腐蝕控制與防護技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用

亓樹成，曾麗華，石劍英，馮金城，闕庭麗

（新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

行業(yè)動態(tài)

腐蝕控制與防護技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用

亓樹成，曾麗華，石劍英，馮金城，闕庭麗

（新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

新疆油田座落在天山北部準噶爾盆地，從地理位置角度大致可以劃分為4個油田區(qū)域：北部沙漠油區(qū)（石南、石西、陸梁等油田）、西北部油區(qū)（克拉瑪依、百口泉、烏爾禾等油田）、東部油區(qū)（火燒山、北三臺等油田）、南部油區(qū)（呼圖壁、獨山子等油田）。由于新疆油田公司涉及的開發(fā)領(lǐng)域廣闊，地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣候差異性明顯，因此油田設(shè)備的腐蝕機理極為復(fù)雜。新疆油田經(jīng)過近幾十年的不斷開發(fā)后，地下原油含水率和采出水礦化度明顯升高，且地下采出水多呈弱堿性（pH值在7.5～8.5）、部分區(qū)塊高含硫化氫、二氧化碳等腐蝕性氣體，因此造成油田設(shè)施腐蝕嚴重。尤其近年來，隨著石西、彩南等沙漠油區(qū)的開發(fā)，因腐蝕問題給油田生產(chǎn)帶來的影響日趨凸顯。據(jù)不完全統(tǒng)計，新疆油田原油集輸管道近9000km；注水管道5000km；稠油熱采注汽管線454km；壓力容器900余座；原油罐500余座；原油長輸管道26條，總長1569.78km；輸氣管道31條，管線長度1292.3km；輸油泵站17座（中間站16座）；儲油罐144座。因腐蝕造成容器、管線以及處理站報廢，每年更新改造的資金在2億元左右，給新疆油田安全生產(chǎn)帶來嚴重的隱患，給環(huán)境造成了嚴重的破壞[1]。

1 新疆油田的腐蝕特點

1.1 油田井下管具的腐蝕

新疆油田經(jīng)過多年的開發(fā)，油田開采已經(jīng)進入中后期，原油含水量及礦化度升高，并且部分區(qū)塊高含二氧化碳、硫化氫等強腐蝕性氣體。隨著深井、超深井的不斷開發(fā)，井下溫度及壓力升高，井下生產(chǎn)工具（包括油管、套管和鉆桿等）腐蝕趨于嚴重。根據(jù)調(diào)查，新疆油田油氣井油管及其配套工具腐蝕特點大致以點蝕、缺口及垢下腐蝕穿孔為主。

1.1.1 油管腐蝕

局部腐蝕是油管腐蝕的最主要因素，從腐蝕機理角度分析可包括相變誘導(dǎo)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等，同時發(fā)現(xiàn)，對于沒有井下封隔器的油氣井來說，油管外壁通常比內(nèi)壁腐蝕嚴重[2]。

1.1.2 套管腐蝕

由于地層滑動、頻繁作業(yè)等原因，致使套管極易發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象，其發(fā)生腐蝕穿孔的位置多在水泥返高以上的未封固井段。另外，套管螺紋處的腐蝕對套管的破壞極大，會最終導(dǎo)致絲扣密封失效或脫扣。

1.1.3 鉆桿腐蝕

由于處于極為復(fù)雜的工作環(huán)境，因此鉆桿在井下采油工具及設(shè)備中發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象最為嚴重。通過研究發(fā)現(xiàn)，鉆桿因腐蝕報廢通常經(jīng)歷四個階段：蝕坑的形成、裂紋的形成、裂紋的擴展、刺穿和斷裂報廢。

