蘇里格氣田采出水的腐蝕性研究

楊 嬌，項(xiàng)明杰，馬永鋒，蔣晶晶，張世虎，陳曉春

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710018）

隨著蘇里格氣田產(chǎn)量的升高，伴隨產(chǎn)生的氣田采出水水量也隨之加大。蘇里格氣田采出水在集氣站初步分離后由罐車(chē)?yán)\(yùn)至天然氣處理廠。在天然氣處理廠內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列處理，合格后回注地層。天然氣處理廠內(nèi)氣田采出水系統(tǒng)管線，經(jīng)常因腐蝕而發(fā)生穿孔泄露等腐蝕事故，影響日常生產(chǎn)作業(yè)，造成一定經(jīng)濟(jì)損失。為此，實(shí)驗(yàn)以天然氣處理廠接收的氣田采出水為研究對(duì)象，研究水樣中溶解氧含量，溶解鹽（Cl-、SO42-）含量以及pH 變化對(duì)腐蝕的影響，實(shí)驗(yàn)掛片為20#碳鋼，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7 d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溶解氧濃度的增加，氣田采出水腐蝕性也隨之增加且逐漸趨于飽和；隨著溶鹽濃度的增加，氣田采出水腐蝕速率先增加再減小；隨著pH 值的增加，氣田采出水的腐蝕速率逐漸減小且趨于穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)防腐工作。

1 實(shí)驗(yàn)方法

蘇里格氣田處理廠接收的氣田采出水水質(zhì)分析結(jié)果（見(jiàn)表1）。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0026-1999標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，測(cè)量在不同因素影響下鋼片的腐蝕速率。

表1 蘇里格氣田處理廠接收氣田采出水水質(zhì)分析

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 溶解O2 對(duì)腐蝕的影響

2.1.1 溶解氧的定量

（1）向四口瓶中通入高壓氮?dú)獬M水樣中的溶解氧。

（2）將高壓氧氣瓶的出口表壓調(diào)至固定值，向除盡氧氣的污水中通入氧氣一個(gè)時(shí)間段，立刻停止通氧，密封裝有水樣的四口瓶，記錄通氧時(shí)間。

（3）將四口瓶中的水樣搖勻，靜置一段時(shí)間，利用比色管進(jìn)行測(cè)量并記錄溶解氧濃度。

（4）改變通氧時(shí)間，重復(fù)上述步驟，記錄對(duì)應(yīng)的比色管測(cè)量值。（注意：不要改變氧氣的出口壓力）最后，利用時(shí)間與氧含量關(guān)系繪制曲線圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 某氧氣出口壓力下通氧時(shí)間與溶解氧含量的關(guān)系

通過(guò)建立通氧時(shí)間與溶解氧含量的關(guān)系，就可以利用改變通氧時(shí)間，從而改變?nèi)芙庋鹾俊?/p>

2.1.2 溶解氧對(duì)碳鋼的腐蝕 將20#碳鋼分別放入5組不同溶解氧濃度的水樣中，室溫下，進(jìn)行一個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)腐蝕速率結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 不同O2 濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖2 溶解氧含量與腐蝕速率的關(guān)系

根據(jù)表2 繪制圖2，從而發(fā)現(xiàn)隨著溶解O2含量增加，模擬氣田采出水使碳鋼的腐蝕速率顯著加快。因?yàn)镺2是具有較強(qiáng)的氧化性，具有較強(qiáng)的陰極去極化作用。鋼片均勻腐蝕速率受溶解O2的擴(kuò)散影響，O2越多，擴(kuò)散越快，模擬氣田采出水對(duì)碳鋼掛片的腐蝕速率就越快。但是，當(dāng)溶解氧含量超過(guò)1.5 mg/L 以上，腐蝕速率曲線較穩(wěn)定，這主要是由于此時(shí)，碳鋼表面氧含量比較充足，使得碳鋼表面產(chǎn)生致密且堅(jiān)硬的氧化膜，阻止氧氣與碳鋼的接觸，相當(dāng)于增加了電阻極化作用。

