含硫化氫氣田污水結(jié)垢機(jī)理與阻垢措施

雷剛 郭雁 王軒青海油田采油三廠青海油田采油二廠

含硫化氫氣田污水結(jié)垢機(jī)理與阻垢措施

黃飛1田地2雷剛1郭雁2王軒21青海油田采油三廠2青海油田采油二廠

在某些氣田生產(chǎn)過程中采出水含有較高的硫化氫氣體，硫化氫氣體的存在，常常會(huì)引起管線較為嚴(yán)重的腐蝕。影響污水結(jié)垢的因素非常多，主要包括溫度、壓力、pH值、介質(zhì)成分、礦化度和流動(dòng)狀態(tài)等。由于硫化氫的腐蝕作用，在同樣條件下使得管道內(nèi)表面粗糙度增大，腐蝕產(chǎn)生的微小顆粒增多，促進(jìn)了垢晶體結(jié)晶，改變了垢晶體的結(jié)構(gòu)尺寸；硫化氫緩慢氧化產(chǎn)生單質(zhì)硫顆粒，促使更多垢晶體結(jié)晶，增加了結(jié)垢量。阻垢措施包括采用耐腐蝕防垢管材及化學(xué)防腐阻垢技術(shù)。

硫化氫；氣田污水；結(jié)垢；溫度；含氧量；化學(xué)防腐阻垢

在某些氣田生產(chǎn)過程中采出水含有較高的硫化氫氣體，硫化氫氣體的存在，常常會(huì)引起管線較為嚴(yán)重的腐蝕，這一方面研究較多，但污水結(jié)垢的影響因素目前研究成果不多。因此有必要展開這方面的機(jī)理研究，為含硫化氫污水轉(zhuǎn)輸管線的防腐防垢問題提供解決思路。

1 污水水質(zhì)分析

1.1 污水不同溫度下結(jié)垢趨勢預(yù)測

油氣田污水結(jié)垢預(yù)測方法選用《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測（SYT0600—2009）》中規(guī)定的碳酸鈣飽和指數(shù)法。用該方法對該含硫化氫污水碳酸鈣結(jié)垢趨勢進(jìn)行預(yù)測。碳酸鈣飽和指數(shù)隨溫度變化曲線見圖1。從圖1可看出，隨著溫度的升高，該水的碳酸鈣飽和指數(shù)（SI）由小變大，在30～60℃之間，SI值明顯大于零，表明在這個(gè)溫度范圍該含硫化氫氣田污水有明顯結(jié)構(gòu)趨勢。

圖1 SI與溫度的關(guān)系曲線

1.2 污水腐蝕性

從某氣田現(xiàn)場取樣的污水，在密閉條件下用管線常用的L245NB鋼掛片在常溫下進(jìn)行測量。平均腐蝕率的檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為《水腐蝕性測試方法（SY/ T0026—1999）》。測量平均腐蝕率為0.072 8mm/a，這表明該污水對碳鋼有明顯的腐蝕性，腐蝕級別為中等腐蝕。

2 結(jié)垢產(chǎn)物分析

在該含硫化氫污水轉(zhuǎn)輸管線中取得的垢樣，垢樣為灰褐色，呈現(xiàn)層狀沉積。在垢的粉末中加入5%的鹽酸有明顯氣泡，并有臭雞蛋氣味。整個(gè)垢溶解較為完全，通過離子分析可知，溶液中含有二價(jià)鐵離子。這些分析表明垢中的鐵離子和硫離子主要來源于硫化氫對管道的腐蝕產(chǎn)物。

3 影響結(jié)垢的因素

影響污水結(jié)垢的因素非常多，主要包括溫度、壓力、pH值、介質(zhì)成分、礦化度和流動(dòng)狀態(tài)等[1]。在污水轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)中壓力、流速變化相當(dāng)小，因此主要分析溫度、含氧量、pH值以及水中離子組分變化對含硫化氫污水結(jié)垢的影響。

