新型注水管內(nèi)襯材料的應(yīng)用

徐 娟，易冬蕊，王春孝，韓軒敏

(1.延長(zhǎng)油田股份有限公司子長(zhǎng)采油廠，陜西 延安 716000;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075)

油田開(kāi)采進(jìn)入中后期時(shí)普遍采用注水采油技術(shù)來(lái)提高采收率，既減少了環(huán)境污染，又達(dá)到了采出水處理后回注的目的。但隨著油田開(kāi)采期的增長(zhǎng)，注水水質(zhì)不斷惡化，往往會(huì)造成注水層、油井管、地面設(shè)施和集輸管線出現(xiàn)腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn)，降低油氣產(chǎn)量，縮短油井使用壽命，增加了管線與設(shè)備維修和更換的頻率[1]。

1 注水管使用情況

延長(zhǎng)油田一般采用碳鋼/304不銹鋼復(fù)合管作為注水管線的主要材料，2008年開(kāi)始對(duì)污水進(jìn)行循環(huán)使用。從使用情況來(lái)看，管內(nèi)結(jié)垢造成注水管線局部腐蝕并日趨嚴(yán)重，最終導(dǎo)致管線漏失頻繁甚至腐蝕穿孔。碳鋼/304不銹鋼復(fù)合管的平均使用壽命在2 a，給注水管線的維護(hù)及油田的正常生產(chǎn)帶來(lái)很大的影響。

腐蝕縮短了管線的使用壽命，降低了管線的輸送能力，不僅增加經(jīng)濟(jì)成本，還容易引發(fā)意外事故。根據(jù)調(diào)查，延長(zhǎng)油田某注水站共有注水井54口，管線總長(zhǎng)度合計(jì)30 km，平均腐蝕速度達(dá)0.12 mm/a，平均穿孔率為每年每千米2.4次。在部分管線嚴(yán)重?fù)p失區(qū)塊，管線更換周期不足3 a，最短的僅3～4個(gè)月，所更換的注水管中有90%以上是因腐蝕、結(jié)垢而造成。該注水站由于腐蝕引起的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)3×108RMB￥，而由于更換管柱、管線影響作業(yè)和生產(chǎn)，導(dǎo)致間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10×108RMB￥左右。

2 注水管腐蝕結(jié)垢分析

對(duì)延長(zhǎng)油田某注水站注水管內(nèi)垢樣進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 注水管內(nèi)垢樣光譜分析Table1 Analysis of optical spectrum to the filth in waterflood pipe

從表1中可以看出，碳鋼/304不銹鋼復(fù)合注水管內(nèi)垢樣主要化學(xué)元素為 Fe，Na，Cl，Ca，O，Si，由于Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約高達(dá)60%，而Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為6%，可判斷管內(nèi)垢樣主要由注水管內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)組成，而并非硬水結(jié)垢所致。垢樣中還含有大量的氯元素，且水樣pH值為5，表明管內(nèi)水質(zhì)顯弱酸性，會(huì)導(dǎo)致304不銹鋼發(fā)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕。

碳鋼/304不銹鋼注水管線的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，是金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生陰極反應(yīng)而導(dǎo)致耗損和結(jié)垢。這種結(jié)垢與由水質(zhì)原因造成的結(jié)垢不同，是管道本身材料轉(zhuǎn)換而成。水中的溶解氧通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方式侵襲管道基體，水垢覆蓋的管道表面在電池反應(yīng)中成為被腐蝕的陽(yáng)極而逐漸氧化，并向管壁內(nèi)部不斷侵入，這種水垢需要格外防范。通常注水井的井口溶解氧含量較高，但并不是注水井的井口才會(huì)有嚴(yán)重的腐蝕結(jié)垢。水中溶解的硫化氫氣體、二氧化碳?xì)怏w及鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌等都可以借助水垢的掩護(hù)腐蝕管道基體，形成嚴(yán)重的垢下腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物(硫酸鐵、硫化鐵等)又形成新的深層水垢。

具體腐蝕過(guò)程如下:內(nèi)襯304不銹鋼在含有大量氯離子的弱酸性污水中發(fā)生點(diǎn)蝕(焊縫附近的熱影響區(qū)，點(diǎn)蝕情況更加嚴(yán)重)，點(diǎn)蝕孔逐漸貫穿到碳鋼基管的內(nèi)表面。由于碳鋼與304不銹鋼之間存在很大的電差位，引起嚴(yán)重的電偶腐蝕，加劇了腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)的產(chǎn)生。這些鐵銹在注水管內(nèi)不斷堆積，最終形成結(jié)垢層。

綜上所述，該站注水管的腐蝕泄漏和管內(nèi)結(jié)垢在本質(zhì)上是由同一個(gè)原因造成，即復(fù)合管內(nèi)襯材料的耐蝕性能不足。因此，只要解決復(fù)合管內(nèi)襯管的耐蝕性，就能同時(shí)解決注水管的腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題。

