空氣泡沫驅(qū)腐蝕因素與腐蝕性灰色關(guān)聯(lián)分析

李志坪，饒?zhí)炖?，?瑛，龍永福，宋文皎，陳超靈，梁 雷，劉 祥

(1.長慶油田分公司 第三采油廠，寧夏 銀川 750006； 2.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

空氣泡沫驅(qū)將注空氣驅(qū)和泡沫驅(qū)有機(jī)結(jié)合起來，用泡沫作為調(diào)剖劑，空氣作為驅(qū)油劑，既能大規(guī)模注入提高地層壓力，又能有效避免水竄和氣竄問題，提高單井產(chǎn)油量、驅(qū)油效率，成本低，安全可靠，是具有很好發(fā)展前景的三次采油方式之一，目前正在被大量用于試驗(yàn)和開采中[1-2]。空氣泡沫驅(qū)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于將空氣引入注采系統(tǒng)，加之其與注入水和其他助劑的相互作用，在地層的高溫高壓環(huán)境下，會對注采系統(tǒng)設(shè)備、管線造成嚴(yán)重腐蝕[3-4]。而有關(guān)空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)腐蝕性的實(shí)驗(yàn)報(bào)道尚少，在實(shí)際生產(chǎn)過程中也缺乏對腐蝕主控因素及相關(guān)腐蝕規(guī)律的研究。本文結(jié)合長慶油田分公司第三采油廠空氣泡沫驅(qū)的生產(chǎn)實(shí)際，有針對性地開展了空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)腐蝕因素(如：O2含量、CO2含量、壓力、pH值、溫度、礦化度等)的腐蝕性實(shí)驗(yàn)，利用灰色理論分析方法，明確了空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)的主要腐蝕因素。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

1.1.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品

氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、碳酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸鈉等，均為市售分析純化學(xué)試劑。起泡劑(AES)、泡沫穩(wěn)定劑(PAM)，為工業(yè)品。

1.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

空氣泡沫驅(qū)腐蝕性實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置(自制， 流程如圖1所示)， 裝置由儲液罐、平流泵、氣源、泡沫發(fā)生器、壓力容器、恒溫箱等組成；J55鋼腐蝕試片(山東省陽信縣盛鑫科技有限公司)。

圖1 腐蝕評價(jià)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of corrosion evaluation device

1.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 模擬水樣配制

稱取一定質(zhì)量的CaCl2、MgCl2、Na2SO4、Na2CO3、NaHCO3，溶于蒸餾水中，配制模擬水樣。各組分含量見表1。

表1 模擬水樣組成Tab.1 Composition of simulation water

1.2.2 空氣泡沫液配制

取一定質(zhì)量的模擬水樣，在不斷攪拌下，依次加入起泡劑、泡沫穩(wěn)定劑，配成含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%起泡劑和0.03%泡沫穩(wěn)定劑的空氣泡沫液，備用。

1.2.3 空氣泡沫驅(qū)腐蝕性實(shí)驗(yàn)

先將配制的空氣泡沫液加入到儲液罐，在壓力容器中安裝好實(shí)驗(yàn)掛片，密封壓力容器，連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置的氣密性。再通入N2置換壓力容器中的空氣，然后分別調(diào)整O2、N2和CO2氣體流量使混合氣體組成達(dá)到設(shè)定要求；開啟平流泵，使泡沫液與混合氣體在泡沫發(fā)生器按設(shè)定比例混合產(chǎn)生空氣泡沫，產(chǎn)生的空氣泡沫從裝掛片的壓力容器上端進(jìn)入、下端流出，同時(shí)加熱恒溫容器至設(shè)定溫度。待溫度和壓力達(dá)到設(shè)定值1 h后，關(guān)閉壓力容器兩端閥門，停止通氣，關(guān)停平流泵。裝有掛片的壓力容器繼續(xù)在設(shè)定溫度保持7 d，打開裝置，取出掛片。實(shí)驗(yàn)用試片的前、后處理和腐蝕速率計(jì)算參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“SY/T5273—2000”《油田采出水用緩蝕劑性能評價(jià)方法》進(jìn)行[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)的腐蝕因素

