李淑英

（西南石油大學(xué)）

塔中四油田注水管線結(jié)垢腐蝕影響因素分析

李淑英

（西南石油大學(xué)）

文章對(duì)塔中四油田注水管線結(jié)垢腐蝕影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：影響結(jié)垢的主要因素為回注水中高濃度的鈣離子、碳酸氫根離子形成的碳酸鈣垢；影響腐蝕的主要因素為回注水質(zhì)呈弱酸性，氯離子和硫化物含量高，氯離子和硫化氫的協(xié)同作用加劇了管道的腐蝕。另外，注水管線中井口流速慢，壓力降低，注入水質(zhì)不配伍等因素都會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢腐蝕。因此，應(yīng)主要選擇針對(duì)碳酸鈣類型的阻垢劑和防氯腐蝕緩蝕劑以減緩塔中四油田管道結(jié)垢腐蝕。

結(jié)垢；腐蝕；阻垢劑；緩蝕劑

0 引 言

塔中四油田產(chǎn)出介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)、采出水礦化度較高，造成注水干線腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重、刺漏頻繁，從而導(dǎo)致管線壓降大、井口壓力低，實(shí)際注水量達(dá)不到配注量的要求。塔中作業(yè)區(qū)管線腐蝕穿孔頻頻發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響油氣田的正常生產(chǎn)，而且威脅管線途經(jīng)區(qū)域的環(huán)境安全。

本文以塔中四注水管線為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析流速、壓力、水質(zhì)、溫度和p H值等因素對(duì)注水管線結(jié)垢、腐蝕的影響，為油田制定針對(duì)性的防垢、防腐措施提供依據(jù)。

1 塔中四油田注水系統(tǒng)概況

塔中四油田注水系統(tǒng)建于1998年，包括3條注水干線，材質(zhì)采用無(wú)縫鋼管，管線已運(yùn)行13年。1號(hào)、2號(hào)注水干線腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，刺漏頻繁，按金屬腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)，此兩條干線腐蝕程度為中度腐蝕［1］。

對(duì)回注水的水質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 塔中四回注水水樣水質(zhì)分析結(jié)果 mg／L

由表1可看出，回注水中含有較高的Ca2＋、SO42－、Ba2＋等，易生成碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶等沉淀。由于實(shí)際注水量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，回注管線內(nèi)流速低，剪切力小，懸浮物質(zhì)易沉積在管道內(nèi)壁，成為結(jié)晶核，為結(jié)垢創(chuàng)造了條件。此外，水中含有較多的硫化物、氯離子，呈酸性，存在極大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2 注水管線結(jié)垢影響因素研究

對(duì)塔中四油田回注水管線水質(zhì)和垢樣成分分析表明，主要成垢離子為鈣離子，結(jié)垢主要是碳酸鈣垢?，F(xiàn)以鈣離子濃度表征回注水結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)各水樣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析流速和流態(tài)、壓力變化、水質(zhì)、溫度和p H值等因素對(duì)注水管線結(jié)垢的影響［2-3］。

2.1 流速和流態(tài)的影響

流速對(duì)結(jié)垢的影響表現(xiàn)為：流速快時(shí)，流體對(duì)管道的剪切力大，水中的懸浮物和垢晶離子，不會(huì)在管壁上聚集，因此不能在管壁上形成垢；流速慢時(shí)，水中的懸浮物沉降在管壁表面，垢晶離子在管壁上聚集生長(zhǎng)，逐漸結(jié)垢。塔中四油井前期注水量小，水的配注量低，生產(chǎn)中有些管道常停止配注水，造成水中懸浮物沉降結(jié)垢。

由于受塔中四油井產(chǎn)液量的不穩(wěn)定性、含氣量、管線走向、變徑、彎頭等因素的影響，導(dǎo)致管線輸液流態(tài)的變化，破壞了成垢離子的平衡狀態(tài)，使其結(jié)晶析出，固結(jié)在鋼管內(nèi)壁，這是造成集油管線結(jié)垢點(diǎn)主要集中在彎頭、變徑處的主要原因。特別是在結(jié)構(gòu)突變部位，當(dāng)流速降低，介質(zhì)中攜帶的固體顆粒和微生物排泄物沉積概率增大，管道結(jié)垢概率也明顯加大。流速的突變也可以解釋為壓力的變化，如果流速突然加大，引起局部脫氣，使CO2分壓降低，式（1）平衡向右移動(dòng)，引起CaCO3結(jié)垢［4］。