1.2 油田地面集輸設(shè)施的腐蝕

1.2.1 儲罐和管道內(nèi)腐蝕的特點

新疆油田地面集輸設(shè)備中的介質(zhì)由于含高濃度腐蝕性離子（氯離子、硫酸根離子等），礦化度高（彩南、陸梁作業(yè)區(qū)地下采出水甚至高達20000mg/L以上）。這些因素促進了集輸設(shè)備的電化學(xué)腐蝕，加之介質(zhì)中的腐蝕性氣體等因素進一步加速了管道或容器內(nèi)部的電化學(xué)腐蝕，因此在油田生產(chǎn)過程中集輸管線常常發(fā)生結(jié)垢腐蝕、穿孔等現(xiàn)象，這些腐蝕現(xiàn)象在紅山嘴油田、紅-克長輸管線、石西和陸梁沙漠油田的集輸管線上得到集中體現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在輸油管線中，當(dāng)原油中水的質(zhì)量分數(shù)大于60%時，就會出現(xiàn)游離水，導(dǎo)致腐蝕速度明顯加劇。

儲罐的腐蝕最容易在罐的頂部發(fā)生，呈點蝕狀，屬于氣液相腐蝕，由于溫差的影響，水蒸氣易在灌頂形成凝結(jié)水膜，罐體內(nèi)含大量二氧化碳等腐蝕性氣體會溶解在水膜中；同時，外部氧氣不斷進入罐內(nèi)并通過凝結(jié)水的薄膜擴散到金屬表面，這樣，灌頂內(nèi)壁的凝結(jié)水膜就形成了含有多種腐蝕性成分的電介質(zhì)溶液，導(dǎo)致灌頂內(nèi)壁腐蝕[1]1。

根據(jù)新疆油田地面整體集輸設(shè)備的腐蝕特點，從設(shè)施腐蝕形貌方面可分為：均勻腐蝕、垢下腐蝕、沖刷腐蝕、坑蝕及點蝕4種類型。

1.3 埋地管線的腐蝕

新疆油田埋地管線的腐蝕十分嚴重，極大影響著油田的正常生產(chǎn)，其中新疆油田二中區(qū)、二西區(qū)、五一區(qū)及稠油處理站、注蒸汽熱采區(qū)等區(qū)塊的埋地管線腐蝕較為典型。研究發(fā)現(xiàn)，土壤的腐蝕性是影響管道腐蝕程度的重要因素，而埋地管道在土壤中的腐蝕又受其電阻率、pH值、含水量等因素的影響。

1.3.1 土壤的電阻率

土壤電阻率是一個重要的土壤腐蝕電化學(xué)特性，是判斷土壤腐蝕性的一個重要評價標準，土壤電阻率的大小直接影響到金屬材料的腐蝕速度[3-6]。一般認為，土壤電阻率越低，腐蝕程度就越高。當(dāng)土壤的電阻率小于20Ω·m時，被認為是強腐蝕性土壤。新疆油田多數(shù)區(qū)塊特別是稠油區(qū)塊的土壤電阻率介于2.0～20Ω·m，說明埋地管道長期處于強腐蝕狀態(tài)的環(huán)境中；當(dāng)外部保溫層進水后，由于稠油管線溫度較高，在溫度和腐蝕介質(zhì)的作用下，管線表面的防腐層容易遭到破壞，使得管道的腐蝕加劇。

1.3.2 土壤的pH值

新疆油田區(qū)塊土壤兼有典型鹽堿土壤及酸性土壤的特征。當(dāng)土壤中的含鹽量、含水量、氧濃度等因素在一定范圍時，隨著pH值降低，土壤對埋地管線的腐蝕速度增加；但當(dāng)土壤中含大量鹽分、水分時，即使pH值在堿性范圍內(nèi)，其土壤腐蝕性仍很大，彩南、石西等沙漠區(qū)塊的埋地管線腐蝕嚴重，說明了這一問題。

1.3.3 土壤的含水量

土壤中的水分對管道的腐蝕影響很大[7]。當(dāng)土壤含水量很高時，氧的擴散滲透遇阻，腐蝕減?。环粗?，氧的去極化反應(yīng)容易發(fā)生，腐蝕速度迅速增加[8]。新疆地區(qū)四季氣候變化大，土壤中的水分隨著季節(jié)的變化而改變，致使管道的腐蝕更加嚴重。這是因為當(dāng)土壤中含水量較少時，鹽分會大量沉積在管道表面，當(dāng)土壤中含水量增大時，鹽分會迅速溶解形成電解液，使管道腐蝕加速。

