Оптимальная ингибирующая композиция для кислых сред

Карачевский Д.Ю., Мустафин А.Г., Валекжанин И.В.



РН-БашНИПИнефть, Уфимский Институт химии РАН

В работе представлены результаты исследований по подбору оптимальной композиции ингибитора коррозии на основе имидазолина с кетоном или кетоксимом для кислотной среды. Проведены исследования по влиянию температуры на качество ингибирования. Изучены характеристики ингибирования при различном времени экспозиции (до 720 часов). Установлено влияние режима течения жидкости на качество ингибирования кетонами или кетоксимами. Показано, что для любого из случаев смена режима с ламинарного до турбулентного снижает степень защиты от 1,5 до 2,2 раза.
Введение
ктуальной задачей для нефтяной отрасли. Один из наиболее часто применяемых методов воздействия на призабойную зону пласта с целью восстановления и улучшения фильтрационных характеристик коллектора — кислотная обработка скважин [1–3]. При этом возникает проблема повышенного коррозионного износа скважинного оборудования, для этого необходимо использовать добавки: поверхностно-активные вещества, ингибиторы коррозии и т.д. Наиболее эффективным методом является использование ингибиторов коррозии различного состава [3–6].
В современных условиях развитие технологий приготовления или синтеза новых активных основ для ингибирующих композиций сопряжено с рядом трудностей. При этом постоянный рост требований к качеству, а также рост количества отказов по причине коррозионного разрушения приводят к необходимости использовать существующую материально-техническую базу [7–10].
Для решения данной проблемы предложено использование новых активных основ, к которым относятся кетоны и их производные — кетоксимы. Применение данных соединений имеет важное значение, так как в последние годы наблюдается рост производства и потребления кетонов, в связи с этим на предприятиях достаточно часто образуются излишки продуктов, которым не всегда могут найти применение. В то же время кетоксимы также имеют широкое распространение в различных областях мало- и крупнотоннажной химии, что говорит о потенциале для использования в качестве новых активных основ ингибирующих композиций.
В дополнение к этому важно отметить, что отличительной чертой органических ингибиторов коррозии (ИК) является наличие в структуре атомов кислорода, азота и серы [2].
Принято считать, что органические соединения оказывают ингибирующее действие за счет адсорбции на поверхности через атомы N, S и O, а также атомы с тройной или сопряженной двойной связью или ароматическим кольцом в их молекулярной структуре. Важным достоинством кетоксимов является наличие в структуре функциональной группы C=N-OH с электроотрицательными атомами N, O и двойной связью одновременно, которые имеют хорошую растворимость в воде, нетоксичны и биоразлагаемы [8]. Эти факторы важны в контексте текущего приоритета производства экологически чистых ингибиторов. Необходимо отметить, что информация о способности оксимных соединений к ингибированию в сильно коррозионно-агрессивных средах не изучена.
Материалы и методы
В качестве образца предложен имидазолиновый ингибитор коррозии, состав которого представлен в таблице 1. Имидазолиновый ингибитор коррозии был выбран, исходя из масштабности применения данного типа ингибитора в промышленности.
Табл. 1. Состав базового ИК

Для изучения были выбраны два соединения (рис. 1): а — октанон-3 и б — октанон-3-оксим. Выбор данных соединений основан на широте применения в полимерной промышленности, в качестве сырья для производства чернил, полимеров, а также в качестве антиоксидантов для процесса полимеризации. Также важным фактором является, что данный тип соединений ранее не рассматривался в качестве ингибирующих добавок или ингибиторов коррозии.
Для изучения ингибирующих свойств кетонов и кетоксимов использовался промышленный кислотный состав, представляющий собой товарную марку соляной кислоты марки А с содержанием HCl 27 %. Исследования проводились на стали Ст3 с составом, масс. %:

Fe — 98,36; C — 0,2; Mn — 0,5; Si — 0,15;

Р — 0,04; S — 0,05; Cr — 0,3; Ni — 0,2; Сu — 0,2.

