某油田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)管線腐蝕失效分析

劉 鵬* 倪先鋒 樊榮興 楊 陽(yáng) 金 磊 杜曉杰

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 2. 中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司）

0 引言

某油田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)管線整體壁厚減薄嚴(yán)重。2020 年8 月，腐蝕探針監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，探針平均腐蝕速率為0.073 mm/a，已接近SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中注水水質(zhì)推薦指標(biāo)要求，注水水質(zhì)腐蝕速率≤0.076 mm/a。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，腐蝕較嚴(yán)重的管線主要分布在二氧化氯殺菌劑注入點(diǎn)下游，而上游管線只存在輕微的均勻腐蝕。為了保證生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的作業(yè)安全，作業(yè)公司于2020 年10 月對(duì)下游管線進(jìn)行了拆除及更換，為了查找下游管線發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的原因，選取了部分下游管線進(jìn)行失效分析，通過(guò)宏觀分析、管材化學(xué)成分分析、腐蝕性氣體檢測(cè)分析、細(xì)菌及鐵離子含量檢測(cè)分析、結(jié)垢預(yù)測(cè)及結(jié)垢成分分析等方法，研究了腐蝕發(fā)生的原因，并制定了有效的預(yù)防及改進(jìn)措施。

1 注水處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某油田生產(chǎn)水處理系統(tǒng)包括撇油器、加氣浮選器及核桃殼過(guò)濾器三級(jí)處理，為了使其達(dá)到注水水質(zhì)要求，流入的水經(jīng)由核桃殼過(guò)濾器出口與來(lái)自水源井水匯合進(jìn)入注水緩沖罐，通過(guò)注水增壓泵、注水泵全部回注地層，圖1 為注水處理系統(tǒng)流程圖，其中二氧化氯注入點(diǎn)為圖1 中的箭頭標(biāo)注位置。

圖1 注水處理系統(tǒng)流程圖

2 回收管段宏觀分析

對(duì)拆除回收管線的典型位置進(jìn)行宏觀分析，圖2為二氧化氯注入點(diǎn)相鄰的上游管線，其中存在輕微均勻腐蝕，內(nèi)壁無(wú)明顯結(jié)垢現(xiàn)象。圖3、圖4 分別為二氧化氯注入點(diǎn)相鄰下游管線、遠(yuǎn)離注入點(diǎn)的下游管線。不難看出，自注入點(diǎn)至下游的管線均存在較嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，壁厚減薄也較嚴(yán)重。

3 檢測(cè)分析

3.1 管材化學(xué)成分分析

對(duì)下游管線（鋼管等級(jí)：API 5L PSL2 X65）母材進(jìn)行取樣，采用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)表1。結(jié)果表明：母材化學(xué)分成符合訂貨技術(shù)要求。

3.2 腐蝕性氣體檢測(cè)分析

將檢測(cè)手泵（氣體采樣器）膠皮管的氣嘴連接至待檢處（一般為容器壓力表），打開(kāi)待檢點(diǎn)閥門，調(diào)節(jié)氣體的流量，抽取一定體積的腐蝕性氣體，根據(jù)檢測(cè)管變色范圍讀出腐蝕性氣體的含量。表2 所示為生產(chǎn)水處理系統(tǒng)近兩年內(nèi)腐蝕性氣體H2S 與CO2含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）檢測(cè)數(shù)據(jù)的最大值。由表2 可知，H2S 與CO2含量最高的位置在生產(chǎn)水緩沖罐，含量分別為8×10-6及7%，含量很低，均屬于低度腐蝕性環(huán)境，即幾乎不具備腐蝕作用[1]。

表2 腐蝕性氣體檢測(cè)結(jié)果

3.3 細(xì)菌及鐵離子含量檢測(cè)分析

采用絕跡稀釋法，即將需測(cè)定的水樣用無(wú)菌注射器逐級(jí)注入到測(cè)試瓶（SRB、TGB、FB）中進(jìn)行接種稀釋，在恒溫箱中培養(yǎng)，根據(jù)細(xì)菌瓶陽(yáng)性反應(yīng)和稀釋的倍數(shù)來(lái)計(jì)算細(xì)菌的數(shù)目。

在現(xiàn)場(chǎng)水樣加入微量的1:1 鹽酸，用總鐵或亞鐵離子測(cè)試管中的顯色劑與水樣進(jìn)行反應(yīng)，之后將測(cè)試管與標(biāo)準(zhǔn)比色管進(jìn)行比對(duì)，從而測(cè)定水中總鐵或二價(jià)鐵離子的含量。