新疆油田埋地管線因施工、選材等原因存在外防腐涂層組分不均勻、微孔、縫隙及破損等現(xiàn)象，微生物侵蝕及植物根系對涂層的穿透等交融作用會使防腐涂層極易損傷，腐蝕由涂層達到金屬基體，最終破壞金屬表面的保護膜，這是引起埋地管線腐蝕的主要因素[9]。

2 腐蝕與防護技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)新疆油田開發(fā)各個時期、不同油田區(qū)塊的腐蝕特點，不斷開發(fā)和應(yīng)用了防腐新技術(shù)、新材料、新工藝，為油田的安全生產(chǎn)做出了貢獻。新疆油田經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)將主要運用的腐蝕控制與防護技術(shù)手段歸納如下。

2.1 緩蝕劑

緩蝕劑又稱腐蝕抑制劑，少量地添加到介質(zhì)環(huán)境中時會在金屬與介質(zhì)的界面上阻滯腐蝕進行，有效地減緩或阻止金屬腐蝕。緩蝕劑的使用具有操作簡單方便、成本低、效果好等特點，因此，緩蝕劑在油田上被廣泛使用[10]。

目前，緩蝕劑被大量應(yīng)用在新疆油田油氣集輸管線，污水處理及回注系統(tǒng)、地下油管套管等方面，所應(yīng)用緩蝕劑種類主要包括：咪唑啉及其衍生物類、胺類、聚合物類、有機磷酸類、醚類及炔氧甲基類等緩蝕劑。

在新疆油田油氣集輸管線及井下油管、套管等酸性腐蝕介質(zhì)中，咪唑啉及其衍生物、胺、醚、炔氧甲基等類緩蝕劑都顯示出良好的緩蝕性能，在新疆油田廣泛運用。

在新疆油田污水處理、注水系統(tǒng)防腐方面，由于新疆油田地下采出水pH值大多數(shù)呈中性及弱堿性，咪唑啉及其衍生物、胺類等吸附型有機緩蝕劑在堿性此類介質(zhì)中的穩(wěn)定性差，易水解，不宜被大量采用。像氧化型和沉淀型緩蝕劑，如有機羧酸鹽、無機鹽、有機磷酸等類緩蝕劑在中性及堿性介質(zhì)中是通過在金屬表面形成氧化膜或沉淀膜來達到防止或減緩金屬腐蝕的目的，在油田實際運用中防腐效果良好。諸如KL-0308、KL-501磷系類緩蝕阻垢劑，通過在實際生產(chǎn)的運用，證明其對新疆油田地下采出水具有良好的緩蝕阻垢效果。

2.2 非金屬管線

隨著新疆油田的不斷開發(fā)，部分區(qū)塊進入高含水期，受采出液礦化度高、含砂、含腐蝕性氣體、溫度及輸液量等多種因素的影響，致使部分區(qū)塊集輸管線腐蝕結(jié)垢嚴重。

非金屬管道因其具有優(yōu)良的耐酸堿、防腐、絕緣、垢和砂不易沉積、質(zhì)量輕、抗老化、輸液能力高等特點，近年來在新疆油田得到廣泛應(yīng)用[11]。自2001年新疆油田開始試驗并逐步推廣以玻璃鋼管線和鋼骨架復(fù)合塑料管等為主要類型的非金屬管材，并在油田實際生產(chǎn)中取得了良好的防護效果。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2007年，新疆油田累計使用各種非金屬管線已達1530 km。目前，在新疆油田所采用的非金屬管線主要有以下幾類。

2.2.1 塑料合金雙復(fù)合管

塑料合金雙復(fù)合管是一種由兩種以上有機塑料材質(zhì)加工而成，多種塑料合金組成其內(nèi)襯層，并可通過微機控制制成具有不同等級抗壓強度的管線。因其具有質(zhì)量輕、強度大、耐沖擊、安裝方便等優(yōu)點，主要被運用在油田注水、注聚合物驅(qū)的管線等方面。缺點是適用溫度范圍窄，管材價格較高。

