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合水油田水處理系統(tǒng)中除油沉降罐的腐蝕原因分析及防治措施

2022-02-25 13:31:13 作者：歐陽詩昆，周治國來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

經(jīng)過多年大規(guī)模滾動(dòng)式開采，合水油田地層壓力虧空，無法滿足油田開采需求。為了及時(shí)彌補(bǔ)地層壓力，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，近年來陸續(xù)進(jìn)行了注水處理，注水井占比高達(dá)29％，增產(chǎn)效果顯著。

然而，隨著原油含水率增加，地面生產(chǎn)設(shè)施腐蝕環(huán)境惡化，管線及設(shè)備頻繁出現(xiàn)了結(jié)垢與腐蝕問題。這不僅會(huì)導(dǎo)致管線或設(shè)備因腐蝕失效而停產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)引發(fā)油氣泄漏，造成環(huán)境污染甚至人員傷害事故。

以某采出水處理站為例，盡管站內(nèi)除油沉降罐采用玻璃鋼涂層進(jìn)行防護(hù)，但在服役一段時(shí)間后內(nèi)壁玻璃鋼涂層發(fā)生脫落，內(nèi)部布水管線腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，上部分水管甚至因結(jié)垢而堵塞，如下圖所示。

圖1 除油沉降罐內(nèi)構(gòu)件的腐蝕結(jié)垢情況

圖2 除油沉降罐內(nèi)布水管線腐蝕結(jié)垢情況

由圖2可見：管線內(nèi)壁靠近金屬基體表面附著了多層硬質(zhì)結(jié)垢物，且和基體金屬結(jié)合緊密。清除垢層后，未在金屬基體表面發(fā)現(xiàn)明顯的局部腐蝕，但從管線截面環(huán)向壁厚來看，該管線環(huán)向壁厚分布不均，7點(diǎn)鐘位置存在明顯減薄，說明在長期服役過程中管線發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕減薄。這不僅縮短了設(shè)備的運(yùn)行周期，還可能給設(shè)備的安全生產(chǎn)帶來隱患。

因此，中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第十二采油廠和安科工程技術(shù)研究院（北京）有限公司的技術(shù)人員通過一系列分析手段，對(duì)腐蝕結(jié)垢原因進(jìn)行了深入剖析，并探討了有效防止或減輕水處理系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的配套措施，以期為油田正常生產(chǎn)提供理論支撐。

水質(zhì)分析

采用瑞士萬通881離子色譜、島津UV-2600紫外可見分光光度儀及化學(xué)滴定法測試水樣中Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Sr+、Ba2+、Fe2+等陽離子與Cl-、SO42-、HCO3-等陰離子的含量。由分析結(jié)果可知：前端處理站1和2采出水中含有較多Sr2+、Ba2+與SO42-、HCO3-，混合后Ba2+、SO42-、HCO3-含量大幅下降，說明介質(zhì)混合后形成了BaSO4與BaCO3結(jié)垢物。

利用HD1000溶解氧測試儀，對(duì)水處理站內(nèi)主要生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)位置水質(zhì)中的溶解氧含量進(jìn)行了測試；參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329-1994《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，采用細(xì)菌測試瓶，利用絕跡稀釋法進(jìn)行細(xì)菌含量測試。由測試結(jié)果可知：生產(chǎn)介質(zhì)水相中溶解氧含量為1.00~1.53mg/L，細(xì)菌含量較少，僅檢測出了9個(gè)/mL腐生菌（TGB）；未檢測到硫酸鹽還原菌（SRB）與鐵細(xì)菌（IB），這可能是因?yàn)槌统两倒拗刑砑恿藲⒕鷦瑢?dǎo)致注入水及后續(xù)的產(chǎn)出系統(tǒng)中細(xì)菌含量較低。

綜上可知，來自于不同層位的生產(chǎn)介質(zhì)混合后會(huì)發(fā)生結(jié)垢，結(jié)垢物的沉積會(huì)導(dǎo)致垢下腐蝕。此外，較高含量的溶解氧勢必會(huì)導(dǎo)致地面生產(chǎn)管線及設(shè)備發(fā)生氧腐蝕，存在較高的氧腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

腐蝕產(chǎn)物分析

借助X′Pert PRO粉末X射線衍射儀對(duì)布水管線中沉積的結(jié)垢物進(jìn)行物相分析。由分析結(jié)果可見：除油沉降罐內(nèi)主要的結(jié)垢物為BaSO4、BaCO3，還含有少量SrSO4。

利用TESCAN VEGA3掃描電子顯微鏡與配套的能譜儀對(duì)布水管線內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌與化學(xué)成分進(jìn)行表征。由分析結(jié)果可見：布水管線內(nèi)壁結(jié)垢物結(jié)構(gòu)緊密，存在分層現(xiàn)象，主要元素為Fe、Ba、O、S，推測結(jié)垢物中主要成分為BaSO4與鐵氧化物。機(jī)械清除垢層后，管道內(nèi)壁表面主要元素為Fe、O。

由此可知，布水管線內(nèi)主要的堵塞物為BaSO4、BaCO3結(jié)垢物與鐵氧化物，導(dǎo)致除油沉降罐及內(nèi)構(gòu)件腐蝕的主要原因?yàn)楣赶赂g與氧腐蝕。

腐蝕結(jié)垢原因

由上述測試可知，來自于不同前端處理站的采出水礦化度高，溶解氧含量也較高，具有較強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，形成FeOOH、Fe2O3、Fe3O4等鐵氧化物。