2.2 壓力的影響

塔中四管道輸送過(guò)程中壓降大、支線多，造成始端與末端壓差大，壓力降低，CO2溢出，并生成CaCO3垢。輸送過(guò)程中離子的飽和狀態(tài)改變，導(dǎo)致成垢離子結(jié)晶析出。輸液管線結(jié)垢后，管徑縮小，輸液阻力增大，特別在彎頭處結(jié)垢較為嚴(yán)重，出現(xiàn)截流現(xiàn)象，造成前端干線壓力升高，影響生產(chǎn)。壓力對(duì)CaCO3、CaSO4、BaSO4結(jié)垢均有影響，CaCO3結(jié)垢有氣體參加反應(yīng)，壓力對(duì)其影響相對(duì)較大，壓力降低，可以促進(jìn)結(jié)垢。在管道輸送過(guò)程中，壓力一般都是降低的，因此結(jié)垢呈上升趨勢(shì)［4］。

2.3 水質(zhì)的影響

水質(zhì)不配伍主要表現(xiàn)在水質(zhì)的離子強(qiáng)度、懸浮物含量。含油量不同的水經(jīng)混合后，離子平衡條件發(fā)生變化而結(jié)垢。塔中四聯(lián)合水站處理水來(lái)源復(fù)雜，外圍作業(yè)區(qū)某些水中含有很高的鈣離子或者碳酸根離子，引入后可能導(dǎo)致結(jié)垢趨勢(shì)增大。采用oddo-tomson飽和指數(shù)法計(jì)算高鈣離子水和高碳酸根離子水與塔中四各井采出水的配伍性，飽和指數(shù)大于0，即表示有結(jié)垢趨勢(shì)，指數(shù)越大結(jié)垢趨勢(shì)越大［5］。

根據(jù)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，塔中四的采出水鈣離子濃度最高。外圍作業(yè)區(qū)中，混塔中721-2H的鈣離子濃度最高，混塔中63C的碳酸根離子最高。通過(guò)油田無(wú)機(jī)結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件得到塔中四的結(jié)垢趨勢(shì)［6-7］，以及與最高鈣離子水和最高碳酸根離子水1∶1混合后結(jié)垢趨勢(shì)，見(jiàn)圖1。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，塔中四采出水飽和指數(shù)為2.78，有結(jié)垢趨勢(shì)，外圍作業(yè)區(qū)最高鈣離子水和最高碳酸根離子水1∶1混合后，飽和指數(shù)增加到3.8以上，結(jié)垢趨勢(shì)顯著增大。因此，可以考慮修建調(diào)蓄池，外圍作業(yè)區(qū)采出水混入時(shí)，應(yīng)考慮鈣離子濃度和碳酸根離子濃度，高濃度的來(lái)水要與低離子濃度來(lái)水進(jìn)行混合，濃度降低后再進(jìn)入回注系統(tǒng)。

圖1 聯(lián)合水站回注水配伍結(jié)垢預(yù)測(cè)

2.4 溫度和p H值的影響

2.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)塔中四注水管線水樣垢樣分析，表明回注水管線的主要結(jié)垢類型為碳酸鹽垢。碳酸鹽垢的結(jié)垢過(guò)程主要受溫度、p H值、壓力、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等因素的影響，其中以溫度影響較為嚴(yán)重。溫度升高會(huì)降低碳酸鈣在水中的溶解度，而且還會(huì)使碳酸氫鈣加速分解生成碳酸鈣垢。注水管線溫度為50～60℃，地層溫度隨深度的增加而增加，當(dāng)回注水從管線注入地層時(shí)，溫度會(huì)高于90℃，結(jié)垢趨勢(shì)顯著增強(qiáng)［8-9］。

