某油田污水管道腐蝕現(xiàn)狀及防腐蝕措施研究*

孟春迎

（中海油 天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131）

隨著各大油氣田勘探開發(fā)進(jìn)程的不斷加快，油田污水的產(chǎn)量也越來越多，這類油田污水中不僅含有大量的鹽類物質(zhì)，還可能含有較多的酸性氣體（CO2、H2S 等）、細(xì)菌、固相雜質(zhì)以及其他有毒有害物質(zhì)等，往往需要對其進(jìn)行處理后才能達(dá)到排放或回注地層的要求[1-3]。而在油田污水處理或輸送過程中，污水對管道的腐蝕作用不容忽視，污水中各種無機(jī)鹽離子或酸性氣體等物質(zhì)的存在往往會(huì)使腐蝕進(jìn)程加劇，并且在溫度較高的情況下腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重[4-6]。污水管道的腐蝕不僅影響油氣田的正常安全生產(chǎn)，維護(hù)或更換管道還會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對油田污水管道的腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，并有針對性的提出防腐蝕措施建議具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，針對油田污水管道的防腐蝕措施主要有選擇耐腐蝕管材、使用防腐涂層、電化學(xué)防護(hù)以及添加緩蝕劑等[7-11]，其中往污水中添加緩蝕劑是油田污水管道最常用的防腐蝕措施，由于其防腐蝕效果好、操作簡便以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各大油田污水處理系統(tǒng)或管道防腐過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[12]。本文針對西部某油田污水管道腐蝕較為嚴(yán)重，采用涂抹防腐涂層效果較差的問題，通過分析污水水質(zhì)和污水管道的腐蝕現(xiàn)狀，有針對性的開展了緩蝕劑的優(yōu)選工作，并評(píng)價(jià)了溫度、pH 值和CO2含量對緩蝕劑防腐蝕效果的影響，以期為油田污水管道的高效防腐蝕措施研究提供一定的參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料及儀器

實(shí)驗(yàn)用污水樣品取自目標(biāo)油田污水管道系統(tǒng)；濃HCl、NaOH，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高純CO2（99.999% 青島得一氣體有限公司）；緩蝕劑（HL-710、HL-712 常州海藍(lán)化工有限公司）；緩蝕劑（RX-201、RX-211 陜西日新石油化工有限公司）；緩蝕劑（HSR-1、HSR-2 實(shí)驗(yàn)室自制）。

PHSJ-5T 型實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)（上海吉馨實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司）；ICP 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（山東方科儀器有限公司）；PNT500-CO2-IR-G-H 型便攜式二氧化碳含量分析儀（深圳市瑞凱雷科技有限公司）；FA1204AS 型電子分析天平（上海佰博康儀器有限公司）；TC- 9030A 型電熱恒溫干燥箱（南京烔創(chuàng)科技有限公司）；MST6-DFY-3 型高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)儀（北京海富達(dá)科技有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水質(zhì)分析 參照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》中的相關(guān)要求，對目標(biāo)油田污水水質(zhì)進(jìn)行分析，主要包括水樣密度、pH 值、離子組成、總礦化度以及CO2含量等指標(biāo)。

1.2.2 腐蝕實(shí)驗(yàn) 以腐蝕速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用掛片失重法開展油田污水對管道鋼材的腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器為高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)儀，實(shí)驗(yàn)用鋼片均為現(xiàn)場污水管道鋼材加工而成，鋼片材質(zhì)均為碳鋼20#，尺寸均為40mm×13mm×2mm，流速均設(shè)置為1.0m·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 油田污水管道腐蝕現(xiàn)狀分析

2.1.1 污水水質(zhì)分析 按照1.2.1 中的實(shí)驗(yàn)方法，對目標(biāo)油田不同污水樣品的水質(zhì)進(jìn)行了分析，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)場污水水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of on-site sewage quality

由表1 可見，目標(biāo)油田污水具有以下特點(diǎn)：（1）污水的總礦化度較高，5 個(gè)水樣的總礦化度均在70000mg·L-1以上；（2）污水中Cl-的含量較高，5 個(gè)水樣的Cl-含量均在45000mg·L-1以上，容易對污水管道產(chǎn)生點(diǎn)蝕作用；（3）污水中Ca2+、Mg2+以及HCO3-的含量較高，水樣容易結(jié)垢，加劇對管道的腐蝕進(jìn)程；（4）污水中酸性氣體CO2的含量較高，4#水樣中CO2高達(dá)7.6%，容易對污水管道產(chǎn)生CO2腐蝕作用；（5）污水的pH 值呈弱酸性至中性，2#水樣pH值為5.8，酸性狀態(tài)易加劇腐蝕的進(jìn)行。

