Abstract
In this study, an effective hybrid inhibition of gas hydrates and corrosion was investigated to overcome compatibility problems between inhibitors and reduce the cost of production and transportation operations in the oil and gas industry. The newly synthesized waterborne polyurethanes (WPUs) were appraised as efficient dual-purpose gas hydrate and corrosion inhibitors through experimental and computational approaches. The onset temperatures of C1/C3 hydrates in the presence of WPUs were measured using a high-pressure autoclave to evaluate the performance of WPUs as gas hydrate inhibitors. The potential of WPUs as anti-agglomerants and the rheological behaviors of C1/C3 hydrates in the presence of WPUs were investigated using a high-pressure rheometer. All WPUs (WPU1, WPU2, WPU3, WPU4, and WPU5) were found to function as hydrate inhibitors and contribute to the prevention of agglomeration for C1/C3 hydrates. Molecular dynamics simulations revealed that the long-chained anionic parts of WPUs were adsorbed onto the hydrate surface while small cationic parts moved freely in the solution; thus, the interaction between the anions and water molecules was a dominant factor for C1/C3 hydrate inhibition. The corrosion inhibition activity of WPUs was evaluated by open circuit potential, potentiodynamic polarization, and electrochemical impedance spectroscopy techniques in H2S and CO2-saturated oilfield-produced water. The electrochemical measurements indicated that WPUs improved the polarization resistance of mild steel and significantly protected its surface against corrosive gases. The experimental and computational results indicated that WPUs can be used as efficient dual-function inhibitors for prevention of gas hydrate formation and CO2/H2S corrosion inside oil and gas pipelines, and also have potential as anti-agglomerant hydrate inhibitors.
본 연구는 석유·가스 산업에서 억제제 간 호환성 문제를 극복하고 생산 및 수송 운영 비용을 절감하기 위해, 가스 하이드레이트와 부식에 대한 효과적인 통합 억제 전략을 탐색하였습니다. 새로 합성한 수계 폴리우레탄(WPU)을 실험적·계산적 접근으로 평가하여, 가스 하이드레이트 억제와 부식 억제를 겸하는 이중 목적 억제제로서의 효율성을 검증하였습니다.
고압 오토클레이브를 사용하여 WPU 존재 하에서 C1/C3 하이드레이트(메탄/프로판)의 생성 개시 온도를 측정함으로써, 가스 하이드레이트 억제제로서의 WPU 성능을 평가하였습니다. 또한 고압 레오미터를 이용하여 WPU 존재 하에서 C1/C3 하이드레이트의 응집방지제(AA)로서의 잠재력과 레올로지 거동을 조사하였습니다. 그 결과 WPU1, WPU2, WPU3, WPU4, WPU5 모두가 하이드레이트 억제제로 기능하였으며, C1/C3 하이드레이트의 응집 방지에도 기여함을 확인하였습니다.
분자동역학(MD) 시뮬레이션에 따르면, WPU의 장쇄 음이온성 부분은 하이드레이트 표면에 흡착되고 소형 양이온성 부분은 용액 내에서 자유롭게 이동하였으며, 이로부터 음이온과 물 분자 사이의 상호작용이 C1/C3 하이드레이트 억제의 지배적 요인임을 확인하였습니다.
WPU의 부식 억제 성능은 CO₂ 및 H₂S로 포화된 유전 생산수에서 개회로 전위(OCP), 전위동적 분극, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)으로 평가하였습니다. 전기화학 측정 결과, WPU는 연강의 분극 저항을 향상시키고 부식성 가스로부터 표면을 유의하게 보호하였습니다.
종합적으로, 실험 및 계산 결과는 WPU가 석유·가스 파이프라인 내부에서 가스 하이드레이트 형성과 CO₂/H₂S 부식을 동시에 예방할 수 있는 효율적인 이중 기능 억제제로 활용 가능함을 보여주며, 응집방지제로서의 잠재성도 지님을 시사합니다.