本研究主要考察溫度和p H值對(duì)管線結(jié)垢的影響。以采自3號(hào)注水管線塔中聯(lián)合站內(nèi)水樣1＃為例，固定其它條件，分別改變溫度和p H值，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，討論不同溫度和不同p H值條件下注水管線結(jié)垢量，分析注水管線不同位置由于溫度的不同，帶來(lái)的結(jié)垢趨勢(shì)的不同。

①考察p H值影響時(shí)，通過(guò)在原水樣加入酸堿來(lái)調(diào)控對(duì)比實(shí)驗(yàn)的p H值分別為5，6，7，8；

②考察溫度影響時(shí)，用恒溫水浴鍋控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)溫度分別為50，60，70，80和100℃。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 回注水結(jié)垢量隨pH值的變化

圖3 回注水結(jié)垢量隨溫度的變化

由圖2、圖3可看出，在設(shè)定的溫度區(qū)間和p H值范圍內(nèi)，結(jié)垢量都較大，均大于5g／L，水樣結(jié)垢趨勢(shì)嚴(yán)重，需要采取防垢措施。隨p H值增加，水樣結(jié)垢量增大，且在考察的p H值范圍內(nèi)，二者基本呈線性關(guān)系。隨溫度升高，水樣結(jié)垢量增大，在70～80℃，結(jié)垢程度加劇，說(shuō)明該溫度區(qū)間是水樣溫度敏感帶，是結(jié)垢趨勢(shì)最大的溫度帶。

由上述實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)垢的影響規(guī)律：隨著溫度和p H值的升高，水樣的原始硬度減小，即成垢離子含量降低，說(shuō)明結(jié)垢趨于嚴(yán)重，即水溫越高，p H值越大，結(jié)垢趨勢(shì)越大［10］。

2.5 注水管線結(jié)垢影響研究結(jié)論

◆流速的影響 塔中四前期注水量小，水的配注量低。從生產(chǎn)狀況看，有些管道通常停止配注水，造成水中懸浮沉降結(jié)垢。

◆壓力變化的影響 塔中四管道長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中壓降大、支線多，造成始末端壓差大，壓力降低，結(jié)垢嚴(yán)重。

◆水的配伍性 外圍作業(yè)區(qū)某些水中含有很高的鈣離子或者碳酸根離子，引入后可能引起結(jié)垢趨勢(shì)增大。

◆溫度和p H的影響 隨著溫度升高，水樣結(jié)垢量增大程度加??；隨著p H增加，結(jié)垢量增大，二者基本呈線性關(guān)系。

3 注水管線腐蝕影響因素研究

從實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)分析及塔中四水質(zhì)分析結(jié)果看，塔中四注水管線礦化度高，氯離子和硫化物含量高，水質(zhì)p H隨時(shí)間變化，呈弱酸性，這些都是導(dǎo)致腐蝕的主要因素。本研究主要從流速、p H、溫度及水的配伍方面來(lái)說(shuō)明影響注水管線腐蝕的因素。

3.1 流速的影響

流速對(duì)注水管線的影響主要表現(xiàn)腐蝕速度和腐蝕產(chǎn)物的沉降方面。流速快時(shí)，管道壓力大，硫化氫來(lái)不及擴(kuò)散到管壁表面，對(duì)管道的腐蝕很小；流速慢時(shí)，壓力降低，硫化氫從水溶液中溢出，擴(kuò)散到管壁表面，會(huì)很快腐蝕鋼鐵表面，形成硫化亞鐵腐蝕垢［11］。

流速對(duì)懸浮物的沉淀影響很大，流速快時(shí)，溶液中生成硫化亞鐵小顆粒不會(huì)沉積在管壁表面生成硫化亞鐵沉淀；溶液流速減慢時(shí)，硫化亞鐵沉淀將沉積在管壁表面，形成腐蝕垢［12］。

3.2 配伍性的影響

塔中四外圍作業(yè)區(qū)有幾十口油井，油水分離后，水經(jīng)簡(jiǎn)單脫氣后，引入塔中四聯(lián)合水站回注，經(jīng)簡(jiǎn)單沉降后，便回注到注水管線。這些回注水可能引入不配伍的腐蝕物質(zhì)，表現(xiàn)在以下幾方面：

