油田回注污水對管線腐蝕性研究

徐 呂

(昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650302)

陜北油田屬于低滲透油藏，廣泛采用注水開發(fā)作為保持地層壓力和提高采油效率的有效手段，隨著石油開采進(jìn)入中后期，含油污水不斷增加，污水可作為一種較為理想的水源進(jìn)行回注，但污水回注進(jìn)入地層后，與地層水相遇，會引起回注污水體系因溫度、pH等發(fā)生變化，導(dǎo)致原本穩(wěn)定的回注水體系遭到破壞，引起回注管網(wǎng)腐蝕加劇，制約油田原油生產(chǎn)和整體經(jīng)濟(jì)效益的提高。注水管線的腐蝕問題已成為困擾油田生產(chǎn)的一個重要因素[1-3]，同時(shí)，腐蝕也是油田水質(zhì)控制中遇到的最嚴(yán)重的問題之一，給生產(chǎn)帶來極大危害[4]。引起管網(wǎng)腐蝕的原因各有不同，針對腐蝕的原因，對癥下藥，采取有效的控制手段，成為科研人員的重要研究課題。筆者在總結(jié)相關(guān)研究成果與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用帶能譜分析的掃描電鏡對腐蝕掛片進(jìn)行形貌及能譜分析，分析導(dǎo)致陜北某區(qū)塊回注污水管網(wǎng)腐蝕的原因，為下一階段的防腐工作，提供決策依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水質(zhì)分析

1.2 污水腐蝕速率測試

實(shí)驗(yàn)用掛片為A3鋼試片，尺寸為76 mm×13 mm×1.5 mm，以作為腐蝕介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)方法按照SY5273-2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評價(jià)方法》中規(guī)定的方法進(jìn)行，在近地層溫度(40 ℃)下浸泡一定的時(shí)間(7天)，通過其形貌評價(jià)其腐蝕程度。

1.3 形貌觀察和能譜分析

先將腐蝕掛片進(jìn)行干燥處理，之后再用掃描電子顯微鏡觀察其形貌，通過觀察掛片的腐蝕形貌圖，初步判定腐蝕的類型。為進(jìn)一步探究引起腐蝕的根本原因，對腐蝕掛片表面開展能譜(EDS)分析，通過分析該區(qū)域元素的構(gòu)成及變化情況，找出不同掃描區(qū)域元素的變化規(guī)律，以判定腐蝕的成因，為下一階段的防腐工作提供決策依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 污水離子及成分分析

依據(jù)SY/T5523-2000《油氣田水分析方法》和SY/T5329-94《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，其回注污水、地層水水質(zhì)分析結(jié)果如表1、表2所示。

表1 污水成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of sewage composition

表2 地層水成分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of formation water composition

對照表1、表2的指標(biāo)數(shù)據(jù)來看，地層水的腐蝕速率(0.061 mg/L)明顯高于污水的腐蝕速率(0.023 mg/L)，其它指標(biāo)相比來看，地層水的硫酸鹽還原菌數(shù)量(106個/mL)顯著高于污水(105個/ml)。

污水、地層水中的腐生菌、硫酸鹽還原菌含量均較高，直接注入易引起管線堵塞或腐蝕。腐生菌在一定條件下，能從有機(jī)物中得到能量，產(chǎn)生粘性物質(zhì)，與某些代謝產(chǎn)物累積沉淀可造成堵塞。同時(shí)，腐生菌產(chǎn)生的粘液會對管道腐蝕造成很大的危害，這些細(xì)菌的數(shù)量超過一定值后能產(chǎn)生氧濃差電池，致使注水井腐蝕和堵塞[5]。硫酸鹽還原菌氫化酶的去極化作用下，能將硫酸根離子還原成二價(jià)硫離子，將鐵氧化成二價(jià)的亞鐵離子，從而進(jìn)而形成腐蝕產(chǎn)物硫化亞鐵，加速管道腐蝕和堵塞，加劇對金屬設(shè)備的腐蝕。

2.2 腐蝕掛片掃描電鏡SEM觀察

對比圖1兩張形貌圖，圖1(a)局部形成較深的小坑，而右圖整體較平滑，說明腐蝕發(fā)生在金屬表面的某些特定部位，其余大部分幾乎不腐蝕，其腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為局部腐蝕；對比圖2的兩張形貌圖，圖2(a)形成腐蝕溝槽，而右圖整體較粗糙，腐蝕發(fā)生在金屬整個表面，其腐蝕形態(tài)主要表現(xiàn)為全面腐蝕。至于腐蝕的原因，還需進(jìn)一步通過掛片的能譜分析，對比其表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，探索影響腐蝕的主要原因。

