油田水結垢腐蝕機理及對策研究

吳清紅 王穎

摘 要：在油田開發生產過程中，結垢腐蝕問題普遍存在，給國內外油田生產帶來很大的影響。針對油田污水造成的結垢腐蝕現象，對油田結垢腐蝕的機理及影響因素進行了闡述，指出結垢與腐蝕并不是單獨存在，而是相互作用的關系；介紹了目前比較常用的防腐阻垢技術，研究了防垢措施中物理方法和化學方法的機理及應用情況，簡要介紹了幾種防腐技術的類型及工作原理，為油田防腐阻垢措施的選取提供了依據。

關 鍵 詞：油田；結垢；腐蝕；防腐；阻垢

中圖分類號：TE 980 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1827-04

Abstract： The scaling corrosion problem generally exists in oilfield development. Severe fouling and corrosion can threaten the safe operation. In this paper， the mechanism and influence factors of fouling and corrosion were analyzed. Its concluded that fouling and corrosion are indivisible. The primary technologies for preventing the corrosion and scaling were introduced. The main technologies were also compared from diversified aspects. Mechanisms and application of physical methods and chemical methods in scale prevention measures were studied. Types and working principles of anti-corrosion technologies were introduced.

Key words： oilfield ； fouling ； corrosion； anti-corrosion； fouling removal

隨著注水采油，排水采氣等油田開發新工藝的日益興起，油井采出液含水量越來越多，在我國各油田采出液含水率達到了70%～95%。油田采出水大多成分復雜，含有大量的懸浮物、細菌，并有一定硬度和礦化度，腐蝕結垢問題影響到油田生產的各個方面。從地層污染到油井堵塞到管線局部腐蝕，現場設備管線更換作業頻繁，嚴重影響到油田正常生產，帶來巨大經濟損失。結垢現象成為了油田水質控制過程中最嚴重的問題之一[1]。針對油田腐蝕結垢現狀，從油田生產的安全性和經濟性的角度考慮，深入研究油田結垢腐蝕的機理及影響因素，總結防腐阻垢技術對保障油田系統正常生產、延長管線設備使用壽命具有重要意義。

1 結垢腐蝕機理及影響因素

油田水中存在的一些離子，隨著溫度壓力等條件的改變，很容易進行離子結合，從水中析出不溶或難溶的物質，成為水垢。這種垢先以少量垢為核心，環境的粗糙性及溶液中懸浮離子都會促進垢的生長，使更多成垢化合物附著、聚集在核心周圍，形成更大的污垢。隨著油田水溫度的升高，部分難溶鹽溶解度下降，從而有更多的物質析出，促進結垢[2]。有些水垢由腐蝕產生。一些腐蝕介質將管線設備中的鋼鐵氧化，形成鐵銹，這些腐蝕微粒極易成為結晶核心，導致成垢化合物聚集，使結垢加速。此外，水中的細菌、CO2、硫化物等在水垢的掩護下極易形成垢下腐蝕，最后導致管線穿孔。

1.1 結垢影響因素

1.1.1 溫度對結垢的影響

油田集輸系統中，由于各油井溫度不同，溶液摻混后溫度有很大變化[3]，溫度的變化造成了溶液中易結垢離子平衡破壞，使集輸管線及設備等結垢嚴重。溫度主要對垢的溶解度及垢的化學活性有重要的影響，同時溫度也會影響細菌的繁殖速度，從而影響到腐蝕垢的生成速率[4]。水中HCO3-與Ca2+結合發生化學反應產生CaCO3，當溫度升高時， CaCO3量增加。隨著CO2的溢出，平衡不斷地向右移動，加劇沉積反應的進行。因此，在系統溫度較高或壓力降低部位容易發生CaCO3沉積結垢。

1.1.2 離子濃度對結垢的影響

油田水中，對于易結垢離子，濃度越高越容易導致結垢。如水型為CaCl2的油井與水型為NaHCO3的油井，油水混摻后Ca2+與HCO3-離子濃度越高，結垢量越大。對于非結垢鹽類如NaCl的含量也會影響到結垢速率[5]。在一定程度上，隨NaCl含量增大，CaCO3、CaSO4型水垢溶解度增大，當NaCl含量大于一定值時，溶解度隨NaCl含量增大而降低，更容易引起集輸系統結垢。

1.1.3 pH值對結垢的影響

pH值不僅能影響到油田水中的碳酸氫根轉化成碳酸根的程度，還可以影響到碳酸鈣水中的溶解度。pH值增大，碳酸鈣溶解度降低，結垢傾向也就越大[6]。油田常采用在管線中注CO2的方式來預防結垢，這也是根據pH值越小，越能抑制結垢現象的原理。但pH值過低，又加劇腐蝕。因此，需要綜合考慮兩個方面來確定油田水pH值。

1.1.4 流速對結垢的影響

對于油田水垢而言，流速越小，結垢趨勢越大[7]。這是因為雖然大流速可以增加在單位時間內流過的結垢離子數量，但同時也會增大剝蝕率，使總的結垢速率減小。因此，管線中應盡量避免小流速特別在結構突變的部位引起的結垢現象。