2.2.2 玻璃鋼管纏繞管

玻璃鋼管是一種由玻璃纖維、環(huán)氧樹脂或聚酯等材料纏繞成型的一種管材，一般有三層結(jié)構(gòu)：內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外防護層。具有質(zhì)量輕、耐酸堿、耐熱性好、費用低等優(yōu)點。其主要缺點是：施工補口及維修不方便、抗擠壓能力差。目前新疆油田采油一廠、重油公司等油區(qū)的注水及輸油、儲油管線及儲罐附件等設(shè)施的防腐方面主要選用了這項技術(shù)。

隨著新疆油田的開采逐漸進入二次采油和三次采油階段，管道的腐蝕問題日益嚴重，經(jīng)實踐證明，玻璃鋼管是解決這一問題行之有效的方法之一。

2.2.3 鋼骨架塑料復(fù)合管

鋼骨架塑料復(fù)合管采用低碳鋼絲來作為增強相，以高密度聚乙烯樹脂來作為基體，通過對鋼絲電焊成網(wǎng)與塑料擠出填注同步進行，在生產(chǎn)線上連續(xù)拉膜成型的新型雙面防腐壓力管道，其優(yōu)點主要有：耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、不易結(jié)垢、熱導(dǎo)率低、保溫性能好、電絕緣性能好及運輸安裝方便等。主要缺點是管材耐溫差（小于55℃）、氣密性差。

鋼骨架塑料復(fù)合管早在1999年新疆石西油田5號計量站集油支線的改造工程中就開始應(yīng)用。由于管線地處沙漠地區(qū)，土壤腐蝕嚴重，管線改造后采用DN200鋼骨架塑料復(fù)合管，經(jīng)實踐證明其防腐效果十分理想。此外，從經(jīng)濟角度考慮，在新疆油田集輸系統(tǒng)中使用該類管材雖然一次投資較高，但維修費用低，使用周期長，因此其經(jīng)濟效益明顯[12]。

2.2.4 柔性復(fù)合管

柔性復(fù)合管是由一種高分子復(fù)合材料制成的具有高強度、耐酸堿、耐高壓、防垢、柔韌性好等特點的管材，可分為3個部分：內(nèi)芯管、增強層和外保護層。根據(jù)油田的實際用途使用需求，柔性復(fù)合管又分為：輸油用復(fù)合管、輸氣用復(fù)合管、輸水用復(fù)合管、注醇用復(fù)合管。相比于其他類型非金屬管材，柔性復(fù)合管在油田上將具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然每種非金屬管材都各有缺點，但是因其特有的防腐、防垢性能，未來必然在油田集輸系統(tǒng)的防腐防垢領(lǐng)域方面起到革命性的影響。可以預(yù)見，隨著各種非金屬管材生產(chǎn)工藝的不斷完善，非金屬管材在油田上將得到更好的推廣和運用。

2.3 防腐涂料

防腐涂料是指含有防腐性能高分子的溶液或分散液，涂在物體表面固化形成漆膜后，能使得金屬表面免除腐蝕。防腐涂料具有隔離、緩蝕、電化學(xué)保護三種作用。在金屬腐蝕與防護領(lǐng)域，防腐涂料是目前應(yīng)用較為簡便、經(jīng)濟、有效的防腐措施之一[13]，在油田輸油管道或天然氣管道內(nèi)外壁涂覆防腐涂料不僅能使其免受腐蝕，同時還可以達到降低管道內(nèi)壁表面粗糙度、降低摩阻、減少能耗的作用[14-15]。因此在新疆油田被廣泛運用在長輸管線、集輸管線、熱注管線等方面（如彩南油田高壓注水管線、采油一廠三元復(fù)合驅(qū)采油高壓注水管線等）。目前，在新疆油田所使用的防腐涂料種類繁多，歸納起來可分為以下幾個種類。

