Ингибитор коррозии черных металлов в кислых средах
Изобретение относится к защите черных металлов от коррозии, а именно к ингибирующим составам для кислых сред, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности для защиты скважинного, промыслового и перерабатывающего оборудования, а также в химической и иных областях промышленности для защиты оборудования, которое работает в кислых средах. Состав содержит продукт конденсации каменноугольных пиридиновых оснований и каменноугольных фенолов, свободные каменноугольные пиридиновые основания, бензол и его метилпроизводные при следующем соотношении компонентов, мас. %: продукт конденсации каменноугольных пиридиновых оснований и каменноугольных фенолов 15-50; свободные каменноугольные пиридиновые основания 10-40; бензол и его метилпроизводные 10-50. Технический результат: возможность использования как в слабокислых, так и сильнокислых средах при повышенном защитном действии и высоких технологических свойствах. При использовании для кислотной обработки скважин не снижает эффективности действия сильнокислых (15 - 30%) растворов кислоты на продуктивный пласт. Производство исходных компонентов на основе доступной и дешевой сырьевой базы. 1 з. п. ф-лы, 5 табл.
1. Область техники Изобретение относится к области защиты черных металлов от коррозии и более конкретно к составам для защиты от коррозионного воздействия кислых сред на металл труб и оборудования, и предназначено для использования, в основном, в нефтяной и газовой промышленности на объектах добычи, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа, содержащих агрессивные кислые компоненты такие как, в основном, сероводород, а также двуокись углерода, солевые растворы, слабые растворы неорганических и органических кислот, обычно присутствующие в скважинных флюидах. Заявляемый состав предназначен также для защиты труб и оборудования скважин от коррозионного воздействия раствора соляной кислоты, специально подаваемой в скважину по технологическим соображениям. Для вышеуказанных целей изобретение может быть использовано и в других отраслях промышленности, таких как химическая, нефтехимическая, коксохимическая и пр. Заявляемый состав представляет собой смесь, в состав которой входят компоненты, получаемые конденсацией аминов и/или их производных, в частности пиридинов, и органических кислых соединений.
2. Уровень техники. На объектах добычи нефти и газа широко применяют ингибиторы коррозии с целью предотвращения воздействия на металл труб и оборудования как сильнокислых, так и слабокислых сред. Сильнокислой средой, применительно к указанным объектам, является, в основном, 15-30% раствор кислоты (соляной, серной или плавиковой), периодически закачиваемый в скважины при их кислотной обработке с целью увеличения нефтегазоотдачи пласта. В кислоте растворяют ингибитор из расчета от 0,5 до 2 г/л. Приготовленный таким образом раствор кислоты через межтрубное пространство скважины подают под определенным давлением на ее забой. Раствор кислоты проникает в имеющиеся в пласте трещины и мелкие поры и расширяет их, увеличивая таким образом нефтегазоотдачу пласта и производительность скважины. Ингибитор используют, в основном, для защиты от коррозии обсадных, насосно-компрессорных труб (НКТ) и скважинного оборудования. Слабокислую среду представляют такие агрессивные вещества, как сероводород, углекислота, кислород, солевые растворы, слабые неорганические и органические кислоты, обычно содержащиеся во флюидах нефтяных и газоконденсатных скважин. Ингибитор коррозии постоянно или периодически подают в межтрубное пространство с целью предотвращения агрессивного воздействия указанных веществ на обсадные и насосно-компрессорные трубы (НКТ), шлейфы и другое промысловое оборудование. Раствор ингибитора в строго дозированном количестве под действием силы тяжести поступает на забой скважины и через специальный клапан потоком нефти или газа по НКТ выносится на поверхность. В зависимости от состава и значений рН среды, условий работы оборудования, конструкционных материалов, требований технологии добычи и переработки нефти и газа, доступной сырьевой базы и прочих факторов применяют ингибиторы коррозии различного типа и состава. Широко известно применение ингибиторов коррозии черных металлов в кислых средах на основе гетероциклических аминов. Так, известен состав для защиты от коррозии стали марки 3 в растворах, содержащих ионы хлора, на основе высших пиридиновых оснований с двумя или пятью пиридиновыми кольцами (1). Высшие (синтетические) пиридиновые основания являются побочным продуктом производства 2-метил-5-этилпиридина и содержат соединения пиридинового ряда различного состава с высоким молекулярным весом. Основным недостатком данного ингибитора является ограниченная область применения, так как, во-первых, он рекомендован только для стали марки 3 и не может быть эффективно использован для защиты нефтегазового оборудования, изготавливаемого из стали других марок; во-вторых, ингибитор рекомендован для применения только в водных растворах