3.1 溫度變化的影響

從L245NB鋼在含硫化氫污水中不同溫度下結(jié)垢的微觀圖片可以看到，在20℃下，結(jié)垢量小，垢晶體主要向平面方向發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)不明顯，多數(shù)垢晶體體積較大，有少量較大的片狀垢晶體存在，垢晶之間膠結(jié)少，多數(shù)獨(dú)立存在。垢晶體顏色較淺，這表明含鐵離子少，掛片腐蝕不是很嚴(yán)重，能夠清楚地看到掛片的原始表面，主要表現(xiàn)為結(jié)垢。60℃時(shí)，結(jié)垢量明顯增多，垢晶體體積較小，垢晶體之間主要以小的晶體連接，垢晶體相互之間有腐蝕物膠結(jié)，觀察不到掛片原始表面，說明掛片腐蝕較為嚴(yán)重。從60℃下掛片結(jié)垢微觀圖片分析，垢晶體與腐蝕產(chǎn)物一起附著在掛片上，表現(xiàn)出掛片先腐蝕后結(jié)垢的特點(diǎn)，在20℃下掛片上有些部位也看到了這一現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含硫化氫氣田污水結(jié)垢隨溫度的升高而增大，但垢的組成晶體尺寸變小。這是因?yàn)闇囟容^高時(shí)硫化氫對碳鋼的腐蝕增加，表現(xiàn)出明顯先腐蝕后結(jié)垢的特征，在這種條件下，腐蝕使碳鋼管道內(nèi)壁表面變得更粗糙，易于垢結(jié)晶核和吸附[2]；同時(shí)腐蝕產(chǎn)物增多，小的腐蝕產(chǎn)物微粒為垢的結(jié)晶提供較多的晶核。

3.2 含氧量的影響

氣田污水在轉(zhuǎn)輸或臨時(shí)儲(chǔ)存時(shí)會(huì)混入少量的氧。在這種條件下，氧的存在對水的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

用某含硫化氫氣田污水在密閉和不完全密閉條件下做結(jié)垢實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)掛片用管道常用L245NB鋼，溫度50℃，靜置7天。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含硫化氫的污水中氧的存在改變了腐蝕產(chǎn)物的主要成分，使得垢晶體與管道的膠結(jié)程度發(fā)生明顯變化，這種由疏松膠結(jié)變?yōu)檩^為牢固的膠結(jié)，不利于管道除垢；同時(shí)少量氧氣的存在，使得混輸氣體中的硫化氫緩慢氧化，形成單質(zhì)硫微粒，這些單質(zhì)硫?yàn)樗傅慕Y(jié)晶提供了條件。

3.3 pH值的影響

該含硫化氫氣田污水pH值在6～7之間，接近于7。在pH值不同的水中，硫化氫存在的形態(tài)也不同[3]。

當(dāng)水的pH值在6～7之間，接近7時(shí)，水中的HS-濃度明顯增大，水的腐蝕性明顯增加，腐蝕產(chǎn)物增多。因?yàn)樗蠬2S的腐蝕，主要是電離出的HS-腐蝕。

以上分析表明，pH值對含硫化氫氣田污水中結(jié)垢的影響，主要是體現(xiàn)在引起金屬管道和設(shè)備腐蝕，腐蝕結(jié)果有利于污水結(jié)垢和垢晶沉積。

3.4 污水中無機(jī)鹽離子的影響

隨著水中無機(jī)鹽濃度的增大，碳酸鈣在水中的溶解度下降。對于NaCl、KCl和Na2SO4這三種鹽來說，在研究范圍內(nèi)，CaCO3在NaCl水溶液中溶解度最大，在Na2SO4水溶液中溶解度最小。這表明在同樣條件下，污水中SO42-濃度增大，有利于CaCO3的結(jié)晶，即有利于碳酸鈣垢的形成。因此在高礦化度下水中主要成分濃度變化對碳酸鈣結(jié)垢有較為明顯影響，尤其是SO42-濃度的變化。

