胡雪濱

（中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢430223）

油田采出水回用既可以解決水資源短缺問題，又可消除采油污水外排的環(huán)保問題，同時(shí)還可以充分利用采出水的熱能輸油，因此是稠油開發(fā)中采出污水的最佳出路。但是八面河油田稠油采出污水中富含的懸浮物、乳化油、細(xì)菌以及高鹽和高成垢離子等，在污水回用過程中造成系統(tǒng)的腐蝕結(jié)垢問題卻十分嚴(yán)重，所以深入開展摻水系統(tǒng)的損害機(jī)理研究就極為重要。

1 八面河稠油摻水系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

八面河稠油區(qū)塊 M120、M138共有23座計(jì)量站和3座接轉(zhuǎn)站，其摻水管線長達(dá)23km，摻水系統(tǒng)用水為稠油采出污水，系統(tǒng)運(yùn)行過程為單井產(chǎn)出液在井口摻水后管輸至摻水計(jì)量站（進(jìn)站溫度40℃），經(jīng)計(jì)量后輸至各區(qū)的接轉(zhuǎn)站，在接轉(zhuǎn)站內(nèi)通過三相分離器進(jìn)行油、氣、水的初步分離，分離后的低含水原油經(jīng)過換熱器加溫至55℃ 后輸至八面河聯(lián)合站；而分離后的污水沉降后由緩沖罐進(jìn)行簡單處理，再經(jīng)加熱至68～70℃ 后，通過摻水泵增壓輸至各個(gè)摻水計(jì)量站，然后經(jīng)過計(jì)量回?fù)街辆凇?/p>

由于其稠油采出污水水質(zhì)較為復(fù)雜，不僅被原油污染，而且在高溫高壓的采出過程中攜帶了很多有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)以及一定的泥砂等雜質(zhì)，同時(shí)在開采和脫水過程中又加入了各種化學(xué)藥劑，因此此污水具有“一低七高”的特點(diǎn)，即pH值低、水溫高、總礦化度高、二價(jià)成垢陽離子高、懸浮固體含量高、含油高、硫酸鹽還原菌含量高、游離二氧化碳高（表1，2）。

表1 M120、M137、M138接轉(zhuǎn)站摻水系統(tǒng)水分析數(shù)據(jù)表

表2 M120、M137、M138接轉(zhuǎn)站摻水系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)分析數(shù)據(jù)表

同時(shí)由于摻水系統(tǒng)的回用水處理流程極為簡陋，對(duì)高溫污水缺乏必要的處理，所以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕結(jié)垢的結(jié)果。

2 摻水系統(tǒng)結(jié)垢因素分析

八面河稠油摻水管線為最常用的DN50鋼管（Φ57），管內(nèi)所結(jié)垢物很厚實(shí)，已達(dá)到了10mm，所以實(shí)際流通直徑減小了40%。垢層分為清晰的四層，不僅顏色不同，而且緊實(shí)度也不同，從電鏡下可以看到所成垢物有些呈規(guī)則的致密結(jié)晶礦物（碳酸鹽類），有一些是無序的雜質(zhì)物質(zhì)，即有機(jī)物質(zhì)（油、細(xì)菌、有機(jī)殘?jiān)┖陀倌嗉罢惩恋刃纬傻奈勰?。能譜配礦分析其垢物主要成分是含鐵化合物53.1%、碳酸鹽28.4%、泥沙12%和少量的可溶性鹽，因此垢物以腐蝕產(chǎn)物為主，且從管壁到中心氧化鐵和氫氧化鐵的量依次減少，硫化亞鐵則不斷增加，同時(shí)致密層中碳酸鈣比例較大，疏松層中泥沙比例較大。

由于摻水系統(tǒng)的水中含有較高的鈣鎂離子、鋇鍶離子、鐵離子以及碳酸氫根離子等，而且水的礦化度較高，加之摻入水中具有較多的懸浮物和含油，所以當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)（如壓力降低或溫度升高），就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)通過結(jié)晶作用或沉降作用形成碳酸鈣、硫酸鹽及各種鐵化合物和污泥等沉淀形成水垢。室內(nèi)掛片分析也證實(shí)其結(jié)垢速率較高，特別是經(jīng)過熱交換器加熱后結(jié)垢速率可增加52%～86%，達(dá)到了0.079～0.145mm／a。

通過對(duì)系統(tǒng)水在溫度壓力升高時(shí)的結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)（圖1），表明摻水系統(tǒng)普遍存在碳酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)和少量的硫酸鋇結(jié)垢，結(jié)垢總量隨著水溫和系統(tǒng)壓力的升高而增大。而含鐵化合物垢樣包括Fe2O3、FeS、Fe（OH）3和 FeCO3、Fe（OH）2等，其主要是腐蝕的產(chǎn)物，與水中的溶解氣體及細(xì)菌的活動(dòng)有關(guān)。

圖1 M120區(qū)和M138區(qū)摻水系統(tǒng)結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲線