空氣泡沫驅(qū)注入系統(tǒng)的腐蝕性，除空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)施工工藝外，主要受氣源、水源、溫度和壓力等影響。實(shí)驗(yàn)選取空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)的腐蝕因素：O2含量、CO2含量、壓力、pH值、溫度、礦化度，測試其對腐蝕速率的影響。

2.1.1 氧氣含量對腐蝕速率的影響

氧氣在腐蝕過程中一方面可以作為陰極去極化劑，另一方面又可以作為陽極緩蝕劑，呈現(xiàn)不同的作用。在80 ℃、 4 MPa的條件下，掛片7 d，測試混合氣體中氧氣含量對試片在空氣泡沫液中腐蝕速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 O2含量對腐蝕速率的影響Tab.2 Effect of O2 content on corrosion rate

從表2可以看出，隨著氧氣在混合氣體中含量的增加，試片的腐蝕速率顯著增大，且存在點(diǎn)蝕。這是由于空氣泡沫液具有較大的黏度，體系中存在大量微氣泡，微氣泡粘附在試片表面，造成局部氧含量增高，使試片發(fā)生不均勻腐蝕而產(chǎn)生點(diǎn)蝕。

2.1.2 壓力對腐蝕速率的影響

體系壓力增加，氧氣在溶液中的溶解度增大，從而使腐蝕速率增大。在80 ℃，N2與O2配比(90%N2、10%O2)不變的情況下，測試在空氣泡沫液中壓力對試片腐蝕速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 壓力變化對腐蝕速率的影響Tab.3 Effect of pressure on corrosion rate

從表3可以看出，在N2與O2配比和溫度不變的情況下，隨著體系壓力增加，由于氧氣在空氣泡沫液中溶解度的增加，鋼片的腐蝕速率增加。

2.1.3 溫度對腐蝕速率的影響

在混合氣體組成(O220%，N280%)、壓力(4 MPa)不變的情況下，改變實(shí)驗(yàn)溫度，測試試片在空氣泡沫液中的腐蝕速率，結(jié)果見表4。

表4 溫度對腐蝕速率的影響Tab.4 Effect of temperature on corrosion rate

從表4可以看出，隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高，O2反應(yīng)活性增加，促進(jìn)了試片腐蝕反應(yīng)，從而使腐蝕過程加快，因此，隨溫度升高腐蝕速率增大。

2.1.4 二氧化碳含量對腐蝕速率的影響

水中溶解的CO2一般會造成金屬設(shè)備、管線的全面腐蝕。在80 ℃，N2和O2配比為90%N2、10%O2，壓力為2 MPa的條件下，掛片7 d，測試在空氣泡沫液中CO2含量對試片腐蝕速率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 CO2含量對腐蝕速率的影響Tab.5 Effect of CO2 content on corrosion rate

從表5可以看出，隨著CO2含量的增加，試片的腐蝕速率略有增加。這可能是因?yàn)榛旌蠚怏w中CO2含量較低，在實(shí)驗(yàn)考察的CO2含量變化范圍內(nèi)，對試片腐蝕速率的影響較小。正常情況下，CO2在空氣中的含量約為0.03%，因此，在空氣泡沫液驅(qū)替過程中，該腐蝕因素的影響較小。

2.1.5 pH值對腐蝕速率的影響

實(shí)驗(yàn)先配制不同pH值的空氣泡沫液，在混合氣體組成為O220%、N280%，80 ℃，0.4 MPa的條件下，掛片7 d，測試了試片在pH值分別為5、6、7、8、9、10的空氣泡沫液中的腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 pH值對腐蝕速率的影響Tab.6 Effect of pH on corrosion rate