氣田采出水中溶解O2與碳鋼的腐蝕機(jī)理是原電池中的氧氣陰極去極化作用，一般發(fā)生在弱酸，中性及堿性水樣中。Fe 作為陽(yáng)極，失去電子成為Fe2+，進(jìn)入采出水溶液中，F(xiàn)e 失去的自由電子從陽(yáng)極Fe 流向陰極，O2在陰極上吸收電子, 陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH-進(jìn)入采出水溶液，最后陰極和陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物相結(jié)合生成Fe（OH）2。如果采出水中還含有自由的溶解O2, 則生成Fe（OH）2繼續(xù)與O2反應(yīng)生成Fe（OH）3。在此過(guò)程中,當(dāng)溶解O2較少而氧化速率較慢時(shí)，生成的Fe（OH）3可與尚未轉(zhuǎn)變的Fe（OH）2反應(yīng)生成Fe3O4[1]。

2.2 pH 對(duì)腐蝕的影響

實(shí)驗(yàn)將20#碳鋼放入pH 在2 至10 的模擬水樣中，水浴溫度恒定于30 ℃，一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期后，測(cè)量腐蝕速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

根據(jù)表3 繪制圖3，由圖3 表明：隨著pH 的升高，碳鋼的腐蝕速率逐漸降低直至穩(wěn)定。pH=4 一般為析氫反應(yīng)與吸氧反應(yīng)的臨界點(diǎn)。在pH=2 的模擬水樣中,碳鋼發(fā)生析氫反應(yīng)，表面附著氣泡。在pH＞4 的模擬水樣中，碳鋼發(fā)生吸氧反應(yīng)。一般情況下，碳鋼腐蝕大多進(jìn)行吸氧反應(yīng)。

表3 不同pH 值下20#碳鋼腐蝕情況

圖3 pH 值與腐蝕速率的關(guān)系

在同等情況下，吸氧反應(yīng)中氧離子反應(yīng)的電位比析氫反應(yīng)的氫離子反應(yīng)電位較正，所以吸氧反應(yīng)比析氫反應(yīng)更加容易進(jìn)行[2]。

2.3 溶解鹽濃度對(duì)腐蝕的影響

2.3.1 Cl-濃度對(duì)腐蝕的影響 將20#碳鋼分別放入5組不同的Cl-濃度模擬水樣中進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，水浴溫度恒定于30 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）。

表4 不同Cl-濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖4 氯離子濃度與腐蝕速率的關(guān)系

根據(jù)表4 繪制圖4，發(fā)現(xiàn)：隨著Cl-濃度的增大，碳鋼腐蝕速率先增大，然后趨于減小。這是因?yàn)镃l-濃度增加，鹽水導(dǎo)電性增大，減弱了電阻極化作用，腐蝕性增大；然而，氯離子等可溶性鹽量的增加會(huì)使得溶解氧含量減小，減弱了氧的去極化作用。因此，當(dāng)水質(zhì)含鹽量增加到一定程度，碳鋼的腐蝕速率會(huì)下降[3]。

Cl-的離子半徑小，淌度大，是活性陰離子，但不是腐蝕劑。它可以優(yōu)先進(jìn)入點(diǎn)蝕和縫隙形成閉塞電池，由于閉塞電池內(nèi)的金屬陽(yáng)離子Fe2+濃度升高，在蝕孔電池產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，蝕孔外的氯離子不斷向坑內(nèi)遷移、富集，使FeCl2等濃縮，F(xiàn)eCl2、CaCl2、MgCl2等氯化物的水解使酸性提高，加快了陽(yáng)極溶解。這種由閉塞電池引起的點(diǎn)蝕坑內(nèi)酸化從而加速腐蝕的作用，叫做自催化酸化作用。蝕坑內(nèi)為陽(yáng)極，蝕坑外大面積金屬為陰極，構(gòu)成了大陰極，小陽(yáng)極的活化-鈍化電池，使蝕孔加速長(zhǎng)大。同時(shí)如果陽(yáng)極形成一定的保護(hù)膜，則Cl-具有較強(qiáng)的穿透性，可以穿透氧化膜，直接與Fe3+反應(yīng)，產(chǎn)生FeCl3，經(jīng)常會(huì)造成嚴(yán)重局部腐蝕[4]。

