渤海SZ油田注聚管線腐蝕對注入體系性能的影響研究*

張曉冉 宋鑫 連正新 肖麗華 韓玉貴

中海石油（中國）有限公司天津分公司

渤海SZ油田處于聚合物驅開發(fā)中后期，地面注聚管線腐蝕問題日益突出，特別是注聚時間超過10年的老平臺，管線刺漏、穿孔問題尤為突出，影響聚合物溶液性能[1-5]，注聚流程各節(jié)點黏度損失呈逐年增大的趨勢。該油田配注系統(tǒng)每年因管線腐蝕導致更換、維修等增加的注聚成本高達100萬元，且降低了現(xiàn)場注聚時率。為此，通過室內(nèi)實驗開展了注聚管線腐蝕對注入體系性能的影響研究，并提出應對措施。

1 腐蝕現(xiàn)狀及分析

1.1 注聚管線腐蝕

渤海SZ油田注聚系統(tǒng)采用高壓水稀釋熟化后的母液至目標濃度?，F(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，高壓水管線極易發(fā)生腐蝕，與聚合物母液混合后，管線腐蝕損壞率大幅降低。近3年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，高壓水管線因腐蝕導致維修的比例占注聚系統(tǒng)管線維修的70%。因此從配聚用水水質(zhì)組成分析管線腐蝕原因[6]。

1.2 配聚用水水質(zhì)分析

以注聚管線腐蝕情況較嚴重的A平臺為研究對象，在水處理流程相對穩(wěn)定的情況下，在聚合物母液稀釋位置取配聚用水進行水質(zhì)組成分析，實驗結果見表1。

表1 配聚用水水質(zhì)組成Tab.1 Water composition of water for polymer preparation mg/L

通過分析發(fā)現(xiàn)，該平臺配聚用水屬于CaCl2水型，Ca2+、Mg2+、Cl-質(zhì)量濃度都處在較高水平，金屬離子會對油管造成不同程度的腐蝕[7-9]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金屬離子造成管線的腐蝕主要是降低了管材表面鈍化膜形成的概率，加快了鈍化膜的損壞，在非金屬夾雜物點增大了管材局部腐蝕程度[10]。同時，高壓管線在應力、應變共同作用下，金屬的電勢因發(fā)生彈性變形產(chǎn)生陽極極化，電極電勢負移，自溶解趨勢增加，腐蝕電流密度增大，從而導致材料的腐蝕速率增加。

1.3 氯離子對管材的腐蝕

A平臺注聚系統(tǒng)未采用除氧工藝，管線材質(zhì)為碳鋼，用氯化鈉和去離子水配制成含有5種不同氯離子濃度的溶液，在三電極體系中對現(xiàn)場在用碳鋼管線進行穩(wěn)態(tài)極化曲線測試，實驗結果見圖1。

圖1 碳鋼在不同氯離子濃度溶液中的極化曲線Fig.1 Polarization curves of carbon steel in solution with different chloride ion concentrations

由圖1可看出，碳鋼的自腐蝕電位隨氯離子濃度的增加呈逐漸下降趨勢，而其自腐蝕電流密度則呈逐漸增加的趨勢。當溶液中加入氯離子后，碳鋼自腐蝕電位明顯向負向移動，自腐蝕電流密度增大。但是當氯離子濃度增大到一定濃度后，碳鋼的自腐蝕電位負移和自腐蝕電流密度增大的幅度減小，說明溶液中氯離子濃度的增加對碳鋼的腐蝕具有促進作用。

采用旋轉掛片法在50℃條件下測定碳鋼的腐蝕速率隨NaCl濃度的變化規(guī)律[11]，結果發(fā)現(xiàn)：NaCl質(zhì)量濃度在小于1 000 mg/L時，碳鋼的腐蝕速率隨金屬離子濃度的增加而增大；但當NaCl質(zhì)量濃度超過1 000 mg/L時，腐蝕速率緩慢增加，曲線斜率降低，與穩(wěn)態(tài)極化曲線測試結果一致。實驗結果表明，A平臺配聚用水氯離子質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L時，對碳鋼管線腐蝕影響較大。

2 管線腐蝕對注入體系黏度的影響

從A平臺現(xiàn)場更換的管線內(nèi)壁刮取部分腐蝕產(chǎn)物進行X射線衍射相分析，認為主要腐蝕產(chǎn)物為鐵的氧化物FeO（OH）、Fe3O4，且配聚用水中總鐵質(zhì)量濃度為0.8 mg/L，超過行業(yè)標準。室內(nèi)實驗結果表明，高價金屬離子的靜電屏蔽、氧化還原反應對聚合物溶液性能會產(chǎn)生不同程度的影響。從現(xiàn)場實際配聚情況發(fā)現(xiàn)，地面系統(tǒng)的黏損率約在20%～40%。注入體系黏度損失一方面是由于注入量大，剪切速率大導致注入體系黏度降低，另一方面與配聚水中亞鐵離子/鐵離子濃度高有關。因此，開展亞鐵離子/鐵離子對渤海SZ油田注入體系性能的影響研究。因現(xiàn)場為非隔氧環(huán)境，故實驗未進行隔氧處理，但應盡量加快實驗進度，以減少溶解氧影響。

