蘇里格氣田采出水的腐蝕性研究

楊 嬌，項明杰，馬永鋒，蔣晶晶，張世虎，陳曉春

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300；2.西安石油大學，陜西西安 710018）

隨著蘇里格氣田產(chǎn)量的升高，伴隨產(chǎn)生的氣田采出水水量也隨之加大。蘇里格氣田采出水在集氣站初步分離后由罐車拉運至天然氣處理廠。在天然氣處理廠內(nèi)經(jīng)過一系列處理，合格后回注地層。天然氣處理廠內(nèi)氣田采出水系統(tǒng)管線，經(jīng)常因腐蝕而發(fā)生穿孔泄露等腐蝕事故，影響日常生產(chǎn)作業(yè)，造成一定經(jīng)濟損失。為此，實驗以天然氣處理廠接收的氣田采出水為研究對象，研究水樣中溶解氧含量，溶解鹽（Cl-、SO42-）含量以及pH 變化對腐蝕的影響，實驗掛片為20#碳鋼，實驗時間為7 d，實驗結果表明：隨著溶解氧濃度的增加，氣田采出水腐蝕性也隨之增加且逐漸趨于飽和；隨著溶鹽濃度的增加，氣田采出水腐蝕速率先增加再減小；隨著pH 值的增加，氣田采出水的腐蝕速率逐漸減小且趨于穩(wěn)定。根據(jù)實驗結果，指導防腐工作。

1 實驗方法

蘇里格氣田處理廠接收的氣田采出水水質(zhì)分析結果（見表1）。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T0026-1999標準，進行掛片實驗，測量在不同因素影響下鋼片的腐蝕速率。

表1 蘇里格氣田處理廠接收氣田采出水水質(zhì)分析

2 實驗結果及討論

2.1 溶解O2 對腐蝕的影響

2.1.1 溶解氧的定量

（1）向四口瓶中通入高壓氮氣除盡水樣中的溶解氧。

（2）將高壓氧氣瓶的出口表壓調(diào)至固定值，向除盡氧氣的污水中通入氧氣一個時間段，立刻停止通氧，密封裝有水樣的四口瓶，記錄通氧時間。

（3）將四口瓶中的水樣搖勻，靜置一段時間，利用比色管進行測量并記錄溶解氧濃度。

（4）改變通氧時間，重復上述步驟，記錄對應的比色管測量值。（注意：不要改變氧氣的出口壓力）最后，利用時間與氧含量關系繪制曲線圖（見圖1）。

圖1 某氧氣出口壓力下通氧時間與溶解氧含量的關系

通過建立通氧時間與溶解氧含量的關系，就可以利用改變通氧時間，從而改變?nèi)芙庋鹾俊?/p>

2.1.2 溶解氧對碳鋼的腐蝕 將20#碳鋼分別放入5組不同溶解氧濃度的水樣中，室溫下，進行一個周期的實驗。實驗腐蝕速率結果（見表2）。

表2 不同O2 濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖2 溶解氧含量與腐蝕速率的關系

根據(jù)表2 繪制圖2，從而發(fā)現(xiàn)隨著溶解O2含量增加，模擬氣田采出水使碳鋼的腐蝕速率顯著加快。因為O2是具有較強的氧化性，具有較強的陰極去極化作用。鋼片均勻腐蝕速率受溶解O2的擴散影響，O2越多，擴散越快，模擬氣田采出水對碳鋼掛片的腐蝕速率就越快。但是，當溶解氧含量超過1.5 mg/L 以上，腐蝕速率曲線較穩(wěn)定，這主要是由于此時，碳鋼表面氧含量比較充足，使得碳鋼表面產(chǎn)生致密且堅硬的氧化膜，阻止氧氣與碳鋼的接觸，相當于增加了電阻極化作用。

氣田采出水中溶解O2與碳鋼的腐蝕機理是原電池中的氧氣陰極去極化作用，一般發(fā)生在弱酸，中性及堿性水樣中。Fe 作為陽極，失去電子成為Fe2+，進入采出水溶液中，F(xiàn)e 失去的自由電子從陽極Fe 流向陰極，O2在陰極上吸收電子, 陰極反應產(chǎn)物OH-進入采出水溶液，最后陰極和陽極反應產(chǎn)物相結合生成Fe（OH）2。如果采出水中還含有自由的溶解O2, 則生成Fe（OH）2繼續(xù)與O2反應生成Fe（OH）3。在此過程中,當溶解O2較少而氧化速率較慢時，生成的Fe（OH）3可與尚未轉變的Fe（OH）2反應生成Fe3O4[1]。

2.2 pH 對腐蝕的影響

實驗將20#碳鋼放入pH 在2 至10 的模擬水樣中，水浴溫度恒定于30 ℃，一個實驗周期后，測量腐蝕速率。實驗結果（見表3）。

根據(jù)表3 繪制圖3，由圖3 表明：隨著pH 的升高，碳鋼的腐蝕速率逐漸降低直至穩(wěn)定。pH=4 一般為析氫反應與吸氧反應的臨界點。在pH=2 的模擬水樣中,碳鋼發(fā)生析氫反應，表面附著氣泡。在pH＞4 的模擬水樣中，碳鋼發(fā)生吸氧反應。一般情況下，碳鋼腐蝕大多進行吸氧反應。