3 新合金材料的選用

由上述分析可知，油田注水管線的防腐蝕措施重點(diǎn)是選擇具有優(yōu)良耐蝕性能的內(nèi)襯材料。管道的內(nèi)襯技術(shù)主要有:內(nèi)襯塑料管、內(nèi)襯不銹鋼、內(nèi)襯玻璃鋼等。為了保證注水管線的耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性要求，復(fù)合管內(nèi)襯材料的選擇必須考慮其在工況污水水質(zhì)中的耐腐蝕性能。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)分析測(cè)試，優(yōu)先選用B15合金作為內(nèi)襯不銹鋼管試用材料。

3.1 B15 耐蝕性能

B15合金是一種銅鎳合金，在海水中的耐蝕性能是十分優(yōu)良。在人工海水(3.5%NaCl)和延長(zhǎng)油田污水水質(zhì)中，分別測(cè)量該合金的腐蝕電位、點(diǎn)蝕電位、點(diǎn)蝕保護(hù)電位以及腐蝕電流密度，并和304，316L不銹鋼進(jìn)行比較。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同材質(zhì)的腐蝕電化學(xué)測(cè)試結(jié)果Table2 Results of different material corrosion electrochemical test

由表2可知，在工況污水介質(zhì)中，B15合金焊縫熱影響區(qū)的腐蝕電位比較低，腐蝕速度約為0.053 mm/a。如果采用 0.5 mm 壁厚的襯管，理論使用壽命約為10 a，保守使用壽命應(yīng)在5 a以上。而遠(yuǎn)離焊縫熱區(qū)的母材區(qū)，腐蝕電位較高，理論使用壽命相對(duì)于焊縫熱區(qū)提高了2倍。母材和焊縫熱區(qū)的腐蝕電位值均明顯低于304不銹鋼，表明即使B15合金局部破損，也不會(huì)造成嚴(yán)重的電偶腐蝕。另外，采用體積分?jǐn)?shù)為10%FeCl3溶液做全浸點(diǎn)蝕性能測(cè)試，結(jié)果同樣表明B15合金比304和316L不銹鋼的抗點(diǎn)蝕性能強(qiáng)。

3.2 注意事項(xiàng)

由于B15合金塑性好、強(qiáng)度低，因此在復(fù)合管旋壓或拉拔成形過(guò)程中應(yīng)該特別注意不能損傷襯管。在復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接過(guò)程中，應(yīng)采用B15合金焊絲并施加過(guò)渡層的小線能量氬弧焊焊接措施。

4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

按照試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，B15合金復(fù)合管在無(wú)外力損傷的情況下，其壽命不少于10 a，而普通不銹鋼復(fù)合管的壽命為2～4 a。普通不銹鋼復(fù)合管若按平均4 a計(jì)算，B15合金復(fù)合管使用壽命是普通不銹鋼復(fù)合管的2.5倍。在相同操作條件下，達(dá)到同樣的使用壽命，每千米B15(DN48 mm)合金復(fù)合管注水管線的主要材料、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用為20×104RMB ￥，每千米普通不銹鋼復(fù)合管(D32 mm)的主要材料、運(yùn)輸和安裝費(fèi)用為17×104RMB￥，即B15合金復(fù)合管管線的總造價(jià)是普通鋼質(zhì)注水管線總造價(jià)的1.2倍。一般情況下，普通不銹鋼復(fù)合管使用2年后開(kāi)始出現(xiàn)穿孔，造成跑水淹地、污染環(huán)境，而每處穿孔的青苗賠償及施工費(fèi)用約達(dá)2000 RMB￥。如果每年每條管線穿孔15次，2條B15合金復(fù)合管12年間可減少支出數(shù)十萬(wàn)元。

5 結(jié)論

綜上所述，采用B15合金襯管比普通不銹鋼襯管取得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好，按照5 a使用壽命計(jì)算，每年每米新型B15合金復(fù)合管的成本約為75～220 RMB ￥;而按照10 a使用壽命計(jì)算，每年每米新型B15合金復(fù)合管的成本約為38～110 RMB￥。如果能夠解決B15合金焊縫熱影響區(qū)耐蝕性相對(duì)薄弱的技術(shù)問(wèn)題，其經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加可觀。

[1]羅慶金，楊柳岸，舒福昌，等.青海油田注水和集輸管線結(jié)垢因素及垢組成分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2005，2(1):34－36.

[2]張冰清，羅云，臧士賓，等.油砂山油田管線結(jié)垢類型及成因分析[J].鉆采工藝，2000，23(4):56－58.

[3]李金貴，趙閨彥.腐蝕和腐蝕控制手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1988:4－6.