2.1 亞鐵離子對注入體系性能的影響

在50℃條件下，使用A平臺在用的功能型聚合物P1，以不同濃度的FeCl2溶液為配聚用水，配制質(zhì)量濃度為2 250 mg/L的現(xiàn)場聚合物溶液，經(jīng)120 min充分熟化后用Brookfield DV II+PRO黏度計測定溶液黏度，結果見表2。

表2 不同亞鐵離子濃度下P1聚合物溶液黏度變化Tab.2 Viscosity changes of P1 polymer solution under different ferrous ion concentrations

由實驗結果可以看出，亞鐵離子對體系黏度影響較大，隨著亞鐵離子的濃度增加，體系黏度大幅下降。亞鐵離子濃度在1 mg/L時聚合物溶液黏損達到20%，亞鐵離子濃度超過1.5 mg/L時聚合物溶液黏損達到30%，亞鐵離子濃度繼續(xù)升高，溶液底部開始出現(xiàn)絮狀物沉淀，隨著時間的推移變?yōu)榈S色。這是因為亞鐵離子使大量聚合物分子鏈發(fā)生斷裂，減弱了分子之間的締合作用，破壞了空間網(wǎng)狀結構，溶液黏度大幅降低。亞鐵離子進一步被氧化后，呈現(xiàn)淡黃色。

2.2 鐵離子對注入體系性能的影響

在上述實驗條件下，以不同濃度的FeCl3溶液為配聚用水，配制質(zhì)量濃度2 250 mg/L的聚合物溶液，充分溶解熟化后測定溶液黏度，結果見表3。

表3 不同鐵離子濃度下P1聚合物溶液黏度變化Tab.3 Viscosity changes of P1 polymer solution under different iron ion concentrations

由實驗結果可以看出，鐵離子對體系黏度影響較小，在鐵離子質(zhì)量濃度1 mg/L時，溶液黏度損失8%。這是由于三價鐵離子在水溶液中相對穩(wěn)定，不會發(fā)生劇烈的氧化還原反應切斷聚合物分子鏈，但其靜電屏蔽作用也會在一定程度上影響聚合物溶液黏度。

3 應對措施

在開展亞鐵離子對注入體系性能的影響研究過程中發(fā)現(xiàn)，溶液黏度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于P1聚合物溶液在溶解熟化過程中，初期分子間締合作用大于亞鐵離子對體系黏度降低的作用，溶液黏度不斷上升；后期亞鐵離子靜電屏蔽作用明顯，聚合物分子鏈卷曲，溶液黏度大幅下降。亞鐵離子濃度越高，溶液黏度下降持續(xù)時間越長，2 h后測量部分樣品黏度仍在下降。因此提升管線耐腐蝕能力，去除或穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)生的亞鐵離子、鐵離子十分重要。

現(xiàn)場通常采用高鎳鉻油管、低碳鋼油管等替換普通碳鋼油管[12]，以提高管線防腐能力。管材中加入穩(wěn)定的鎳、鉻等金屬元素，可以轉變碳鋼的自腐蝕點位，使其向正極移動，減弱管材的自腐蝕性。低碳鋼中Fe3C含量較低，降低了鋼材料的腐蝕速率，可增強耐腐蝕性。復合管材、內(nèi)涂層管以及纖維管等材質(zhì)也在現(xiàn)場使用過，但由于成本較高，使用頻率較低?，F(xiàn)場試驗結果表明，高壓注入段管線采用高鎳鉻油管，注入泵前的注入體系黏度可以提高8%～10%，但使用成本需進一步優(yōu)化。

為穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)生的亞鐵離子、鐵離子，在現(xiàn)場流程中加入螯合劑，以降低注入體系黏度損失[13]?，F(xiàn)場取樣發(fā)現(xiàn)，由于配聚用水水質(zhì)波動，注入體系增黏效果有限，且高加藥量會進一步增加注入體系黏度損失。因此建議進一步提升鰲合劑體系配方，并優(yōu)化加藥位點和加藥方式，高效提升螯合劑對金屬離子的螯合穩(wěn)定作用，降低注入體系黏損。

4 結論與建議

（1）渤海SZ油田A平臺配聚用水氯離子質(zhì)量濃度超過5 000 mg/L，穩(wěn)態(tài)極化曲線測試結果表明，該濃度下氯離子對碳鋼管線腐蝕影響較大。

（2）亞鐵離子/鐵離子對注入體系性能產(chǎn)生一定影響，亞鐵離子在濃度超過1 mg/L時聚合物溶液黏度損失超過25%，與鐵離子相比影響較大。

（3）采用高鎳鉻油管提升管線防腐能力效果較好，注入體系黏度可以提高8%～10%，但需優(yōu)化管材以降低成本，同時建議提升螯合劑性能，并優(yōu)化加藥方式。

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