針對(duì)高溫油井環(huán)境的緩蝕體系,形成了針對(duì)高溫油氣田CO2腐蝕的新的緩蝕防護(hù)方案。同時(shí)這項(xiàng)研究在深海管道,海水制氫,海上風(fēng)電管道等類似腐蝕環(huán)境的防護(hù)提供重要參考價(jià)值。
本論文共同第一作者為海洋所碩士研究生賀子麒和博士后孫欣,通訊作者為田惠文研究員,香港理工大學(xué)的鄒芳鑫助理教授為本研究提供部分技術(shù)和資金支持。本研究得到了江蘇省海洋資源開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心海洋科技項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和煙臺(tái)開發(fā)區(qū)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃的支持。
論文信息:
Sun X,He Z,Zou F,Tian H*. Temperature-controlled sinking delivery of thermostable alkyl substituted benzimidazole by sodium alginate polymer gel network for efficient inhibition of carbon steel corrosion in acid oilfield solution[J]. Chemical Engineering Journal,2025: 162912.
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