表3 為近兩年內(nèi)水質(zhì)中細(xì)菌及鐵離子含量檢測(cè)分析數(shù)據(jù)最高值。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，水系統(tǒng)中主要處理設(shè)備的Fe2+質(zhì)量含量均在0.2 mg/L 以下，總鐵離子在0.3 mg/L 以下，SRB 個(gè)數(shù)幾乎都在25 個(gè)/mL 以下，F(xiàn)B 為0 個(gè)/mL，TGB 在0.6 個(gè)/mL 以下，根據(jù)油田的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的水質(zhì)指標(biāo)合格，基本不會(huì)發(fā)生微生物腐蝕。

表3 細(xì)菌及鐵離子質(zhì)量含量檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)垢預(yù)測(cè)及垢樣分析

表4 為生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的水質(zhì)分析結(jié)果，取樣點(diǎn)位于注入點(diǎn)下游。由表4 數(shù)據(jù)可知，水質(zhì)礦化度較高，且含有大量Ca2+及少量Ba2+，依據(jù)SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平臺(tái)水質(zhì)結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[2-3]，該水質(zhì)存在CaCO3、BaCO3結(jié)垢趨勢(shì)。

表4 離子質(zhì)量含量檢測(cè)數(shù)據(jù)

選取二氧化氯注入點(diǎn)下游管線內(nèi)壁結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。對(duì)試樣采用石油醚、酒精溶解除油、過(guò)濾、干燥處理后再進(jìn)行XRD 測(cè)試，掃描角度2θ為3°～80°，采樣步寬為0.02，波長(zhǎng)λ=1.540 56 nm。XRD 分析結(jié)果表明，內(nèi)壁結(jié)垢產(chǎn)物成分主要為FeCO3、FeOOH 以及CaCO3等，其中FeCO3、FeOOH應(yīng)為腐蝕產(chǎn)物，而CaCO3為水質(zhì)結(jié)垢產(chǎn)物，與結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

4 腐蝕原因分析

該生產(chǎn)水處理系統(tǒng)采用二氧化氯殺菌劑，而已知二氧化氯殺菌劑在油田現(xiàn)場(chǎng)制備，工藝如下：

式（1）中： H2SO4物質(zhì)的量濃度為1 ～2.5 mol/L；式（2）中： H2SO4物質(zhì)的量濃度為2.5 ～5.5 mol/L；式（3）中： H2SO4物質(zhì)的量濃度為＞5.5 mol/L；

原料NaClO3被還原為ClO2，原料H2O2被氧化為O2，溶解在水中進(jìn)入注水系統(tǒng)，隨著ClO2濃度升高，O2濃度也將相應(yīng)升高，導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)中溶解氧含量上升，O2是一種很好的去極化劑，使鐵失去電子生成Fe2+，與水中的CO32-形成FeCO3。隨著水中的溶解氧含量增加，O2將Fe2+氧化為Fe3+[4]，生成FeOOH。同時(shí)在管道運(yùn)行時(shí)，環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)致管道內(nèi)壁形成碳酸鈣垢，垢層不斷沉積，發(fā)生垢下腐蝕[5]。綜合以上因素可知，管線在氧腐蝕與垢下腐蝕的雙重作用下，內(nèi)壁腐蝕不斷加劇。

5 防腐措施及建議

（1）將注水水質(zhì)腐蝕速率嚴(yán)格控制在0.076 mm/a以下，同時(shí)提高水中溶解氧含量的檢測(cè)頻次（主要是在加注點(diǎn)之后），溶解氧的質(zhì)量含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.1 mg/L 以下。

（2）密切關(guān)注殺菌劑加注點(diǎn)后的管線壁厚減薄情況，將重點(diǎn)、加密對(duì)該區(qū)域管線進(jìn)行壁厚測(cè)量。

（3）定期開(kāi)展藥劑評(píng)價(jià)工作、優(yōu)化加注模式。

（4）建議在水系統(tǒng)中加注除垢劑或考慮在加注點(diǎn)后管線增加超聲波在線除垢裝置。

（5）如可行，建議更換殺菌劑ClO2，在注水系統(tǒng)中可選擇加入無(wú)腐蝕性的殺菌劑。