Определение скорости коррозии осуществлялось при помощи гравиметрического и электрохимического метода (метода линейной поляризации), согласно ГОСТ 9.506-87.
Рис. 1. Соединения для исследования:
а — октанон-3, б — октанон-3-оксим

Изучение ингибирующих свойств кетонов и кетоксимов
Каждая из исследованных композиций была приготовлена на основе состава базового ИК (табл. 1). Предварительно был определен состав и массовые доли компонентов композиции; для того, чтобы установить влияние технологии приготовления композиции, дополнительно проводились испытания на сходимость результатов промышленно и лабораторно изготовленного образца. По их итогам было определено, что результаты приготовленной в лаборатории и промышленной композиции сходимы, разница в результатах составляет менее 5 %. Базовая дозировка, используемая в дальнейших испытаниях, составляет 100 мг/л.
Влияние температуры на ингибирующие свойства кетоксимов
Важным технологическим параметром является температура, так как на территории РФ существуют объекты добычи нефти, которые эксплуатируются в широком интервале температур. Также температура является важным кинетическим фактором, влияющим на скорость коррозии металла и на адсорбцию ингибитора на поверхности образца. Чтобы изучить влияние температуры на ингибирующие свойства кетоксимов, эксперименты проводились в интервале
температур 0–80 °С с шагом 20 °С.
На рисунке 2 показано влияние температуры на степень защиты металлической поверхности, концентрация композиции — 100 мг/л, время экспозиции — 24 ч.
На рисунке 2а можно заметить, что характер ингибирования металла кетоном при изменении температуры схож с характером графика базового ингибитора. Показано, что увеличение температуры негативно влияет на процесс ингибирования. Предположительно, это связано с преобладающим процессом десорбции ингибитора с поверхности металла над адсорбцией на ней.