2.1.2 污水管道腐蝕現(xiàn)狀 由于目標(biāo)油田儲(chǔ)層溫度較高，井口污水的溫度可以達(dá)到90℃以上，而污水經(jīng)過儲(chǔ)液罐降溫以后溫度仍達(dá)到70℃左右，進(jìn)入污水管道輸送至污水回注站時(shí)的溫度大約在40℃左右。污水溫度高，加之污水中Cl-、易結(jié)垢的離子組分以及CO2的含量較高等因素，污水對管道的腐蝕較為嚴(yán)重。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析，對污水處理系統(tǒng)中外輸泵出口附近的管道進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測，腐蝕速率監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場污水管道腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 Monitoring data of corrosion rate of on-site sewage pipeline

由表2 可見，污水管道監(jiān)測點(diǎn)W-1 和W-4 處的腐蝕速率較大，從2020 年2 月份至2020 年8 月份的腐蝕速率基本均在1.5mm·a-1以上；而監(jiān)測點(diǎn)W-2 和W-3 處的腐蝕速率較小，但也基本在1.0mm·a-1 以上，對污水管道的腐蝕較為嚴(yán)重。從現(xiàn)場實(shí)際情況來看，污水管道部分位置已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的腐蝕穿孔現(xiàn)象，點(diǎn)蝕部位較多，存在較大的安全隱患。

目標(biāo)油田污水管道之前采取的防腐蝕措施是在管道內(nèi)部涂抹防腐涂層，由于防腐涂層的操作較為復(fù)雜，并且由于施工工藝原因容易導(dǎo)致涂層的涂抹不均勻現(xiàn)象，更易誘發(fā)較為嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象，現(xiàn)場應(yīng)用效果不理想。因此，需要對目標(biāo)油田污水管道采取更加高效的防腐蝕措施，根據(jù)國內(nèi)外污水管道防腐蝕措施調(diào)研分析結(jié)果，并結(jié)合目標(biāo)油田現(xiàn)場實(shí)際情況，決定對該油田污水管道采取添加高效緩蝕劑的防腐蝕措施。

2.2 防腐蝕措施研究

按照1.2.2 中的實(shí)驗(yàn)方法，以污水對現(xiàn)場管道鋼材的腐蝕速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展了防腐蝕措施研究，優(yōu)選出性能優(yōu)良的緩蝕劑，并考察溫度、pH 值和CO2含量對緩蝕劑防腐蝕性能的影響。

2.2.1 緩蝕劑類型優(yōu)選 圖1 為污水中添加不同類型的緩蝕劑后對鋼片的腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中緩蝕劑的加量均為50mg·L-1，實(shí)驗(yàn)溫度均為50℃，污水pH 值均為7.0，CO2含量均為5%。實(shí)驗(yàn)用污水的總礦化度為74034mg·L-1，未添加緩蝕劑時(shí)污水對鋼片的腐蝕速率為1.425mm·a-1。

圖1 不同類型緩蝕劑對腐蝕速率的影響Fig.1 Effect of different types of corrosion inhibitors on corrosion rate

由圖1 可見，加入不同類型的緩蝕劑后，污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率均明顯降低，其中緩蝕劑HSR-1 的效果最好，加入HSR-1 后污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率可以降低至0.051mm·a-1，低于0.076mm·a-1，與未添加緩蝕劑的腐蝕相比，緩蝕率可以達(dá)到96.42%。因此，選擇緩蝕劑HSR-1 繼續(xù)進(jìn)行緩蝕劑加量優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 緩蝕劑加量優(yōu)選 圖2 為緩蝕劑HSR-1 不同加量時(shí)的腐蝕速率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中實(shí)驗(yàn)條件均與2.2.1 中相同。

圖2 緩蝕劑HSR-1 加量對腐蝕速率的影響Fig.2 Effect of dosage of corrosion inhibitor HSR-1 on corrosion rate

由圖2 可見，隨著緩蝕劑HSR-1 加量的不斷增大，污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當(dāng)緩蝕劑HSR-1 的加量達(dá)到60mg·L-1時(shí)，腐蝕速率可以降低至0.032mm·a-1，再繼續(xù)增大緩蝕劑HSR-1 的加量，腐蝕速率基本不再變化。因此，綜合考慮防腐蝕效果與經(jīng)濟(jì)成本等因素，推薦緩蝕劑HSR-1 的最佳加量為60mg·L-1。