由表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在pH值5～10范圍內(nèi)，隨著空氣泡沫液pH值增大，試片的腐蝕速率先減小后增大，pH值為8時(shí)腐蝕速率最小。主要是因?yàn)?，pH值在4～8范圍內(nèi)變化時(shí)，H+濃度減小，陰極的還原速度下降，鋼片的腐蝕速率隨之減?。辉趐H值大于8后，體系中OH-濃度有所增加，增大了陽極的溶解速率，所以腐蝕速率隨之增大[6]。

2.1.6 礦化度對腐蝕速率的影響

實(shí)驗(yàn)先配制礦化度分別為4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、24 000 mg/L水樣，再將各水樣按0.3%起泡劑和0.03%泡沫穩(wěn)定劑配制空氣泡沫液。在混合氣體組成為O220%、N280%，80 ℃，0.4 MPa的條件下，掛片7 d，測試試片在空氣泡沫液中的腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 礦化度對腐蝕速率的影響Tab.7 Effect of mineralization on corrosion rate

由表7可知，隨著礦化度的增加，試片的腐蝕速率變化不規(guī)律，但總體呈增加趨勢。這是因?yàn)榈V化度達(dá)到一定含量后，電解質(zhì)中的Cl-會在金屬表面發(fā)生電化學(xué)吸附，形成一層保護(hù)膜，從而抑制金屬的腐蝕；另一方面電解質(zhì)可以增加陽極反應(yīng)電流，促進(jìn)陽極溶解速度從而加快腐蝕。兩種因素的共同作用，造成隨著礦化度的增加腐蝕速率總體呈增加趨勢[7]。

2.2 腐蝕因素與腐蝕性灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析是通過計(jì)算比較序列對于參考序列的相關(guān)程度，找出系統(tǒng)中對參考序列的主要和次要影響因素[8]。基于灰關(guān)聯(lián)定理Ⅱ?qū)Ρ?～表6所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行序列的零點(diǎn)化、序列的初值化、求絕對關(guān)聯(lián)度ε0i和相對關(guān)聯(lián)度r0i，最后計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度θ0i：

θ0i=ρ×ε0i+(1-p)r0i。

式中：θ0i為某因素的綜合關(guān)聯(lián)度，ρ為分辨系數(shù)，取ρ=0.4。各參考序列與各比較序列的綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 綜合關(guān)聯(lián)度Tab.8 Comprehensive association degree of every factors

某因素的綜合關(guān)聯(lián)度越大，其對參考序列的影響越大。從表8可以看出，各腐蝕因素與腐蝕速率的綜合關(guān)聯(lián)度從大到小的排列順序?yàn)椋簆H值、溫度、O2含量、CO2含量、壓力、礦化度，此即空氣泡沫驅(qū)體系腐蝕速率受各腐蝕因素影響由大到小的次序。分析結(jié)果顯示：pH值、溫度、O2含量為空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)的主要腐蝕因素。因此，在空氣泡沫驅(qū)過程中，為降低腐蝕，應(yīng)注意對pH值、溫度、O2含量主要腐蝕因素進(jìn)行控制。

3 結(jié) 論

(1)空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)壓力、溫度、氧氣的含量越高，腐蝕性越強(qiáng)；體系偏酸或偏堿都會加快腐蝕，在pH值為8時(shí)，腐蝕速率較??；礦化度、CO2含量在正常變化范圍內(nèi)，對腐蝕影響較小。

(2)空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)腐蝕速率受各腐蝕因素的影響從大到小的排列順序?yàn)椋簆H值、溫度、O2含量、CO2含量、壓力、礦化度。pH值、溫度、O2含量為空氣泡沫驅(qū)系統(tǒng)的主要腐蝕因素。因此，在空氣泡沫驅(qū)過程中，為降低腐蝕，應(yīng)注意對pH值、溫度、O2含量等主要腐蝕因素進(jìn)行控制。