圖1 污水腐蝕掛片SEM形貌Fig.1 SEM morphology of hanging sheet corroded by sewage

圖2 地層水腐蝕掛片SEM形貌Fig.2 SEM morphology of formation water corrosion hanging sheet

2.3 腐蝕掛片能譜分析

從表3能譜分析結(jié)果可以看出，對照圖3的3個掃描區(qū)的元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可知，三個點(diǎn)的C、O、Fe質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相差較大，其中C含量的變化，符合晶間腐蝕機(jī)理的貧Cr-晶界碳化物析出理論；O、Fe含量變化，符合點(diǎn)蝕機(jī)理的“閉塞電池”自催化理論，隨著蝕孔的加深，陰陽極位置彼此分開，銹層可與垢層堆積形成閉塞電池。三個區(qū)域相比較，區(qū)域1的C變化最大，相應(yīng)區(qū)域的Fe損失也最大，所以污水腐蝕以晶間腐蝕為主，點(diǎn)蝕為輔。

表3 污水腐蝕掛片能譜分析Table 3 Energy spectrum analysis of sewage corrosion hanging plate

圖3 污水腐蝕掛片能譜分析掃描區(qū)域Fig.3 Sewage corrosion energy spectrum analysis of the scanning area

從表4可以看出，圖4三個區(qū)域的O、Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)變化最大，且O含量越高，F(xiàn)e的含量越低。而氧有極強(qiáng)的去極化作用，在濃度非常低的情況下，也能引起較嚴(yán)重腐蝕[6]。其腐蝕原理為：在高礦化度的水中，溶解氧有著極強(qiáng)的去極化作用和濃差電池的作用，發(fā)生原電池反應(yīng)，金屬表面作為陽極，氧作為陰極，且HCO3-對該反應(yīng)有促進(jìn)作用，促促使管線的進(jìn)一步的腐蝕。其反應(yīng)如下：

表4 地層水腐蝕掛片能譜分析Table 4 Energy spectrum analysis of formation water corrosion hanging piece

圖4 地層水腐蝕掛片能譜分析掃描區(qū)域Fig.4 Energy spectrum analysis of formation water corrosion hanging chip scanning area

陰極：O2+2H2O+4e→4OH-

陽極：Fe→Fe2++2e

則:Fe2++2OH-→Fe(OH)2

金屬表面由于吸氧腐蝕產(chǎn)生的Fe(OH)2，會把金屬表面保護(hù)起來，但在污水、地層水高濃度氯離子，而水中的氯離子穿透性強(qiáng)，可以從鈍化膜致密空隙中到達(dá)金屬表面，并與金屬相互作用形成可溶性化合物，使氧化膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[7]，促進(jìn)腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。

綜上所述，污水腐蝕掛片為晶間腐蝕引起的局部腐蝕，能譜分析中Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)平均值90.69；地層水腐蝕掛片為電化學(xué)腐蝕引起的全面腐蝕，能譜分析中Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)平均值76.41。結(jié)合表1、表2來看，腐蝕速率越高，能譜分析中Fe的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)越低，晶間腐蝕引起的局部腐蝕速率小于電化學(xué)腐蝕引起的全面腐蝕速率，水質(zhì)分析結(jié)果與能譜分析結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

(1)由于污水、地層水都有相應(yīng)的成垢陰、陽離子，回注混合時(shí)，會產(chǎn)生沉淀，加劇管線腐蝕。在回注前，應(yīng)對其開展配伍性研究，減少由于混注結(jié)垢而導(dǎo)致的管線腐蝕，同時(shí)，可投加緩蝕劑，降低管線腐蝕。

(2)污水、地層水中的細(xì)菌總數(shù)均較高，應(yīng)投加殺菌劑，降低細(xì)菌腐蝕所帶來的危害。

(3)污水易引起掛片的晶間腐蝕及點(diǎn)蝕，建議注水在管線材質(zhì)選取方面，選用抗點(diǎn)蝕較好的管線。

(4)地層水中的溶解氧易引起掛片的電化學(xué)全面腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制該區(qū)域回注水的溶解氧，可采取投加亞硫酸鈉除去水中的溶解氧，同時(shí)，采取注水管線外加電流陰極保護(hù)法，抑制管線腐蝕。