2.3.2 SO42-濃度對(duì)腐蝕的影響 將處理后的20#碳鋼放入5 組不同SO42-濃度模擬水樣中進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，水浴溫度恒定于30 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）。

表5 不同SO42-濃度下20#碳鋼腐蝕情況

圖5 硫酸根濃度與腐蝕速率的關(guān)系

根據(jù)表5 繪制圖5，發(fā)現(xiàn)：隨著SO42-濃度增加，腐蝕速率有所降低，最終趨于穩(wěn)定。這主要因?yàn)槟M水樣為CaCl2水型，模擬水樣中的溶解Cl-已經(jīng)使污水的導(dǎo)電性達(dá)到極限，開(kāi)始導(dǎo)致溶解氧含量明顯降低。SO42-濃度提高對(duì)于增強(qiáng)導(dǎo)電性作用已經(jīng)被Cl-作用所遮蓋，而增加的SO42-明顯起到降低溶解氧含量的作用，最終，減弱氧氣的陰極去極化作用。因此，增加SO42-濃度，腐蝕速率沒(méi)有明顯升高，反而有所降低。

3 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）氣田采出水的腐蝕性隨溶解氧濃度的增加而增加，最終趨于穩(wěn)定。

（2）隨pH 值的增加，氣田采出水的腐蝕性減小直至平緩。

（3）隨著溶解鹽溶度增加，氣田采出水的腐蝕性先增加再減小，直至穩(wěn)定。

在這些因素中，影響腐蝕的核心因素是去極化作用，主要表現(xiàn)在氧的陰極去極化作用。在pH 極低時(shí)，也會(huì)存在氫的去極化作用，以及溶解鹽，如氯鹽，具有自催化作用，加快腐蝕，屬于陽(yáng)極去極化作用。然而，氧的陰極去極化是影響鋼鐵腐蝕最重要的因素。溶解氧濃度直接影響陰極去極化作用，pH 在弱酸及堿性情況下，主要發(fā)生吸氧腐蝕；溶解鹽的濃度增加到一定值后，會(huì)導(dǎo)致采出水溶解氧含量下降，也間接地影響到氧的陰極去極化作用。因此，認(rèn)為防腐工作的核心是有效的控制溶解氧。

在工藝上，提高管路的密閉性，盡可能減少采出水與外界氧氣接觸。由于溶解氧的濃度對(duì)采出水腐蝕性影響比較大。采油集輸工藝流程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)密閉不嚴(yán)都很可能造成采出水溶解氧含量的超標(biāo)，加劇油氣田采出污水的腐蝕性。因此，提高管路的密封性可以降低采出水中的溶氧量，從而，減小氣田采出水的腐蝕性。

［1］ 熊穎，等.模擬油氣田采出水的腐蝕性實(shí)驗(yàn)研究［J］.鉆采工藝，2008，31（4）：118-112.

［2］ 談小強(qiáng).關(guān)于鋼鐵腐蝕的理論探究和實(shí)驗(yàn)分析［J］.化學(xué)教學(xué)，2012，（5）：47-48.

［3］ 牛林，陳曉.堿性介質(zhì)中鹵族離子引起鐵腐蝕的差異及腐蝕抑制［J］.山東學(xué)報(bào)，1996，31（20）：191-194.

［4］ 郭生武，袁鵬斌編著.油田腐蝕形態(tài)導(dǎo)論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.