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《中国海洋大学》 2008年
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油田钻具、管道系统腐蚀规律及缓蚀剂缓蚀性能和机制研究

刘福国  
【摘要】: 油田钻具和管道系统腐蚀是油田工程中普遍存在的问题。钻具的腐蚀主要源自于钻井液中的氧气、各种离子及温度等。管道的腐蚀最主要是因为输送的流体中含有CO_2,尤其是在高温和高压下,CO_2腐蚀更严重。 根据钻井液的组成成分,选择十种盐水钻井液常用的单一盐(NaCl、KCl、CaCl_2、MgCl_2、ZnCl_2、NaBr、CaBr_2、ZnBr_2、CHOONa和CHOOK)和复合盐作为研究对象,分析单一盐和复合盐对钻具钢(G105)的腐蚀机理。结果表明:腐蚀速率随着盐浓度的增加而降低,G105钢在无机盐中的腐蚀速率大于有机盐的腐蚀速率。在无机盐中, ZnBr_2溶液中腐蚀速率最大;CaBr_2溶液和NaCl溶液中的腐蚀速率都较小。ZnBr_2和ZnCl_2溶液中主要发生的阴极反应为氧和H~+的去极化反应。溶解氧含量基本随盐浓度增加呈线性降低。瞬时腐蚀速率表明G105钢在各种单一盐中的腐蚀产物膜对腐蚀速率基本没有影响。 复合盐中各种离子及温度是影响腐蚀速率最重要的因素,所以采用拉丁正交实验研究离子和温度对腐蚀速率的影响。拉丁正交实验表明:Cl~-对腐蚀速率影响最大,温度次之,而Br-对腐蚀速率的影响最小,Ca~(2+)对腐蚀速率的影响较Mg~(2+)稍大。G105钢在复合盐水中腐蚀速率最低的配方为:温度40°C、5mol/LCl~-、0.04mol/LCa~(2+)、0.008mol/LMg~(2+)、0.016mol/LBr-,此时腐蚀速率为0.0197g/m~2·h(0.022mm/a)。拉丁实验中1、2、10号实验腐蚀产物主要为β-FeOOH。 根据地层特性和钻井深度的要求,复合盐钻井液中常采用加入ZnBr_2增加复合盐的密度。采用失重实验研究了G105钢在复合盐中加入不同量ZnBr_2的腐蚀规律。结果表明G105钢在不同密度复合盐中的腐蚀速率随着密度的增加先降低再增加;随着温度的增加而增加。 添加缓蚀剂是抑制腐蚀的一种有效、经济的防护措施。60℃时缓蚀剂QA在复合盐水钻井基液中缓蚀剂浓度为200mg/L时对G105钢缓蚀率为94%。QA对阴、阳极反应都有抑制,腐蚀电位负移,对阳极极化Tafel斜率影响较大,而阴极极化曲线Tafel斜率没有发生明显变化。 80℃四元和五元复配缓蚀剂对G105钢在23.7%NaCl溶液中缓蚀率都达到80%以上。四元缓蚀剂对阴、阳极极化Tafel斜率的改变都较大,尤其是阳极极化Tafel斜率,复配缓蚀剂是以控制阳极反应为主的混合型缓蚀剂。四元缓蚀剂在不同浓度时的作用类型发生改变。五元复配缓蚀剂主要是控制阳极反应为主的混合型缓蚀剂,缓蚀率随着缓蚀剂浓度的增加而增加。 在中性溶液中QA、四元和五元缓蚀剂有较好的缓蚀性能,而抑制CO_2腐蚀应用最广且效果较好的是咪唑啉类缓蚀剂。失重法和电化学方法表明自制两种咪唑啉缓蚀剂(HSJ-1和HSJ-2)对管道钢(Q235)在饱和CO_2盐水中都有优异的缓蚀性能,缓蚀率都随着温度和缓蚀剂浓度增大而增大。在相同的缓蚀效果下,缓蚀剂HSJ-2的用量(摩尔浓度)更低。两种缓蚀剂都使腐蚀电位变化不大,都对阴、阳极极化Tafel斜率的影响比较大。缓蚀剂HSJ-2的缓蚀率稍好于HSJ-1,HSJ-2出现缓蚀剂脱附现象,298K和328K时两种缓蚀剂作用方式是几何覆盖效应。 缓蚀剂HSJ-1和HSJ-2在Q235钢上的吸附符合Frumkin吸附等温式。