注氣替油腐蝕結垢原因分析

李淑杰 楊祖國 何龍 孫柏林（西北油田分公司 新疆 烏魯木齊 830011）

1 注氣替油結垢現狀

隨著油田發展的需要，在注水替油后期通過注氣，對處于構造高部位，“閣樓油”儲量高的殘丘類潛力井，底水未波及剩余油井，水平井封擋剩余油類潛力井等進行注氣驅替[1]。目前塔河油田注氣替油工藝主要采用膜制氮技術，通過現場的制氮車進行制氮，要求氮氣純度為95%-99%。由于技術的限制，主要采取氣水混注，以維持注入壓力在允許范圍之內。但是注氣替油后，相應出現油管、大小柱塞、抽油桿結垢現象和油管表面腐蝕、油管上部出現明顯褐紅色鐵銹現象。

由于以上原因，本研究中對腐蝕垢樣進行實驗分析和能譜分析，探討油井腐蝕結垢原因，以期達到為油田預防井筒腐蝕結垢找到合理的對策，盡可能減少腐蝕結垢造成的損失。

2 注氣替油井垢樣成分分析

針對注氣替油過程中造成的油井腐蝕結垢問題，取用塔河一區TK672井內抽油桿上刮下來的垢樣樣品，目測垢樣外觀呈黑色片狀，通過相關實驗，檢測其垢樣成分。

2.1 實驗室成分分析

2.1.1 實驗目的

本實驗主要測定可揮發組分含量，灼燒殘余物含量，膠質瀝青質含量，酸溶物含量。

2.1.2 實驗儀器及藥品

儀器：電子天平（精確到0.1mg）、烘箱、馬弗爐、電熱套、索氏抽提器、坩堝、坩堝鉗、研缽、普通漏斗、1mL移液管、錐形瓶、燒杯、濾紙、容量瓶若干。

藥品：鹽酸（分析純）、氯仿（分析純）、蒸餾水。

2.1.3 樣品預處理

取20g垢樣，充分研磨備用。

2.1.4 實驗方法

⑴可揮發組分測定：取10-15g已研磨垢樣，稱重。在105℃烘箱中烘干至恒重，放在干燥器中冷卻至室溫后稱重。確定可揮發物（水和少量輕烴）百分含量。

⑵有機物測定：稱取烘后垢樣0.5-1g于試管中，用氯仿抽提垢樣48h。抽提后剩下的垢樣干燥，稱量。計算膠質瀝青質等有機物百分含量。

⑶酸溶物測定：取上述抽提后樣品1-2g垢樣于試管中，加入適量的1：1鹽酸在70℃水浴中充分溶解1-2h，至無氣泡產生。過濾，用蒸餾水沖洗濾紙至中性，烘干。稱重計算酸溶物百分含量。

2.1.5 結果討論

通過以上實驗結果，可以知道該垢樣成分為可揮發組分H2O和部分輕烴占2.09%；無機物和泥砂占94.71%，膠質瀝青質的有機物占3.20%。其中酸溶物占85.82%；泥沙等不溶物為8.89%。從而判斷垢樣的主要成分為酸可溶物。垢中的泥沙和有機質是在成垢時裹進去的夾雜物。

2.2 能譜分析垢樣元素組成

從元素分析中，也可以得出垢樣的主要元素為鐵含量最高，從而推斷在垢樣中鐵的腐蝕產物較多，對生產中造成了腐蝕傷害。綜上推測：注氣替油井腐蝕結垢垢樣大部分為酸可溶物，可能為鐵的氧化物為主，同時存在著酸可溶的鈣、鎂垢及一些有機質（。如表1）

3 結垢原因分析

3.1 腐蝕結垢原因

通過對比注液氮替油、注水替油、氣水混注工藝的腐蝕結垢可知（表2），單純注液氮沒有發現腐蝕結垢現象，氣水混注腐蝕結垢現象最嚴重。由此推測，注氣替油井腐蝕結垢的主要原因可能是由于氮氣純度不夠，其中含溶解氧，過多的氧加速了腐蝕結垢。

表1 垢樣中所含有元素的質量百分比（%）

表2 不同工藝條件下腐蝕結垢情況

注入的油田水礦化度較高，含有Ca2+、Mg2+、Cl-等離子，也為腐蝕結垢提供了環境。綜合考慮，井筒腐蝕主要原因可能是注氣替油過程注入氮氣中溶解的部分氧加快了腐蝕。

3.2 鐵腐蝕物的成因

注氣替油造成的井筒腐蝕是一種電化學腐蝕，鐵與氧形成兩個電極，形成腐蝕電池。

化學反應（有水無水均可發生）4Fe+3O2=2Fe2O3

電化學反應（有水環境） Fe-2e→Fe2+

氧濃差電池腐蝕：垢下點蝕或縫隙腐蝕。在含O2和高Cl-鹽水強腐蝕環境下，金屬表面會發生嚴重鐵腐蝕現象。鐵的電極電位總比氧的電極電位低，所以在鐵、氧腐蝕電池中，鐵是陽極，容易遭到腐蝕，溶解氧起陰極去極化作用，是引起鐵腐蝕的主要因素，故稱為氧腐蝕[2]。Fe(OH)2是不穩定的，容易進一步產生Fe(OH)3和Fe3O4。O2的引入對腐蝕起加速作用，即使在濃度非常低(＜1ppm)的情況下，它也能導致嚴重的腐蝕[3]。

3.3 碳酸鹽垢形成機理

當注氣攜入大量氧，其影響如下：O2+2H2O+4e→4OH

OH-可消耗大量H+，促使反應向生成CaCO3沉淀的方向發展，在偏酸性地層水(pH=5.5-7.0)條件下，金屬Fe易被腐蝕，隨著O2的作用，pH升高，促進了氫氧化鐵沉淀的形成。

4 結垢治理建議

4.1 當一定量的氧伴隨注氣替油不可避免的存在時，可通過加入化學藥劑進行除氧，注入氮氣在地面通過除氧裝置后進入井筒，從而降低氧的含量。可考慮在燜井過程中，可適當加入除氧劑，如硫化亞鐵、聯氨及新型的二甲基酮肪等[4]。

4.2 由于在膜制氮注氣過程中，采取氣水混注，從而為氧腐蝕提供水相環境，加快腐蝕速率。在注氣結束后需要用水做頂替液，然后燜井。考慮燜井過程中氧在水相環境下與油管等得到充分接觸，促進了腐蝕結垢。因此可以考慮用稀油代替水作為頂替液，從而避免在燜井過程中，有水的條件下，造成腐蝕結垢加重。

[1]王霞，魏紅霞.鍋爐的氧腐蝕及對策.河北化工[J].2007,30(7)：52-53.

[2]胡仁道.肟類除氧劑及其應用.華東電力[J].2000(8)：63-65.