◆含高水溶性硫化物的引入 從水質(zhì)分析結(jié)果看出，有些油井的可溶性硫化物含量高，這些水的引入增加注水管線中硫化物的含量，在弱酸性環(huán)境中會(huì)生成硫化氫，產(chǎn)生硫化亞鐵腐蝕垢，腐蝕管線［13］。

◆含高氯注水的引入 外圍作業(yè)區(qū)某些水中氯離子含量很高，達(dá)100 g／L以上。氯離子具有很強(qiáng)的腐蝕性和穿透性，而且氯離子和硫化氫腐蝕具有協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)腐蝕［14］。

3.3 溫度和p H的影響

3.3.1 腐蝕評(píng)價(jià)方法

目前最常用的腐蝕評(píng)價(jià)方法為標(biāo)準(zhǔn)失重法，均勻腐蝕速率按式（2）計(jì)算：

式中，γcorr為均勻腐蝕速率，mm／a；m為試驗(yàn)前的鋼片質(zhì)量，g；mt為試驗(yàn)后的試片質(zhì)量，g；S1為試片的面積，cm2；ρ為試片材料的密度，8 g／cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

油田回注水組成比較復(fù)雜，因此影響腐蝕的因素較多，且相互交錯(cuò)重疊。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高，有利于腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，但在現(xiàn)場(chǎng)情況下，溫度對(duì)腐蝕的影響比較復(fù)雜，溫度升高通常對(duì)氫去極化腐蝕起加速作用，而對(duì)氧去極化腐蝕起抑制作用，因此有必要考察溫度變化對(duì)金屬腐蝕的影響［15］。

此外，油田產(chǎn)出水含CO2，p H值約為5.6，存在酸性腐蝕。其腐蝕機(jī)理為［16］：

因此，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)失重法對(duì)5個(gè)水樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考察溫度以及p H值對(duì)金屬腐蝕的影響。固定其它條件，分別改變溫度和p H值，討論不同溫度和不同p H值條件下注水管線腐蝕量，分析注水管線不同位置由于溫度的不同，帶來(lái)的腐蝕趨勢(shì)的不同。

為考察溫度和p H值對(duì)腐蝕趨勢(shì)的影響，令水樣處于40，50，60，70，80℃幾種溫度條件下，加入酸堿使對(duì)比樣品p H值分別為5，6，7，8；做交叉實(shí)驗(yàn)。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于5個(gè)水樣對(duì)金屬的腐蝕速率受溫度和p H值的影響，呈現(xiàn)出相同的特征，因此以1＃樣為例，作圖展示p H值和溫度對(duì)腐蝕速率的影響，見(jiàn)圖4。

圖4 pH值和溫度對(duì)腐蝕速率的影響（1＃）

根據(jù)金屬腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，塔中四回注水對(duì)金屬腐蝕嚴(yán)重，需要進(jìn)行防腐工藝研究。隨著p H值升高，回注水對(duì)A3鋼片腐蝕速率降低。當(dāng)采出水p H值由5.0升高到8.0左右時(shí)，碳鋼腐蝕速率由0.12～0.14 mm／a降低為0.08～0.135 mm／a左右。

由金屬腐蝕理論可知，在不含溶解氧的溶液中，鋼鐵發(fā)生腐蝕時(shí)，其腐蝕反應(yīng)的陰極過(guò)程只有一個(gè)去極化過(guò)程，即氫離子的去極化而無(wú)氧的去極化：

由能斯特方程可知，隨著油田采出水p H值的增加，水中氫離子濃度的降低，引起陰極電極電位下降，金屬腐蝕過(guò)程中氫離子去極化的陰極反應(yīng)受到抑制，故油田水對(duì)碳鋼的腐蝕速率隨其p H值的增加而降低。腐蝕速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)，在50℃左右達(dá)到最高值。