2.3.1 粉末涂料

粉末涂料是一種不含溶劑、以粉末熔融成膜的新型涂料，具有耐高溫、固化時間短、耐腐蝕性等特點。一般為了達到更好的防護效果，常常在粉末涂料的外層再涂一層聚乙烯涂層，形成3PE綜合防護層，新疆油田獨-烏成品油管道、西氣東輸工程就是采用了這一技術(shù)。

2.3.2 富鋅涂料

富鋅涂料是一種含有大量鋅粉的涂料，通常作為底漆來使用。由于富鋅涂料所采用的有機漆基（環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯、聚氨酯等）、無機漆基（堿性硅酸鹽、烷基硅酸酯等），都具有優(yōu)良的耐蝕性、耐水性和耐磨性，因此在油田上被廣泛運用。

2.3.3 鱗片涂料

鱗片涂料是以各種金屬或非金屬鱗片骨料和各種高性能耐蝕樹脂及相應(yīng)助劑組成的厚漿型重防腐涂料，其特點具有良好的耐腐蝕性和防滲透性，主要用于原油儲罐、地下管道等油田設(shè)備的 防腐[16]。

2.3.4 帶銹和防銹底漆

帶銹和防銹底漆可保護金屬表面免受大氣、海水等的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。主要分為物理性和化學(xué)性防銹漆兩類。前者通過顏料和漆料的適當(dāng)配比，形成致密的漆膜以阻止腐蝕性物質(zhì)的侵入，如鐵紅、石墨防銹漆等；后者靠防銹顏料的化學(xué)抑銹作用，如紅丹、鋅黃防銹漆等。這類涂料目前在油田上仍被廣泛運用于原油管道及儲罐等設(shè)備的金屬表面上。

另外，近年來隨著人們的環(huán)保意識逐漸增強，無溶劑防腐涂料逐漸成為今后防腐涂料方面發(fā)展的主要方向，其種類包括：100%固體聚氨酯涂料、聚脲涂料、有機硅樹脂涂料等。由于其具有良好的耐化學(xué)藥品性、優(yōu)異的物理性能、施工操作方便等眾多優(yōu)點，因此在國內(nèi)外油田開始被大量運用。如，噴涂聚脲防腐涂料作為一種新型先進的無溶劑涂料，因其具有快速固化、機械強度高、耐老化等優(yōu)點在新疆油田開始應(yīng)用并且顯示出廣闊的發(fā)展前景。新疆油田百口泉采油廠地面管線采用的就是噴涂聚脲涂料技術(shù)，防腐效果優(yōu)良。

2.4 電化學(xué)保護

電化學(xué)保護是一種依靠外部電流的流入改變金屬電位，從而降低金屬防腐速度的材料保護技術(shù)。根據(jù)原理[17]，分為陽極保護和陰極保護兩種。陽極保護主要是對金屬進行鈍化，保護金屬在強氧化介質(zhì)中免受腐蝕損害；陰極保護是使金屬形成陰極并極化，達到減小或阻止腐蝕的目的，其又可以分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法[18]。

在長輸管道的防腐方面，油田上大多采用的方法是以強制電流為主，以犧牲陽極為輔的陰極保護方法[19]。在新疆油田，如克拉瑪依-獨山子長輸輸油管線，近幾十年來一直采用了外加強制電流保護技術(shù)；而彩南-石西-克拉瑪依天然氣長輸管道，目前采用國內(nèi)先進的燃氣發(fā)電（TEG）陰極保護技術(shù)，其防腐效果都超過預(yù)期；而對于儲罐的電化學(xué)保護，目前主要采用的是埋地鋅合金陽極的犧牲陽極保護方法。

近年來，新疆油田在采油三廠、夏子街油田的部分管線和設(shè)施上嘗試實施了電化學(xué)保護與涂層防腐相結(jié)合的技術(shù)手段，取得良好的防腐效果。

2.5 電鍍材料及其技術(shù)