Рис. 2. Влияние температуры на ингибирующие свойства композиции ингибитора коррозии и кетона/кетоксима (дозировка —
100 мг/л, время экспозиции — 24 ч): а — с добавлением кетона, б — с добавлением кетоксима
По полученным результатам для ингибирующей композиции, содержащей кетоксим (рис. 2б), можно заметить, что характер ингибирования значительно отличается от графика базового ИК и данный эффект характерен для всех дозировок кетоксимов. В результате сформировали три возможных механизма взаимодействия.
  1. Наличие в структуре дополнительного атома азота приводит к уменьшению влияния температуры на процесс десорбции композиции с поверхности.
  2. Дополнительный фактор, улучшающий процесс ингибирования, — это хорошая реакционная способность кетоксимов. Кислая среда выступает в качестве катализатора для проведения бекмановской перегруппировки.
  3. Также возможен процесс гидролиза кетоксимов до соответствующих кетонов, в моменте прорыва адсорбированной пленки на данные участки могут адсорбироваться находящиеся в среде кетоны и тем самым улучшать процесс ингибирования. Данное предположение относится также и к тиоамидам, ингибирующие свойства которых изучены во многих работах [11–12].
Влияние времени экспозиции на степень защиты
В нефтегазовой отрасли распространены несколько вариантов дозирования ингибиторов коррозии:
  • периодическое дозирование, период между обработками может составлять от нескольких дней до нескольких недель;
  • постоянное дозирование реагента.
Каждый из представленных методов обладает своими достоинствами и недостатками. Наиболее распространенным является метод периодического дозирования, так как требует меньших затрат и сокращает количество используемого реагента [13]. Важным пунктом для изучения является оценка влияния времени экспозиции на эффективность ингибирования. На рисунке 3 показано влияние времени экспозиции на степень защиты металлической поверхности, концентрация — 100 мг/л, температура среды — 20 °С.
Рис. 3. Влияние времени экспозиции на ингибирующие свойства композиции, содержащей кетоны и кетоксимы (дозировка — 100 мг/л, температура среды — 20 °С): а — с добавлением кетона, б — с добавлением кетоксима
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что процесс ингибирования кетонами соответствует механизму ингибирования базового ИК. Любое замещение приводит скорее к снижению эффективности ингибирования, но при этом до 20 % замещения степень защиты близка к показателям базового ИК. Максимальный эффект ингибирования достигается при 24 часах экспозиции.
Аналогичный эффект получается при добавлении кетоксимов. При этом дальнейшее увеличение времени экспозиции незначительно снижает степень защиты, что говорит о возможных конкурирующих процессах адсорбции и десорбции. Данный эффект зависит скорее от увеличения количества атомов азота в композиции, что усиливает связь с поверхностью металла. Для более детального изучения эффекта требуется изучение термодинамических параметров взаимодействия.
С практической точки зрения применение кетоксимов позволит значительно сократить количество закупаемого ингибитора коррозии, так как увеличится межоперационный период между обработками [13–16].
Влияние режима течения жидкости на степень защиты
Важным с технологической точки зрения параметром является изучение режима течения жидкости. С постоянным увеличением количества перекачиваемой жидкости меняется режим течения, количество осложнений в процессе транспортировки.
С учетом вышесказанного для исследований выбраны три режима движения по Рейнольдсу:
  • ламинарный;
  • переходный;
  • турбулентный.
Результаты приведены на рисунках 4 и 5.
Рис. 4. Влияние режима течения жидкости на ингибирующие свойства композиции, содержащей кетоны (дозировка —
100 мг/л, температура среды — 20 °С, время экспозиции — 24 часа): а — при ламинарном режиме, б — при переходном режиме, в — при турбулентном режиме
Рис. 5. Влияние режима течения жидкости на ингибирующие свойства композиции, содержащей кетоксимы (дозировка —
100 мг/л, температура среды — 20 °С, время экспозиции — 24 часа): а — при ламинарном режиме, б — при переходном режиме, в — при турбулентном режиме
Как можно заметить, изменение режима течения жидкости приводит к тому, что степень защиты значительно снижается. При этом при переходе из ламинарного в турбулентный режим эффективность снижается более чем в 2 раза. Разница между ламинарным и переходным режимами течения также значительна и показывает снижение эффективности примерно в 1,5–1,7 раза. Данное явление возможно из-за срыва адсорбированной пленки.
Показано, что для кетоксимов влияние динамических условий на скорость коррозии не столь значительно, как для кетонов. Данное явление можно объяснить более плотной адсорбированной пленкой, которая имеет меньшую склонность к отрыву. При этом характер снижения эффективности в зависимости от изменения режима течения жидкости менее критичный. При изменении режима течения с ламинарного до переходного степень защиты снижается в 1,1–1,3 раза, с ламинарного до турбулентного степень защиты снижается в диапазоне от 1,5 до 1,6 раза.
Карачевский Д.Ю., Мустафин А.Г., Валекжанин И.В.

ООО «РН-БашНИПИнефть» (ОГ ПАО «НК «Роснефть»), Уфа, Россия;
Уфимский Институт химии Российской академии наук, Уфа, Россия

dy_karachevskii@bnipi.rosneft.ru
ГОСТ 9.506-87, октанон-3, октанон-3-оксим, соляная кислота, металлическая пластинка марки Сталь 3.
кетон, кетоксим, ингибитор, коррозия, соляная кислота
Карачевский Д.Ю., Мустафин А.Г., Валекжанин И.В. Подбор оптимальной композиции ингибитора коррозии на основе имидазолина с кетоном или кетоксимом в кислотной среде // Экспозиция Нефть Газ. 2024. № 3. С. 50–55. DOI: 10.24412/2076-6785-2024-3-50-55
26.04.2024
УДК 544.723, 544.7
DOI: 10.24412/2076-6785-2024-3-50-55

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88