油田注水腐蚀结垢机理及防治研究

油田注水腐蚀结垢机理及防治研究

于振宇胡海涛唐相辉

(大庆油田有限责任公司第一采油厂第一油矿)

摘要：油田注水系统和伴热水系统由于水质比较复杂，会产生一些问题。其一是污水腐蚀问题。在我国油田的注水井中，大部分采用的是从油井产出液中分离出来的油田污水作为注入水进行注水开采。油田污水的矿化度较高，其中所含的溶解氧、游离二氧化碳和硫化氢等会对金属设备和管道产生不同程度的腐蚀，含有大量酸性气体或者高矿化度的污水甚至会造成管线穿孔现象的发生。其二是管线结垢问题。水的化学不相容性和热力学不稳定性会导致地面注水系统、注水地层和油井井筒中结垢，严重的还会造成堵塞。其三是伴热水腐蚀结垢问题。由于伴热水管线是用高温水循环加热，因此腐蚀结垢的危害尤为突出。为了进一步提高和改进油田注水开采技术，减少油田注入水和伴热水的腐蚀结垢问题，就要采取相应的缓蚀和阻垢措施。

关键词：油田注水；腐蚀；结垢机理；防治研究

引言：大多数提高原油采收率的方法都是向油藏注入一种流体，包括气体或液体，其中注水是应用最为广泛的提高原油采收率方法。提高原油采收率，是指从油藏中采出比一次采油法采出更多石油的某种方法。在一次采油过程中，油藏的天然能量将原油驱向产油井采出，这种能量来自于地层流体和岩石的膨胀、溶解气驱、重力排替以及供水层水的侵入。油田在实际的作业中，由于注水条件受到限制，在注水过程中，出现的污水腐蚀和管线结垢的问题，对正常生产运行带来了严重影响。随着注水工作进入晚期阶段，各个作业区大面积采取清污水混注或者配注的方法注水，但受到注入水的化学不稳定性、热力学不稳定性和其他因素的影响，使注水井出现管线腐蚀甚至导致穿孔，还会造成结垢堵塞现象的发生。

1.污水腐蚀机理及影响因素

1.1污水腐蚀机理

油田污水回注中主要包含电化学腐蚀和细菌腐蚀两种腐蚀形式。引起污水腐蚀的原因主要有溶解氧、游离二氧化碳、硫化氢电离、高含量溶解盐、水的酸碱性、水温和硫酸盐还原菌等。

1.2污水腐蚀影响因素

污水回注导致的腐蚀，其影响因素可以分为腐蚀内因和腐蚀外因两类。内因包括氧气、二氧化碳、硫化氢和细菌等。外因包括PH值、温度、压力、管材和流速等环境因素。（1）溶解氧腐蚀。1）电化学腐蚀。电化学腐蚀的反应原理如下。

阳极反应：Fe→Fe2++2e阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-

总反应式：4Fe+6H2O+3O2→4Fe(OH)3↓

2）铁锈上的附着氧所形成的浓度差电池，极易造成腐蚀。

3）溶解氧为耗氧细菌提供了繁殖环境，使其大量繁殖而引起腐蚀。

4）其它因素与溶解氧协同作用，使钢材等管材的腐蚀加速。

（2）二氧化碳腐蚀

二氧化碳与水反应：CO2↑+H2O=CO2（溶解）CO2（溶解）+H2O=H2CO3

碳酸与铁反应：Fe－2e→Fe2+

H2CO3+e→H++HCO3-+e→H+HCO3-

2H→H2↑

总反应式：CO2+H2O+Fe→FeCO3↓+H2↑

水中溶解的二氧化碳与水结合形成碳酸，与钢铁中的铁反应生成碳酸亚铁FeCO3沉淀，使金属表面受到腐蚀。钢材表面沉淀物不同程度地覆盖于不同区域，覆盖区域间逐渐形成腐蚀电偶，在电偶很强的自催化作用下对钢铁又造成局部更深层的腐蚀，使其表面出现台面坑蚀、轮廯状腐蚀或局部点蚀，这是二氧化碳腐蚀的最典型特征。

