某油田生產水處理系統管線腐蝕失效分析

劉 鵬* 倪先鋒 樊榮興 楊 陽 金 磊 杜曉杰

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司 2. 中海油（天津）管道工程技術有限公司）

0 引言

某油田生產水處理系統管線整體壁厚減薄嚴重。2020 年8 月，腐蝕探針監測數據顯示，探針平均腐蝕速率為0.073 mm/a，已接近SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》中注水水質推薦指標要求，注水水質腐蝕速率≤0.076 mm/a。對現場進一步調研后發現，腐蝕較嚴重的管線主要分布在二氧化氯殺菌劑注入點下游，而上游管線只存在輕微的均勻腐蝕。為了保證生產水處理系統的作業安全，作業公司于2020 年10 月對下游管線進行了拆除及更換，為了查找下游管線發生嚴重腐蝕的原因，選取了部分下游管線進行失效分析，通過宏觀分析、管材化學成分分析、腐蝕性氣體檢測分析、細菌及鐵離子含量檢測分析、結垢預測及結垢成分分析等方法，研究了腐蝕發生的原因，并制定了有效的預防及改進措施。

1 注水處理系統簡介

某油田生產水處理系統包括撇油器、加氣浮選器及核桃殼過濾器三級處理，為了使其達到注水水質要求，流入的水經由核桃殼過濾器出口與來自水源井水匯合進入注水緩沖罐，通過注水增壓泵、注水泵全部回注地層，圖1 為注水處理系統流程圖，其中二氧化氯注入點為圖1 中的箭頭標注位置。

圖1 注水處理系統流程圖

2 回收管段宏觀分析

對拆除回收管線的典型位置進行宏觀分析，圖2為二氧化氯注入點相鄰的上游管線，其中存在輕微均勻腐蝕，內壁無明顯結垢現象。圖3、圖4 分別為二氧化氯注入點相鄰下游管線、遠離注入點的下游管線。不難看出，自注入點至下游的管線均存在較嚴重的結垢現象，壁厚減薄也較嚴重。

3 檢測分析

3.1 管材化學成分分析

對下游管線（鋼管等級：API 5L PSL2 X65）母材進行取樣，采用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀對其化學成分進行分析，檢測結果可見表1。結果表明：母材化學分成符合訂貨技術要求。

3.2 腐蝕性氣體檢測分析

將檢測手泵（氣體采樣器）膠皮管的氣嘴連接至待檢處（一般為容器壓力表），打開待檢點閥門，調節氣體的流量，抽取一定體積的腐蝕性氣體，根據檢測管變色范圍讀出腐蝕性氣體的含量。表2 所示為生產水處理系統近兩年內腐蝕性氣體H2S 與CO2含量（質量分數，下同）檢測數據的最大值。由表2 可知，H2S 與CO2含量最高的位置在生產水緩沖罐，含量分別為8×10-6及7%，含量很低，均屬于低度腐蝕性環境，即幾乎不具備腐蝕作用[1]。

表2 腐蝕性氣體檢測結果

3.3 細菌及鐵離子含量檢測分析

采用絕跡稀釋法，即將需測定的水樣用無菌注射器逐級注入到測試瓶（SRB、TGB、FB）中進行接種稀釋，在恒溫箱中培養，根據細菌瓶陽性反應和稀釋的倍數來計算細菌的數目。

在現場水樣加入微量的1:1 鹽酸，用總鐵或亞鐵離子測試管中的顯色劑與水樣進行反應，之后將測試管與標準比色管進行比對，從而測定水中總鐵或二價鐵離子的含量。

表3 為近兩年內水質中細菌及鐵離子含量檢測分析數據最高值。根據檢測數據可知，水系統中主要處理設備的Fe2+質量含量均在0.2 mg/L 以下，總鐵離子在0.3 mg/L 以下，SRB 個數幾乎都在25 個/mL 以下，FB 為0 個/mL，TGB 在0.6 個/mL 以下，根據油田的檢測標準，生產水處理系統的水質指標合格，基本不會發生微生物腐蝕。

表3 細菌及鐵離子質量含量檢測數據

3.4 結垢預測及垢樣分析

表4 為生產水處理系統的水質分析結果，取樣點位于注入點下游。由表4 數據可知，水質礦化度較高，且含有大量Ca2+及少量Ba2+，依據SY/T 0600—2009《油田水結垢趨勢預測》標準對平臺水質結垢趨勢進行預測[2-3]，該水質存在CaCO3、BaCO3結垢趨勢。

表4 離子質量含量檢測數據

選取二氧化氯注入點下游管線內壁結垢產物進行成分分析。對試樣采用石油醚、酒精溶解除油、過濾、干燥處理后再進行XRD 測試，掃描角度2θ為3°～80°，采樣步寬為0.02，波長λ=1.540 56 nm。XRD 分析結果表明，內壁結垢產物成分主要為FeCO3、FeOOH 以及CaCO3等，其中FeCO3、FeOOH應為腐蝕產物，而CaCO3為水質結垢產物，與結垢趨勢預測結果一致。

4 腐蝕原因分析

該生產水處理系統采用二氧化氯殺菌劑，而已知二氧化氯殺菌劑在油田現場制備，工藝如下：

式（1）中： H2SO4物質的量濃度為1 ～2.5 mol/L；式（2）中： H2SO4物質的量濃度為2.5 ～5.5 mol/L；式（3）中： H2SO4物質的量濃度為＞5.5 mol/L；

原料NaClO3被還原為ClO2，原料H2O2被氧化為O2，溶解在水中進入注水系統，隨著ClO2濃度升高，O2濃度也將相應升高，導致整個生產污水處理系統中溶解氧含量上升，O2是一種很好的去極化劑，使鐵失去電子生成Fe2+，與水中的CO32-形成FeCO3。隨著水中的溶解氧含量增加，O2將Fe2+氧化為Fe3+[4]，生成FeOOH。同時在管道運行時，環境介質導致管道內壁形成碳酸鈣垢，垢層不斷沉積，發生垢下腐蝕[5]。綜合以上因素可知，管線在氧腐蝕與垢下腐蝕的雙重作用下，內壁腐蝕不斷加劇。

5 防腐措施及建議

（1）將注水水質腐蝕速率嚴格控制在0.076 mm/a以下，同時提高水中溶解氧含量的檢測頻次（主要是在加注點之后），溶解氧的質量含量應嚴格控制在0.1 mg/L 以下。

（2）密切關注殺菌劑加注點后的管線壁厚減薄情況，將重點、加密對該區域管線進行壁厚測量。

（3）定期開展藥劑評價工作、優化加注模式。

（4）建議在水系統中加注除垢劑或考慮在加注點后管線增加超聲波在線除垢裝置。

（5）如可行，建議更換殺菌劑ClO2，在注水系統中可選擇加入無腐蝕性的殺菌劑。