電鍍是指根據(jù)電解原理在金屬表面上鍍上一層其他金屬或合金的技術(shù)，可以起到防腐、增強耐磨性、美觀等作用，目前在油田的井下工具領(lǐng)域應(yīng)用較多。

隨著新疆油田的開發(fā)，油田區(qū)塊含水不斷上升，地層水礦化度升高，加之部分油井底部富含的CO、H2S腐蝕性氣體，因此油管及其接箍、套管、抽油桿及短接、螺桿鉆具等井上井下設(shè)施腐蝕情況更為嚴重。早期油田上采用的管材多為不銹鋼類、高合金類（鉻系列合金油管）等，其防腐防垢效果并不理想。近年來隨著電鍍技術(shù)的發(fā)展，鎢合金鍍層、鎳磷鍍層、納米鍍層、陶瓷鍍層、鋅合金鍍層等類管材及其電鍍技術(shù)在新疆油田生產(chǎn)中開始被廣泛應(yīng)用，通過油田實際生產(chǎn)證明其防腐效果優(yōu)良。

3 結(jié) 論

新疆油田由于地域、經(jīng)濟發(fā)展等多種原因，腐蝕控制與防護技術(shù)在國內(nèi)處于相對落后水平，主要體現(xiàn)在：腐蝕控制技術(shù)研究缺乏系統(tǒng)性、腐蝕控制產(chǎn)品缺乏全面性、腐蝕技術(shù)創(chuàng)新能力差、腐蝕專業(yè)技術(shù)研究人員稀缺等方面。近年來，隨著新疆油田石西、彩南等沙漠油區(qū)的開發(fā)，油田設(shè)施的腐蝕控制與防護的重要性已引起廣泛重視，這也為腐蝕控制與防護技術(shù)在新疆油田的加速發(fā)展提供了新的機遇。

目前，結(jié)合新疆油田生產(chǎn)實際，當(dāng)前面臨以下問題急待解決。

（1）新疆油田多數(shù)區(qū)塊地下采出水水質(zhì)多呈弱堿性且礦化度高，磷（膦）系類緩蝕劑是目前新疆油田使用較為廣泛的一類緩蝕劑，具有緩蝕效果較好、成本低、阻垢性能優(yōu)良等優(yōu)點，但因其環(huán)保性差，易使水質(zhì)富氧化等缺點不易在油田長期使用。因此開發(fā)尋找無磷、環(huán)保、高效、經(jīng)濟的緩蝕劑是目前急待研究的課題之一。另外，近年來在國內(nèi)外文獻中鮮有關(guān)于堿性、弱堿性腐蝕介質(zhì)中緩蝕劑的相關(guān)報道，因此研發(fā)出相關(guān)環(huán)保、高效、經(jīng)濟的相關(guān)緩蝕劑并探求其防腐機理，具有重要的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)意義。

（2）防腐涂料在油田上是運用最廣泛的腐蝕控制與防護技術(shù)，但是目前在新疆油田從事防腐涂料施工的單位及監(jiān)管單位的技術(shù)水平良莠不齊，并且與之實施的相關(guān)標準已明顯不適應(yīng)實際需求，因此提高整體專業(yè)技術(shù)水平及完善和更新相關(guān)專業(yè)標準的工作已勢在必行。

此外，隨著國際上對環(huán)境問題的日趨重視，在新疆油田使用新型具有低污染、低毒或無毒的高固含量的、無溶劑和水性防腐涂料將成為今后的發(fā)展趨勢。

（3）非金屬管材通過在新疆油田多年的實際運用，雖然在使用條件方面有一定的局限性，但可以預(yù)見非金屬管材在油田腐蝕防護領(lǐng)域方面將有更大的發(fā)展空間，因此提前開展對非金屬管道室內(nèi)評價體系和評價方法的研究工作，具有重要的現(xiàn)實意義。

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2013-11-12；修改稿日期：2013-11-14。

亓樹成（1976—），男，碩士，現(xiàn)從事油田化學(xué)藥劑檢測工作。E-mail qishucheng2012@163.com。