2.污水结垢机理和影响因素

2.1污水结垢机理

通常管线中产生的污水结垢物包括：1）沉淀物。如硫酸锶、硫酸钡、硫酸钙和碳酸钙等物质。2）腐蚀产物。如硫化亚铁、碳酸亚铁等。3）析出物质。在一定条件下溶解度大、含量高的析出物，如氯化钠等。

2.2污水结垢的影响因素

（1）温度。温度主要对结垢物在水中的溶解度产生影响。例如，随着温度的升高，碳酸钙的溶解度逐渐下降，而硫酸钡的溶解度逐渐升高。

（2）压力。当系统压力下降较多时，水中碳酸钙和硫酸钙的溶解度会随着压力的下降而降低，极易产生碳酸钙垢和硫酸钙垢。

（3）PH值。水中PH值越高，碳酸钙的溶解度越小，越容易沉淀。PH值越低，碳酸钙沉淀越少。铁化合物结垢也受到同样的影响，因此水中PH值越高，越容易产生碳酸钙垢和铁化合物垢，但对硫酸钙垢的影响不大。

（4）水质配伍性。不同水质间相互配伍性不好就会引起结垢现象。

3.防腐防垢对策

腐蚀问题、结垢问题可以分别通过添加缓蚀剂与阻垢剂来解决。

1）针对溶解氧含量较高的问题，可安装除氧装置来解决。

2）针对游离二氧化碳、硫化氢、氯离子和温度引起的腐蚀，可以添加缓蚀剂。

3）针对污水结垢问题，可以添加阻垢剂。

（1）油田常用缓蚀剂与缓蚀机理

油田污水处理中较常用的缓蚀剂包括咪唑啉、多元醇磷酸酯和酰胺羧酸类等。缓蚀剂作用机理为，缓蚀剂的亲水极性基团容易吸附在金属外表面，而疏水的非极性基团会从金属表面向溶剂中扩散排列，从而覆盖成一层薄膜，保护金属外表面不受腐蚀，从而起到缓蚀作用。（2）油田常用阻垢剂与阻垢机理

油田污水处理中较常用的阻垢剂包括低分子聚合物和有机磷酸两大类。阻垢剂作用机理为，阻垢剂能通过螯合作用与钙、镁等离子形成稳定的络合物，把容易产生沉淀的金属离子变成可溶性离子溶于水中，从而抑制沉淀物的产生。一方面通过晶体变形作用破坏晶体的正常增长，从而防止或减轻结垢，另一方面通过静电斥力作用吸附于无机盐的微晶上，使微粒之间的斥力变大，阻碍其相互聚结，使之保持散布状态，以达到控制或降低结垢物形成的目的。

常见的除垢方法：（1）化学防垢法。分为离子交换树脂软化处理法和添加阻垢剂法。离子交换树脂软化处理法的优点是防垢效果好，缺点是投资、运行费用非常高。添加阻垢剂法的应用范围较为广泛。（2）物理防垢法。该方法又称磁场电场防垢法，原理是水经过磁场或者电场时，可以暂时消除碳酸钙结晶吸附于内壁的能力，利用此原理来防止在传热表面或者管壁上结垢。缺点是磁场电场防垢法由于循环水中含有磁性氧化物微粒等腐蚀产物，限制了该方法的应用和发展。（3）物理化学防垢法。天然水中二氧化碳的散失会破坏重碳酸钙的溶解平衡而使其结垢析出，因此可通过保持一定量的游离二氧化碳在水中，来抑制碳酸氢钙的分解。该方法较适用于小容量水的处理。

结语：随着开采时间的延长，现场腐蚀、结垢问题日渐突出。因此在日常的作业过程中需要能够时刻关注腐蚀结垢现象，并采取一定的有效方法解决该类问题，进而提升生产效率。

参考文献：

[1]刘凤兰.情联注水系统腐蚀结垢规律及影响因素分析[J].中国石油和化工标准与质量,2017,37(14):74-75.

[2]高永华,于洪旭,李康,等.绥中36—1油田注水井管材腐蚀机理分析及应对措施[J].涂料技术与文摘,2018(1).