3 摻水系統(tǒng)腐蝕機(jī)理與影響因素

金屬的腐蝕是指金屬在周圍介質(zhì)作用下，由于化學(xué)變化、電化學(xué)變化或物理溶解作用而產(chǎn)生的破壞。面120站摻水管線內(nèi)表面呈現(xiàn)出明顯的坑點(diǎn)蝕和輪癬狀腐蝕形態(tài)。

污水中的游離二氧化碳和硫酸鹽還原菌是引起摻水系統(tǒng)腐蝕的重要因素。首先，二氧化碳溶于水可形成碳酸，而引起電化學(xué)腐蝕，即：

由于弱酸只是一部分電離，所以隨著腐蝕過程的進(jìn)行，消耗掉的H＋會(huì)被弱酸的繼續(xù)電離所補(bǔ)充；而鋼材受游離二氧化碳腐蝕而生成的腐蝕產(chǎn)物又都是易酸溶的，因此在金屬表面不可能形成保護(hù)膜，斑駁裸露的金屬表面使CO2對(duì)鋼材的腐蝕通常呈臺(tái)面腐蝕、輪癬狀腐蝕和坑點(diǎn)腐蝕以及裂縫腐蝕，這均屬局部腐蝕，而這種局部腐蝕的穿透速度是較高的。通過corrosion軟件可以模擬研究流體介質(zhì)對(duì)選定鋼材的腐蝕趨勢(shì)，通過溫度為70℃時(shí) M120、M137、M138三個(gè)接轉(zhuǎn)站污水中CO2含量變化對(duì)鋼材腐蝕影響的預(yù)測(cè)曲線可以看見隨著CO2含量的增加腐蝕速率直線上升（圖2）。

圖2 CO2含量對(duì)腐蝕的影響預(yù)測(cè)曲線

其次，硫酸鹽還原菌（SRB）的生長繁殖，導(dǎo)致腐蝕速率明顯上升。據(jù)報(bào)道美國發(fā)生的腐蝕有70%是由硫酸鹽還原菌（SRB）所造成。

硫酸鹽還原菌含有一種氫化酶，它能在金屬表面的陰極部位把硫酸根生物催化成二價(jià)硫離子和初生態(tài)氧。其中二價(jià)硫離子可形成副產(chǎn)物硫化氫，對(duì)金屬有很大的腐蝕作用，且在腐蝕反應(yīng)中產(chǎn)生黑色的FeS沉淀；初生態(tài)氧在陰極使吸附于陰極表面的氫去極化而生成水，從而在厭氧電化學(xué)腐蝕過程中，起到了陰極去極化劑的作用，加速了金屬的腐蝕。其反應(yīng)為：

腐蝕產(chǎn)物FeS、Fe（OH）2等與水中的成垢離子共同沉淀成污垢，可造成注水設(shè)備及地層堵塞；同時(shí)還可把雜質(zhì)引入原油中，使其性能變差。

而該系統(tǒng)的溫度變化和介質(zhì)的pH值對(duì)腐蝕產(chǎn)生著重要影響。采出水從油井到地面、再經(jīng)過熱交換器進(jìn)入摻水系統(tǒng)，在這一過程中溫度和壓力變化是較大的。在這三個(gè)接轉(zhuǎn)站的實(shí)際污水從分離器到熱交換器后全過程中溫度變化對(duì)腐蝕速率的影響趨勢(shì)，可以看見溫度對(duì)腐蝕的影響非常敏感，特別是50℃ 以后腐蝕速率急劇加快（圖3）。

圖3 溫度對(duì)腐蝕影響的預(yù)測(cè)曲線

而pH值的高低直接關(guān)系到摻水系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的情況，從pH值與平均腐蝕率的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線清楚地看出：系統(tǒng)介質(zhì)在pH值小于7.0時(shí)，對(duì)平均腐蝕率影響顯著；隨著pH值增大，平均腐蝕率明顯減??；同時(shí)回用污水中含有溶解氧時(shí)腐蝕更為嚴(yán)重（圖4）。

圖4 pH值對(duì)腐蝕的影響實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）摻水系統(tǒng)所用的采出污水富含鈣鎂離子、鋇鍶離子、鐵離子以及碳酸氫根離子和氯離子，加之水中具有較多的懸浮物和乳化油，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)（如壓力降低或溫度升高），就會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)，通過結(jié)晶作用或沉降作用形成碳酸鈣、硫酸鹽及各種鐵化合物和污泥等沉淀，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的嚴(yán)重結(jié)垢。

2）系統(tǒng)回用水呈弱酸性，并含較高的游離二氧化碳，這是造成系統(tǒng)腐蝕的內(nèi)在因素；加之SRB含量很高，又加劇了垢下腐蝕，在系統(tǒng)溫度和壓力升高時(shí)勢(shì)必造成系統(tǒng)腐蝕更趨嚴(yán)重。

3）八面河稠油區(qū)塊的摻水系統(tǒng)中 M120、M137、M138三座接轉(zhuǎn)站的高溫污水均缺乏基礎(chǔ)的水處理措施，因此需要進(jìn)一步完善各接轉(zhuǎn)站回用污水的水處理流程，并加強(qiáng)防腐防垢技術(shù)的攻關(guān)研究。

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