对于HSJ-1,Frumkin吸附等温式(kc=(θ/(1-θ))EXP(-fθ))中吸附平衡常数k值在20000左右,f值在2.4~2.8之间;而对于HSJ-2,采用matlab拟合得到k在46000和63000之间, f在2左右,采用最小二乘法计算结果相差较大,k值在35000左右,f值在2.4~2.9。HSJ-2的吸附平衡常数(k)大于HSJ-1的吸附平衡常数,HSJ-2吸附反应(Fe+HSJ(缓蚀剂)(?) Fe(HSJ)ads)比HSJ-1更倾向于向右移动,故HSJ-2的缓蚀效果稍好。缓蚀剂之间是相互吸引的。两种缓蚀剂的吉布斯自由能(ΔGoads)均为负值。 分子动力学模拟表明两种咪唑啉类缓蚀剂分子以咪唑啉环和杂原子与Fe表面发生相互作用,HSJ-1的烃基链与金属面平行,而HSJ-2的烃基链大致与金属面垂直。 表面技术分析表明298K下Q235钢在饱和CO_2盐水中腐蚀产物主要成分为γ-FeOOH、FeCO_3、Fe_3O_4;而在328K时腐蚀产物主要成份为FeCO_3、Fe_3O_4和Fe_2O_3。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TG174.42

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【引证文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘福国;油田钻具、管道系统腐蚀规律及缓蚀剂缓蚀性能和机制研究[D];中国海洋大学;2008年
2 胡茂焱;钻井液设计系统的研究[D];中国地质大学(北京);2005年
3 余会成;6063铝合金三价铬化学转化膜的制备及性能研究[D];中南大学;2009年
4 陈礼仪;泡沫及泡沫钻进技术的理论与实践[D];成都理工大学;2004年
5 田洪祥;内燃机冷却液缓蚀剂的应用研究[D];武汉理工大学;2005年
6 王在明;超临界二氧化碳钻井液特性研究[D];中国石油大学;2008年
7 万里平;空气钻井中钻具腐蚀与防护及其机理研究[D];西南石油学院;2004年
8 冯媛媛;铁表面自组装含氮杂环化合物、卟啉类和烷基胺类分子膜的研究[D];山东大学;2007年
9 杨旭;镁合金表面有机转化膜的制备及性能研究[D];重庆大学;2009年
10 张哲;贵金属纳米粒子及咪唑类化合物在铁表面自组装膜的研究[D];山东大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 侯彬;饱和盐水钻井液缓蚀剂研究[D];南京工业大学;2003年
2 郝彬彬;抗高温高密度无固相完井液研究[D];大庆石油学院;2009年
3 单江涛;磺化钻井液中钻具腐蚀机理和缓蚀剂的研究[D];南京工业大学;2004年
4 王献群;唑类有机化合物的合成及其在碳酸氢钠介质中对铜缓蚀性能的研究[D];新疆大学;2007年
5 周应华;大陆科学钻探钻井液体系研究——新型甲酸盐无固相钻井液体系研究[D];成都理工大学;2002年
6 彭商平;合成基钻井液研究[D];西南石油学院;2004年
7 彭建伟;大庆油田水平井水基钻井液体系研究[D];大庆石油学院;2004年
8 赵昀;咪唑啉型缓蚀剂的合成及其缓蚀行为研究[D];北京化工大学;2006年
9 刘艳霞;咪唑啉类缓蚀剂的制备及其缓蚀性能研究[D];大连交通大学;2006年
10 张海青;硅酸盐钻井液防塌性能试验研究[D];吉林大学;2004年
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