表3 不同pH 值下20#碳鋼腐蝕情況

圖3 pH 值與腐蝕速率的關系

在同等情況下，吸氧反應中氧離子反應的電位比析氫反應的氫離子反應電位較正，所以吸氧反應比析氫反應更加容易進行[2]。

2.3 溶解鹽濃度對腐蝕的影響

2.3.1 Cl-濃度對腐蝕的影響 將20#碳鋼分別放入5組不同的Cl-濃度模擬水樣中進行掛片實驗，水浴溫度恒定于30 ℃。實驗結果（見表4）。

表4 不同Cl-濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖4 氯離子濃度與腐蝕速率的關系

根據(jù)表4 繪制圖4，發(fā)現(xiàn)：隨著Cl-濃度的增大，碳鋼腐蝕速率先增大，然后趨于減小。這是因為Cl-濃度增加，鹽水導電性增大，減弱了電阻極化作用，腐蝕性增大；然而，氯離子等可溶性鹽量的增加會使得溶解氧含量減小，減弱了氧的去極化作用。因此，當水質(zhì)含鹽量增加到一定程度，碳鋼的腐蝕速率會下降[3]。

Cl-的離子半徑小，淌度大，是活性陰離子，但不是腐蝕劑。它可以優(yōu)先進入點蝕和縫隙形成閉塞電池，由于閉塞電池內(nèi)的金屬陽離子Fe2+濃度升高，在蝕孔電池產(chǎn)生的電場作用下，蝕孔外的氯離子不斷向坑內(nèi)遷移、富集，使FeCl2等濃縮，F(xiàn)eCl2、CaCl2、MgCl2等氯化物的水解使酸性提高，加快了陽極溶解。這種由閉塞電池引起的點蝕坑內(nèi)酸化從而加速腐蝕的作用，叫做自催化酸化作用。蝕坑內(nèi)為陽極，蝕坑外大面積金屬為陰極，構成了大陰極，小陽極的活化-鈍化電池，使蝕孔加速長大。同時如果陽極形成一定的保護膜，則Cl-具有較強的穿透性，可以穿透氧化膜，直接與Fe3+反應，產(chǎn)生FeCl3，經(jīng)常會造成嚴重局部腐蝕[4]。

2.3.2 SO42-濃度對腐蝕的影響 將處理后的20#碳鋼放入5 組不同SO42-濃度模擬水樣中進行掛片實驗，水浴溫度恒定于30 ℃。實驗結果（見表5）。

表5 不同SO42-濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖5 硫酸根濃度與腐蝕速率的關系

根據(jù)表5 繪制圖5，發(fā)現(xiàn)：隨著SO42-濃度增加，腐蝕速率有所降低，最終趨于穩(wěn)定。這主要因為模擬水樣為CaCl2水型，模擬水樣中的溶解Cl-已經(jīng)使污水的導電性達到極限，開始導致溶解氧含量明顯降低。SO42-濃度提高對于增強導電性作用已經(jīng)被Cl-作用所遮蓋，而增加的SO42-明顯起到降低溶解氧含量的作用，最終，減弱氧氣的陰極去極化作用。因此，增加SO42-濃度，腐蝕速率沒有明顯升高，反而有所降低。

3 結論

通過上述實驗，得出以下結論：

（1）氣田采出水的腐蝕性隨溶解氧濃度的增加而增加，最終趨于穩(wěn)定。

（2）隨pH 值的增加，氣田采出水的腐蝕性減小直至平緩。

（3）隨著溶解鹽溶度增加，氣田采出水的腐蝕性先增加再減小，直至穩(wěn)定。

在這些因素中，影響腐蝕的核心因素是去極化作用，主要表現(xiàn)在氧的陰極去極化作用。在pH 極低時，也會存在氫的去極化作用，以及溶解鹽，如氯鹽，具有自催化作用，加快腐蝕，屬于陽極去極化作用。然而，氧的陰極去極化是影響鋼鐵腐蝕最重要的因素。溶解氧濃度直接影響陰極去極化作用，pH 在弱酸及堿性情況下，主要發(fā)生吸氧腐蝕；溶解鹽的濃度增加到一定值后，會導致采出水溶解氧含量下降，也間接地影響到氧的陰極去極化作用。因此，認為防腐工作的核心是有效的控制溶解氧。

在工藝上，提高管路的密閉性，盡可能減少采出水與外界氧氣接觸。由于溶解氧的濃度對采出水腐蝕性影響比較大。采油集輸工藝流程中，任何一個環(huán)節(jié)密閉不嚴都很可能造成采出水溶解氧含量的超標，加劇油氣田采出污水的腐蝕性。因此，提高管路的密封性可以降低采出水中的溶氧量，從而，減小氣田采出水的腐蝕性。

［1］ 熊穎，等.模擬油氣田采出水的腐蝕性實驗研究［J］.鉆采工藝，2008，31（4）：118-112.

［2］ 談小強.關于鋼鐵腐蝕的理論探究和實驗分析［J］.化學教學，2012，（5）：47-48.

［3］ 牛林，陳曉.堿性介質(zhì)中鹵族離子引起鐵腐蝕的差異及腐蝕抑制［J］.山東學報，1996，31（20）：191-194.

［4］ 郭生武，袁鵬斌編著.油田腐蝕形態(tài)導論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.