1.2 腐蝕原因及影響因素

1.2.1 細菌對腐蝕的影響

經研究，細菌的生產繁殖，直接影響到油田系統的腐蝕情況。這是因為當油田水處于地層時，地層溫度較高、壓力較高，SRB（硫酸鹽還原菌）含量一般較低，當油田產出液提升到地面，由于條件的變化，SRB的生長速度急增[8]，細菌急速的生長繁殖引起設備腐蝕從而堵塞地層。

1.2.2 礦化度及鹽類對腐蝕的影響

油田水中較高的礦化度使污水介質電導率高，電化學腐蝕嚴重，特別是設備焊接部位，因材質不均勻形成原電池，極易造成陽極區金屬溶解[9]。水中的Cl-離子容易與金屬表面Fe2+結合成FeCl2，對井下及地面設備的點蝕具有重要作用。

1.2.3 CO2對腐蝕的影響

油田采出液中含有的CO2分壓越高，腐蝕速率越大。這是因為當pH值小于7，溶液成酸性時，采出液中的CO2主要以HCO3-形式存在，鋼鐵的腐蝕速率隨著HCO3-含量的增加而增大。

2 防垢措施研究

目前，國內外防垢方法有很多，主要分為物理法、化學法。物理法是對油田水進行電場或磁場方面的處理，通過物理儀器的功能抑制垢的形成；化學法是利用化學藥劑的溶解性或對垢的螯合作用阻止垢的生成。

2.1 物理防垢

2.1.1 超聲波防垢

超聲波防垢操作簡單，效率較高，不污染環境。主要是利用超聲波在管道設備中產生的剪切力，使垢的附著力降低并改變垢的物理形態，將形成的垢微粒粉碎從而脫落到管輸介質中，達到防垢目的。

M.N.Chepurnoi在20世紀90年代初發現超聲波可以減緩垢的形成[10]，之后Bott[11]采用透明玻璃管替代實際換熱器管段，通過實驗研究了超聲波處理對污垢的抑制與清除作用，表明超聲波處理具有一定的抗垢效果，且其效果隨超聲強度和處理次數的增加而顯著增強。撫順石化HTC催化劑管道系統結垢嚴重[12]。安裝超聲波防垢儀后，有效地延長了清洗周期，證實了超聲波防垢儀具有顯著的防垢功能。

超聲波防垢法雖然可以使污垢脫離設備，達到清洗目的，但只能使垢不凝結在管道設備表面伴隨輸送介質流走，不能完全阻止垢的生成，當介質流過超聲波防垢儀一定距離后，超聲波不能作用到該范圍，垢物會繼續生長。

2.1.2 磁場防垢

磁防垢技術投資小、效率高、無污染。主要是通過強磁場的作用，使油水中水分子及離子等產生取向運動，改變水的電荷狀態，降低陰陽離子結合成粗大粒子的概率[13]。磁場還可以改變晶核的生成速率及晶體生成過程，水中微晶增多，不容易在金屬表面結垢[14]。但復雜的水系統，給磁防垢的研究帶來很大困難，在磁防垢機理方面還需深入探討。

1945年Vemeriven發現水流經磁場磁化后可以減輕鍋爐結垢現象[15]。從此磁處理技術得到廣泛發展。西峰油田以注入水為研究對象，分析了不同條件下磁處理技術的防垢效果，表明溫度對防垢效果影響很大，在一定條件下磁處理技術對西峰油田具有一定的防垢效果[14]。

2.1.3 電場防垢

電場防垢技術適用于任何類型的管材，安裝施工方便。隨著電子工業的快速發展，國內外電場防垢技術分為靜電場、電流場、交變電場三種類型[16]。關于靜電場防垢機理，全貞花等人[17]利用污垢熱阻動態監測裝置進行了高壓靜電抗垢實驗。經高壓靜電處理后，其晶體形態發生了變化，壁面的附著力變小，從而達到防垢效果。關于電流場防垢機理，何俊等人[16]研究認為向水體施加直流電時，會產生微電解電場，這種電場在常溫下增加水的溶解能力，高溫下使水垢形狀變松散達到防垢效果。關于交變電場防垢機理，研究人員初步探討認為，靜電斥力作用和晶體畸變作用減少了垢的沉積[18]。

美國新瀉華盛頓公司在20世紀研制了第一臺靜電水垢控制儀。我國部分低滲透油田已經引進并試驗了電場防垢技術。在玉門青西油田開展了電子防垢儀對集輸系統防垢應用研究[19]。研究表明電子防垢儀不但對污水有活化作用，而且具有溶垢效果，緩解了部分管道設施的結垢現象。