соляной кислоты сравнительно высокой концентрации (примерно 4-5 г-экв/л); в принципе возможно его использование для соляно-кислотной обработки скважин. Однако для этого он должен быть усовершенствован с учетом особенностей условий применения, свойств скважинных и промысловых флюидов и оборудования, так как обладает низкими физико-химическими характеристиками (вязкость, растворимость и т. д. ). Другой существенный недостаток вышеупомянутого ингибитора заключается в ограниченности сырьевой базы, так как синтетические пиридиновые основания являются побочным продуктом получения 2-метил-5-этилпиридина путем взаимодействия паральдегида с NН3 в присутствии СН3СООNН2 при производстве синтетического каучука. Объем производства 2-метил-5-этилпиридина ограничен, что создает дефицит синтетических пиридиновых оснований и повышает их стоимость (2). Известен ингибирующий состав И-1-А, являющийся усовершенствованием ингибитора, упомянутого выше (ссылка 1). Состав представляет собой смесь алкилпиридинов общей формулы:
1) введены дополнительные ингредиенты, такие как:
- свободные каменноугольные пиридиновые основания;
- бензол;
- метилпроизводные бензола;
2) в качестве продукта конденсации пиридиновых оснований и органических кислых соединений введены продукты конденсации смеси каменноугольных пиридиновых оснований и каменноугольного фенола и его метилпроизводных;
3) установлены соотношения ингредиентов, мас. %. Продукт конденсации каменноугольных пиридиновых оснований (КПОС) и каменноугольного фенола и его метилпроизводных - 15-50
Свободные каменноугольные пиридиновые основания - 10-40
Бензол и его метилпроизводные - 10-50
При этом в качестве бензола и его метилпроизводных используют так называемую БТК фракцию (бензол-толуол-ксилол). Примечания:
- под каменноугольными пиридиновыми основаниями (КПОС) следует понимать соединения, образующиеся при коксовании каменных углей и входящих в состав коксового газа. Они представляют собой смесь гетероциклических азотсодержащих соединений (пиридин, хинолин, пиррол и их производные), содержащие некоторое количество ароматических аминов (анилин и его производные) (7). Свободные КПОС это КПОС, химически не связанные с конечными продуктами процесса конденсации, то есть непрореагировавшая или избыточная часть КПОС;
- под каменноугольным фенолом следует понимать продукт, извлекаемый из фенольной и нафталиновой фракций каменноугольной смолы (8). Природные (естественные) пиридины и фенолы, образующиеся при коксовании каменного угля, представляют собой смеси большого количества органических веществ, имеющих различные структуру и физико-химические свойства, что оказывает положительное влияние на способность этих веществ адсорбироваться на твердой поверхности и образовывать защитные антикоррозионные пленки, в том числе за счет эффекта стерического действия, что, в свою очередь, вызывает эффект синергизма. Пиридины и фенолы в конденсированном виде значительно повышают свое защитное действие, и эти компоненты являются основной ингибирующей группой заявленного состава. Бензол и его метилпроизводные выполняют функцию растворителя, придавая заявленному составу такие физико-химические свойства, которые обеспечивают ему высокие технологические показатели. Применение в соответствии с изобретением в качестве бензола и его метилпроизводных БТК фракции обеспечивает не только растворение ингибирующих компонентов, но и позволяет повысить защитные свойства этих компонентов. Это достигается тем, что БТК фракция содержит в своем составе не только бензол и его метилпроизводные, но и смесь серо-, азот- и кислородсодержащих соединений. Эти соединения сами по себе обладают ингибирующими свойствами в сероводородсодержащих и кислых средах и добавляют свое действие к защитному действию упомянутой основной ингибирующей группы. Проведенными исследованиями при разработке ингибирующего состава установлено, что добавление БТК фракции к основной ингибирующей группе (пиридиновым основаниям и фонолам) приводит к значительному повышению защитных свойств этой группы, то есть к возникновению эффекта синергизма. Таким образом, изобретением предложен состав, представляющий собой сильнодействующий ингибитор коррозии, эффективный при применении в слабокислых и сильнокислых средах при высоких технологических свойствах. Изобретением решена задача создания двухцелевого ингибитора. Изобретением также решена задача создания ингибитора, который не требует для своего получения целевого продукта (бензола и его гомологов), и квалифицированного использования БТК фракции. 4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. 4.1. Исходные компоненты состава и способ его получения. Для получения заявленного ингибитора коррозии используют следующие исходные компоненты:
- каменноугольные пиридиновые основания (как исходные вещества процесса конденсации), получаемые по ТУ 14-7-109-91 "Основания пиридиновые тяжелые каменноугольные" и ТУ 14-7-50-82-91 "Основания пиридиновые легкие сырые";