同時(shí)，由于采出水中含有成垢離子，如Ba2+、Sr2+、SO42-與HCO3-等，含不同成垢離子的采出液混合后，成垢離子相互補(bǔ)充，很快達(dá)到BaSO4與BaCO3的溶度積，形成過飽和溶液。

當(dāng)過飽和度較高時(shí)，成垢離子對(duì)會(huì)聚集形成較大的粒子，溶液中開始出現(xiàn)一些不易溶解的、體積較大的BaSO4與BaCO3固體成核粒子，即所謂的晶核。所形成的BaSO4與BaCO3晶核會(huì)吸附在凹凸不平的管道表面，并以其為中心，在過飽和度的驅(qū)動(dòng)下不斷長大，成為肉眼可見的晶體。

由于水處理系統(tǒng)是比較復(fù)雜的多相體系，含有較多的懸浮物、腐蝕產(chǎn)物等雜質(zhì)且管道表面較粗糙，為垢的生長提供了足夠的相界面和雜質(zhì)。

因此，析出的BaSO4與BaCO3會(huì)以懸浮物、腐蝕產(chǎn)物等為載體，快速形核，并吸附在除油沉降罐等設(shè)備內(nèi)部附件表面生長。在晶核形核與吸附、長大的循環(huán)作用下，除油沉降罐等設(shè)備內(nèi)部附件表面形成結(jié)垢層。結(jié)垢物一旦在金屬管線或設(shè)備表面形成，由于其疏松程度與分布情況不同，導(dǎo)致采出水介質(zhì)在金屬表面的流動(dòng)和介質(zhì)擴(kuò)散受到限制，造成結(jié)垢致密區(qū)域金屬表面介質(zhì)化學(xué)成分與其他區(qū)域有很大差別，兩者之間形成電位差，發(fā)生微電偶腐蝕，促進(jìn)局部區(qū)域腐蝕加速，形成局部腐蝕坑。

一旦局部腐蝕坑形成，受垢層掩蔽效應(yīng)的影響，腐蝕坑內(nèi)反應(yīng)形成的Fe2+富集。為保證電位平衡，外部溶液中離子半徑較小的Cl-會(huì)通過垢層擴(kuò)散至蝕坑內(nèi)部，形成FeCl2。FeCl2易發(fā)生水解，形成H+，導(dǎo)致局部酸化，pH下降。H+的增加會(huì)促進(jìn)腐蝕坑內(nèi)金屬的活性溶解，加速腐蝕。腐蝕進(jìn)一步會(huì)產(chǎn)生更多的Fe2+，導(dǎo)致腐蝕坑內(nèi)富集更多的Fe2+，促使更多的Cl-遷入，引起pH降低，即通常所說的“酸化自催化作用”。在酸化自催化作用下，腐蝕坑會(huì)不斷發(fā)展、長大，直至管線與設(shè)備發(fā)生腐蝕穿孔。

由此可知，導(dǎo)致采出水處理站原油沉降罐腐蝕主要是由于具有較高結(jié)垢傾向的高礦化采出水與高濃度溶解氧的存在。

腐蝕防治措施

針對(duì)水處理系統(tǒng)的腐蝕問題，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況，可通過添加適宜的藥劑進(jìn)行腐蝕防治。根據(jù)油田在用藥劑的性能評(píng)價(jià)結(jié)果，選取了SW-188阻垢劑、KEW-227緩蝕劑、HZG-30殺菌劑與Na2SO3除氧劑作為處理藥劑，通過加藥罐連續(xù)向除油沉降罐中加注藥劑，各藥劑加入量如下：140mg/L SW-188、60mg/L KEW-227、30mg/L HZG-30殺菌劑，30mg/L Na2SO3。

針對(duì)該加藥方案，在除油沉降罐內(nèi)安裝掛環(huán)進(jìn)行加藥效果的現(xiàn)場評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)周期30天。

（a）加藥前（b）加藥后

圖5 加藥前后試樣的宏觀腐蝕形貌

由圖5可見：加藥前，試樣表面大部分區(qū)域附著有結(jié)垢物，內(nèi)外表面均有連片大腐蝕坑、腐蝕嚴(yán)重，均勻腐蝕速率為1.01mm/a；加藥后掛環(huán)試樣表面結(jié)垢物減少，腐蝕坑面積減少，均勻腐蝕速率大幅降低，降至0.15mm/a。

由此可知，通過連續(xù)加藥，可有效控制除油沉降罐內(nèi)構(gòu)件及后續(xù)水處理設(shè)備、工藝管線的腐蝕結(jié)垢進(jìn)程，從而降低水處理系統(tǒng)因腐蝕結(jié)垢導(dǎo)致的停產(chǎn)、維修頻次，保障油氣生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)論

（1）合水油田采出水腐蝕性強(qiáng)，水質(zhì)略偏酸性（pH為6.5~7.0），礦化度高，含有較多的Ba2+、Sr2+、SO42-與HCO3-等成垢離子，存在較高的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)與氧腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

（2）導(dǎo)致采出水處理站除油沉降罐發(fā)生腐蝕的主要原因?yàn)楦叩V化采出水與高濃度溶解氧的存在，導(dǎo)致除油罐內(nèi)壁與分水管等內(nèi)附件發(fā)生垢下腐蝕與氧腐蝕。

（3）向水處理系統(tǒng)中的除油沉降罐管內(nèi)連續(xù)加注阻垢劑、緩蝕劑、除氧劑及殺菌劑，可有效緩解水處理系統(tǒng)設(shè)備及管線的腐蝕結(jié)垢，降低因腐蝕結(jié)垢導(dǎo)致的停產(chǎn)、維修頻次，保障油氣生產(chǎn)的安全。

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