2.2 化學防垢

2.2.1 管網酸洗

利用化學劑的溶解性，從而達到防垢目的。一般采用循環清洗法。清洗步驟可簡單分為：水沖洗→酸洗→水沖洗→廢液處理→水質檢查→系統恢復。酸洗是關鍵步驟。排盡沖洗水后，將配置好的酸洗液注入管網。通過檢查進排液內藥劑濃度，確定清洗時間。當藥劑濃度及鐵離子含量基本達到穩定時，即可結束酸洗。

尕斯庫勒油田注水開發以來，大部分注水管線結垢嚴重。以適當濃度鹽酸及添加劑為酸洗液對注水管網進行了化學酸洗試驗，結果減小了管線摩阻，降低了生產成本，延長了管線使用壽命[20]。證明了管網酸洗技術的廣闊應用前景。管網酸洗雖然能夠有效解決結垢問題，但由于注入酸洗液后極易產生有毒的H2S氣體，為酸洗清垢的施工帶來危險性。

2.2.2 添加阻垢劑

阻垢劑可以通過阻止無機鹽如CaCO3、CaSO4等在管線壁面上結晶沉淀，達到防垢的目的。添加化學阻垢劑時需要注意到以下幾點[21]：1）阻垢效果的測定。通過沉淀重量法或成垢離子平衡法來測定阻垢劑的阻垢效果。2）阻垢劑的配伍性實驗。注入油田水中的試劑不只阻垢劑，還可能有緩蝕劑破乳劑等，需要進行配伍性實驗研究，確定最佳配伍量。3）阻垢劑的投加方式。一般來說阻垢劑應投加在結垢部位前，投入后需進行現場監測。

目前，添加阻垢劑的防垢方法被國內外油田普遍應用。大量應用試驗結果證明了阻垢劑有良好的阻垢效果。但由于阻垢劑的某些化學性質，不可避免造成不同程度的環境污染，需要進一步研究環保、適用性強的化學阻垢劑。

3 防腐措施研究

油田系統腐蝕主要受二氧化碳含量、pH值、溶解氧、礦化度、硫化物等多種因素影響，很難用單一防腐方法來控制腐蝕，因此需要綜合應用多種防腐技術進行防腐。目前，常用的防腐技術有防腐涂層技術、化學防腐技術。

3.1 防腐涂層技術

在金屬表面涂上保護層從而防止腐蝕。防腐涂層技術對環境污染較少，成本較低。常用的涂層分為有機材料涂層和化學鍍層兩種。

3.1.1 有機材料涂層

采用有機材料涂層進行防腐是最直接、經濟的方法，通過特殊工藝將有機防腐涂料噴涂到油管內壁，在內壁表面產生物理化學反應，固化成薄膜，從而達到降低腐蝕的目的。而涂層防腐的關鍵是防腐涂料的選取。常用的涂料有四種[22]：1）重防腐蝕環氧粉末涂料，有較好的防腐特性、涂層厚、無針孔；2）H87環氧耐溫涂料，主要用于高溫油田污水，耐高溫、隔熱；3）8701環氧樹脂涂料，固體含量高、污染小、氣味小；4）新型環氧改性聚氨酯重防腐涂料，附著力強、耐磨性好，在國內外油田污水管道和設備中應用效果良好。

3.1.2 化學鍍層

化學鍍層在油管防腐中有一定的應用，主要有兩種類型：1）鎳磷合金鍍管，可以對CO2腐蝕起到一定防護作用；2）雙層鍍管，利用兩種鍍層的電位差，通過不同鎳磷含量組合得到耐蝕性較好的鍍層。此方法結合力強、耐腐蝕性好。

3.2 化學防腐技術

化學防腐技術是通過化學特性去除腐蝕介質或改變腐蝕環境來進行防腐。化學藥劑主要包括緩蝕劑、殺菌劑、除氧劑。常用的方法是添加緩蝕劑。

緩蝕劑與金屬表面發生物理化學反應，有效解決電化學腐蝕問題。緩蝕劑種類很多，各自的作用也不同，需要根據不同的環境，研究不同種類的緩蝕劑。遼河油田注水管線出現嚴重腐蝕結垢問題，通過現場試驗，篩選出了最佳阻垢緩蝕劑類型及投加濃度，使遼河油田注水系統緩蝕率達到90%以上[23]，解決了現場腐蝕結垢問題。利用添加緩蝕劑的方法進行防腐，不需要改變金屬裝置，操作方便、成本低。但其效果與流態、金屬類型、溫度等因素有關，需要與其他防腐方法搭配使用。

4 結 論

（1）對結垢腐蝕原因進行分析可得：油田結垢腐蝕不僅受到體系中離子種類及含量的影響，還受到外部因素的制約，包括溫度、CO2、細菌、流動狀態等。其中，溫度和離子濃度是影響結垢的主要因素；細菌數量和礦化度是影響腐蝕的主要因素。

（2）目前防垢技術中超聲波防垢法及添加阻垢劑的方法最為常用，添加緩蝕劑作為防腐技術被廣泛運用。由于不同防腐防垢技術有不同特點，需要綜合考慮其優缺點，根據不同油田的實際情況，從安全、經濟方面考慮，選擇合適的防腐阻垢技術。

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