4 結(jié)垢機(jī)理

一般常規(guī)的結(jié)垢機(jī)理理論有3大類，即不相容論、熱力學(xué)條件變化論、吸附論。但對于含硫化氫氣田污水，僅從這三個(gè)方面來闡述還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

含硫化氫污水，熱力條件變化促使了垢晶體本身的結(jié)晶，同時(shí)使水的腐蝕性發(fā)生了變化，在溫度較高時(shí)，增加了管道腐蝕，使管道表面粗糙度增加，腐蝕形成的固體顆粒為垢晶體的結(jié)晶提高有利條件，腐蝕產(chǎn)物參加了垢的形成；硫化氫的緩慢氧化形成了懸浮在水中的單質(zhì)硫粒子，這些粒子在水垢結(jié)晶過程中一方面起到了晶核作用，加速水垢的結(jié)晶，另一方面作為雜質(zhì)參與水垢的形成。在含硫化氫條件下，水中硫酸根離子濃度的變化會(huì)對管道結(jié)垢量產(chǎn)生較為的明顯影響。在含硫化氫條件下，污水表現(xiàn)出先腐蝕后結(jié)垢的特征。

5 阻垢措施

（1）采用耐腐蝕防垢管材。由于含硫化氫污水腐蝕性強(qiáng)，因此在選用轉(zhuǎn)輸管線管材時(shí)應(yīng)考慮耐腐蝕，如可采用非金屬管道、復(fù)合材料管等[4]；同時(shí)對管道內(nèi)壁進(jìn)行處理使得內(nèi)壁顯示較強(qiáng)的憎水性，從而達(dá)到防腐阻垢目的。

（2）采用化學(xué)防腐阻垢技術(shù)。考慮到污水較強(qiáng)的腐蝕性，僅采用防垢劑來防垢達(dá)不到預(yù)期效果。因此，在進(jìn)行防垢時(shí)，必須考慮防腐問題，可以采用緩蝕劑和阻垢劑復(fù)配的措施，以達(dá)到好的防腐防垢效果。

6 結(jié)論

由于含硫化氫污水腐蝕性較強(qiáng)，因此在結(jié)垢機(jī)理上與一般的污水不同。由于硫化氫的腐蝕作用，在同樣條件下使得管道內(nèi)表面粗糙度增大，腐蝕產(chǎn)生的微小顆粒增多，促進(jìn)了垢晶體結(jié)晶，改變了垢晶體的結(jié)構(gòu)尺寸；硫化氫緩慢氧化產(chǎn)生了單質(zhì)硫顆粒，這促使了更多垢晶體結(jié)晶，增加了結(jié)垢量。水中pH值的變化，改變了含硫化氫污水中硫氫根離子的濃度，改變了水的腐蝕性，從而改變了污水的結(jié)垢成分。在含硫化氫條件下，污水呈現(xiàn)出先腐蝕后結(jié)垢的特征，腐蝕促進(jìn)了結(jié)垢，垢中含有較多的腐蝕產(chǎn)物。

[1]張獻(xiàn)波，徐繼承，吳斌，等．油田采出液混合結(jié)垢原因及垢沉積規(guī)律[J]．油氣田地面工程，2006，25（5）：46-47.

[2]劉文臣，王立志，陳雷．張?zhí)烨吞镉途Y(jié)垢機(jī)理及防垢方案[J]．?dāng)鄩K油氣田，2005，12（4）：80-82.

[3]黃先球．碳鋼在CO2—H2S—Cl體系中的腐蝕機(jī)理及防護(hù)技術(shù)研究[D]．武漢：華中理工大學(xué)，1998.

[4]徐光林，朱圣海，汪景林，等．陳堡油田集輸系統(tǒng)綜合防腐技術(shù)[J]．石油化工應(yīng)用，2011，30（4）：81-84.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.017