在環(huán)境溫度較低時(shí)，通過(guò)加速腐蝕的陰極反應(yīng)而加快腐蝕的進(jìn)行［17］；溫度在50℃以下時(shí)，鋼片腐蝕速率增加；隨著溫度繼續(xù)上升金屬表面會(huì)形成FeS和FeCO3保護(hù)膜，降低腐蝕速率。溫度對(duì)腐蝕速率的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：溫度升高，各電極反應(yīng)速率加快，促進(jìn)腐蝕；腐蝕產(chǎn)物的成膜機(jī)制以及在介質(zhì)中的溶解度發(fā)生變化，可以促進(jìn)腐蝕，也可以抑制腐蝕。正是溫度在這兩個(gè)方面所起的綜合作用，A3鋼的腐蝕速率出現(xiàn)了先增加后降低的變化規(guī)律。

3.4 注水管線腐蝕影響研究結(jié)論

◆流速 塔中四注水管線尤其是井口注水管線流速慢，使硫化亞鐵沉淀在管壁表面，形成腐蝕垢。

◆水的配伍性 高油井含有高含量可溶性硫化物，在弱酸性環(huán)境中生成硫化亞鐵腐蝕垢，腐蝕管線。含高氯注水的引入，使外圍作業(yè)區(qū)某些水中氯離子濃度很高，而且氯離子和硫化氫腐蝕具有協(xié)同效應(yīng)，增強(qiáng)腐蝕。

◆溫度和p H變化 溫度和p H對(duì)腐蝕速率的協(xié)同影響規(guī)律表現(xiàn)為：p H值低時(shí)，腐蝕速率隨溫度變化程度較??；p H值高時(shí)，腐蝕速率隨溫度變化程度增大。這是p H值和溫度對(duì)腐蝕速率影響機(jī)理的綜合體現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)塔中四油田注水管線結(jié)垢腐蝕影響因素分析，表明油田注水管線結(jié)垢腐蝕嚴(yán)重，主要原因?yàn)樽⑺芫€水中的鈣離子和碳酸氫根離子濃度高，礦化度高及氯離子、硫化物含量高；其次井口注水管線流速慢，壓力降低，注入水質(zhì)不配伍這些都是導(dǎo)致腐蝕結(jié)垢的影響因素；而溫度和p H值對(duì)結(jié)垢腐蝕有著不同的影響：水溫越高，p H值越大，結(jié)垢趨勢(shì)越大；而溫度和p H變化對(duì)腐蝕速率的影響有著協(xié)同規(guī)律。針對(duì)以上研究結(jié)果，對(duì)塔中四油田注水管線提出如下阻垢防腐建議。

◆對(duì)現(xiàn)有結(jié)垢管道清洗除垢 采用有機(jī)酸清洗除垢，注水管線加入濃度為1%～2%苯磺酸水溶液，控制反應(yīng)速度，加入硫化氫抑制劑（如二氧化氯），硫化氫的抑制率可達(dá)80%以上，保證清洗過(guò)程的安全。利用zhqxj-06無(wú)酸清洗劑，從根本上防止硫化亞鐵垢的產(chǎn)生。

◆加入阻垢劑和防腐劑 可在處理站處理裝置之后、注水罐之前，連續(xù)加入防碳酸鈣垢阻垢劑，與防氯腐蝕緩蝕劑，根據(jù)實(shí)際回注水量連續(xù)加藥。

◆水質(zhì)配伍情況的改進(jìn) 不配伍來(lái)水加劇腐蝕：可對(duì)高硫來(lái)水進(jìn)行熱脫硫處理；不配伍來(lái)水加劇結(jié)垢：可適當(dāng)增大沉降罐容積，緩沖過(guò)高濃度的鈣離子、碳酸根離子。

◆回注管線低配注量和停注對(duì)策 建議流速控制在0.6 m／s以上，當(dāng)流速小于0.6 m／s，可以增加臨時(shí)擾流措施，加大局部流速。

◆對(duì)處理站進(jìn)行工藝改造 可加入絮凝劑使懸浮物和原油聚集，去除大部分懸浮物和含油量。

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1005-3158（2014）03-0022-05

2013-10-18）

（編輯 張爽）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.03.008

李淑英，西南石油大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院市政工程專業(yè)在讀碩士。通信地址：四川省成都市新都區(qū)新都大道8號(hào)西南石油大學(xué)，610500