2.2.3 溫度對緩蝕劑性能的影響 圖3 為溫度對緩蝕劑HSR-1 性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中緩蝕劑HSR-1 的加量均為60mg·L-1，污水pH 值均為7.0，CO2含量均為5%。

圖3 溫度對腐蝕速率的影響Fig.3 Effect of temperature on corrosion rate

由圖3 可見，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不斷升高，添加緩蝕劑HSR-1 后的污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，但升高的幅度并不大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為80℃時(shí)，腐蝕速率為0.071mm·a-1，仍低于0.076mm·a-1。這說明緩蝕劑HSR-1 具有良好的耐溫性能，這是由于緩蝕劑HSR-1 屬于改性咪唑啉季銨鹽型緩蝕劑，制備過程中引入了一定量的耐溫基團(tuán)，使其在較高溫度條件下仍能保持較好的防腐蝕效果。

2.2.4 pH 值對緩蝕劑性能的影響 圖4 為污水pH值對緩蝕劑HSR-1 性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中緩蝕劑HSR-1 的加量均為60mg·L-1，實(shí)驗(yàn)溫度為50℃，CO2含量均為5%。

圖4 污水pH 值對腐蝕速率的影響Fig.4 Effect of pH value of sewage on corrosion rate

由圖4 可見，隨著污水pH 值的逐漸升高，添加緩蝕劑HSR-1 后的污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，即污水的pH值越低，腐蝕速率越大。這是由于在酸性條件下水中的H+含量較多，使鋼片表面的去極化腐蝕反應(yīng)進(jìn)程加劇，并且鋼片表面所形成的腐蝕產(chǎn)物膜在酸性環(huán)境下容易被溶解掉，使新鮮金屬更多的暴露在污水中，從而使腐蝕速率有所增大。當(dāng)污水的pH 值范圍在3~9 之間時(shí)，污水對鋼材的腐蝕速率均低于0.076mm·a-1，這說明緩蝕劑HSR-1 具有良好的耐酸堿性能，在不同pH 值污水環(huán)境中均能對目標(biāo)油田污水管道起到良好的防腐蝕效果。

2.2.5 CO2含量對緩蝕劑性能的影響 圖5 為污水中CO2含量對緩蝕劑HSR-1 性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中緩蝕劑HSR-1 的加量均為60mg·L-1，實(shí)驗(yàn)溫度為50℃，污水pH 值均為7.0。

圖5 污水中CO2 含量對腐蝕速率的影響Fig.5 Effect of CO2 content in sewage on corrosion rate

由圖5 可見，隨著污水中CO2含量的逐漸升高，添加緩蝕劑HSR-1 后的污水對目標(biāo)油田污水管道鋼材的腐蝕速率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，即污水中CO2含量越多，腐蝕速率越大。這是由于CO2屬于酸性氣體，其在污水中會(huì)發(fā)生溶解反應(yīng)，并生成大量的H2CO3，電離出的H+會(huì)使氫去極化腐蝕反應(yīng)進(jìn)程加劇，從而增大了腐蝕速率。當(dāng)污水中CO2的含量達(dá)到10%時(shí)，添加緩蝕劑HSR-1 后的污水對鋼片的腐蝕速率仍能低于0.076mm·a-1，這說明緩蝕劑HSR-1具有良好的抗CO2腐蝕效果，當(dāng)污水中CO2的含量較高時(shí)，仍能發(fā)揮較好的防腐蝕作用，使其能夠在高含CO2油氣田污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）目標(biāo)油田污水中Cl-、Ca2+、Mg2+和HCO3-的含量比較多，污水pH 值偏弱酸性，并且其中CO2的含量也比較高。污水管道現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測點(diǎn)W-1 和W-4 處的腐蝕速率均在1.5mm·a-1以上，污水管道腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

（2）緩蝕劑HSR-1 對目標(biāo)油田污水管道的防腐蝕效果最好，當(dāng)其加量為60mg·L-1時(shí)，腐蝕速率可以降低至0.032mm·a-1，緩蝕率可以達(dá)到95%以上。溫度越高、污水pH 值越低、污水中CO2的含量越多，污水對目標(biāo)油田管道鋼材的腐蝕速率就越大。加入緩蝕劑HSR-1 后污水對管道鋼材的腐蝕速率均能控制在0.076mm·a-1以下，防腐蝕效果較好。