- каменноугольные фенолы (как исходные вещества процесса конденсации) по ГОСТ 11311-75 "Фенол каменноугольный" и ГОСТ 2264-75 "Трикрезол каменноугольный технический";
- формальдегид в виде водного раствора по ГОСТ 1625-89 "Формалин технический";
- бензол и его метилпроизводные (БТК) в виде продукта по ТУ 14-6-34-93 "Компонент моторного топлива ароматический". Процесс получения ингибитора коррозии включает следующие стадии:
- получение смеси обезвоженных фенолов с кубовыми остатками КПОС;
- конденсация смеси КПОС и фенолов с формальдегидом при нагревании;
- отделение воды от реакционной массы;
- добавление к полученному продукту бензольных углеводородов. При этом стадия получения смеси пиридиновых оснований и фенолов ведется при температуре 50-60oС, стадия конденсации этой смеси с формальдегидом - при 80-90oС, сушка продуктов - при 110-120oС, а стадия добавления бензола и его метилпроизводных при температуре до 50oС. Все перечисленные стадии осуществляются при постоянном перемешивании. 4.2. Использование ингибирующего состава. Ингибитор коррозии в товарном виде заводом-изготовителем доставляют потребителю, например нефтегазовому предприятию. Потребитель при помощи специального оборудования приготавливает рабочий раствор ингибитора, представляющий собой смесь растворителя и ингибитора при содержании последнего от 0,25% до 50% (% объемн. ). Приготовленный рабочий раствор дозирующим оборудованием подают к защищаемому оборудованию. В качестве растворителя могут быть использованы технологические жидкости: ингибиторы гидратообразования (метанол, диэтиленгликоль), нефть, газоконденсат и т. п. При этом концентрации чистого исходного ингибитора в обрабатываемых флюидах колеблются в широких пределах в зависимости от коррозионных условий работы оборудования от 10 мг/л до 200 мг/л. 4.3. Испытания ингибирующего состава. Заявленный ингибирующий состав был испытан в лабораторных условиях. 4.3.1. Условия испытаний. Условия испытаний заявленного состава и состава-прототипа выбраны с учетом закономерностей кислотной коррозии и наиболее типичных условий работы нефтегазопромыслового и нефтеперерабатывающего оборудования. В качестве коррозионно-агрессивной испытуемой среды использована двухфазная среда, которая содержит жидкие углеводороды, такие как авиационный керосин марки ТС-1 и воду или водные растворы соляной кислоты различных концентраций. Кислотность водной фазы изменялась в пределах значений рН от 2 до 6. При этом система насыщалась сероводородом до концентрации в водной фазе 250





где

А - потеря массы образца металла за время исследования, г;
S - площадь поверхности образца, м2;
Т - 6 часов, продолжительность исследования. Защитное действие ингибирующих составов рассчитывалось по формуле:

где z - защитное действие, %;



- обеспечивает высокую защитную эффективность в широком диапазоне значений рН водных растворов при минимальных концентрациях в агрессивной среде;
- имеет высокие эксплуатационно-технические показатели;
- имеет доступную и дешевую сырьевую базу. 4.4. Выводы. Для получения ингибитора коррозии используют известные химические продукты, которые соответствуют конкретным ГОСТам и ТУ. Их в Украине и в России широко производят коксохимические предприятия. Получение ингибирующего состава, приготовление его раствора и использование потребителями осуществляется применением известных технологий и оборудования. Ингибитор в том виде, как он характеризуется формулой изобретения, обеспечивает (как видно из приведенных таблиц) достижение ожидаемого технического результата. Он предназначен для использования в нефтегазовой промышленности для защиты от коррозии скважинного, промыслового и перерабатывающего оборудования. Вышеприведенное свидетельствует о соответствии заявляемого ингибитора критерию "промышленная применимость". В первом полугодии 1997 г. Донецким НПО "Инкор" произведено и использовано в опытно-промышленных условиях 500 кг заявленного ингибитора. Серийное производство ингибитора запланировано на 1 квартал 1998 г. Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Авторское свидетельство СССР 123816, кл. С 23 Р 11/10, опубл. 1959. 2. Химический энциклопедический словарь. М. , Советская энциклопедия, 1983, с. 339. 3. Алцыбеева А. Н. и Левин С. З. Ингибиторы коррозии металлов. Л. , Химия, 1968, с. 23. 4. Патент США 3816322, кл. С 11 D 7/32, опубл. 1974. 5. Патент США 4.344.861, кл. С 23 F 11/12, 11/14, опубл. 1982. 6. Алцыбеева А. Н. и Левин С. З. Ингибиторы коррозии металлов. Л. , Химия, 1968, с. 167. 7. Литвиненко М. С. Химические продукты коксования, Киев, Технiка, 1974, с. 88. 8. Литвиненко М. С. Химические продукты коксования, Киев, Технiка, 1974, с. 174.
Формула изобретения
Продукт конденсации каменноугольных пиридиновых оснований и каменноугольных фенолов - 15-50
Свободные каменноугольные пиридиновые основания - 10-40
Бензол и его метилпроизводные - 10-50
2. Ингибитор коррозии по п. 1, отличающийся тем, что в качестве бензола и его метилпроизводных он содержит каменноугольную бензол-толуол-ксилольную фракцию (БТК).
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6