呼倫貝爾油田注水系統腐蝕機理探討

劉 威 鄭潤芬 智春生 大慶油田工程有限公司

呼倫貝爾油田注水系統腐蝕機理探討

劉 威 鄭潤芬 智春生 大慶油田工程有限公司

為解決呼倫貝爾油田注水系統管線及設備腐蝕問題，指導相應防腐措施的實施，針對典型作業區開展注水系統腐蝕機理研究。通過考察防膨劑主要組分和溶解氧對水質腐蝕性的影響，并結合各腐蝕因素對腐蝕速率影響程度的分析，總結出呼倫貝爾油田注水系統的腐蝕機理為：防膨劑中的Cl-、NH4+的水解產物以及溶解氧共同作用，加大了水質的腐蝕性。現場作業區可依據以上腐蝕機理，控制注水系統中的溶解氧含量，有針對性地研究緩蝕劑配方或選擇防腐材質和涂層，制定出經濟有效的防腐措施。

呼倫貝爾油田；注水；腐蝕；防膨劑；溶解氧

呼倫貝爾油田自2001年開發以來，由于興安嶺地層水敏性強，注入水中需要投加防膨劑，以防止地層中的黏土膨脹。但防膨劑的加入使得部分區塊地面設施的腐蝕問題突出，特別是注入水系統，管道、閥門的腐蝕和穿孔頻繁[1]。開展呼倫貝爾油田注水系統內腐蝕機理研究，可指導相應防腐措施的實施，為降低設備更換和施工費用，防止因腐蝕導致的事故提供理論依據。

1 試驗部分

試驗地點選取呼倫貝爾油田腐蝕嚴重且最具代表性的某作業區，對該作業區聯合站注水系統水質和腐蝕情況進行調研，并對現場腐蝕穿孔的管道進行分析。

1.1 防膨劑

對防膨劑主要成分進行XRD分析，并進行半定量計算，得出防膨劑主要由氯化銨、氯化鈉和鹽酸甲胺組成，氯化銨占防膨劑含量的88%。在室內室溫下采用靜態掛片法研究防膨劑主要成分對腐蝕速率的影響，實驗結果見圖1。由圖1可知，加入NaCl后，腐蝕速率僅增加7.4%。而NH4Cl的加入使水質腐蝕速率增加到原來的2.5倍，NH4+的存在嚴重影響腐蝕速率。

圖1 防膨劑中不同成分對腐蝕速率的影響

表1 驗證對腐蝕速率影響所用溶液離子濃度mg/L

表1 驗證對腐蝕速率影響所用溶液離子濃度mg/L

離子含量Cl-NH4NaCl 9 847 Na2SO4-+ SO42---NH4Cl 9 847 4 993 -(NH4)2SO4-4 993 13 592 13 592

圖2 不同溶液組成對20#碳鋼腐蝕速率的影響

由于高濃度的Cl-對溶液腐蝕速率的影響僅依靠掛片法無法體現，因此采用電化學極化曲線法進一步研究Cl-濃度對腐蝕速率的影響，實驗過程中采用通氮除氧方式排除溶解氧的影響。結果表明，相同電極電位下，隨著Cl-濃度的升高，陰極極化電流密度幾乎沒有變化，而在鈍化區域內，陽極極化電流密度逐步升高，點蝕趨勢增強。表明Cl-濃度的變化主要影響電化學反應的陽極過程，隨著Cl-濃度升高，溶液腐蝕性增強。電極電位為-0.55 V時，Cl-濃度為10 000 mg/L，與含防膨劑注入水中Cl-濃度近似，與空白相比，相同電極電位下電流密度提高至原來的2.3倍。

1.2 溶解氧

采用靜態掛片法和電化學法考察溶解氧的存在對腐蝕速率的影響。溶解氧的去除采用先通氮除氧，再用氮氣對溶液進行保護的方式，試驗結果見圖3。由圖3可知，通氮除氧后，溶解氧含量由最初的8.74 mg/L降低至0.015 mg/L，腐蝕速率降至0.001 mm/a，溶解氧的去除可降低介質腐蝕性。溶解氧影響電化學反應的陰極過程，去除溶解氧后會降低陰極電流密度，增大反應電阻，減緩腐蝕速率。

圖3 溶解氧對腐蝕速率的影響

2 分析討論

依據以上試驗結果，結合Cl-腐蝕的酸化自催化理論，分析呼倫貝爾油田注水系統腐蝕機理。腐蝕的初始階段，金屬表面的氧化膜具有新陳代謝和自我修補的功能，如果膜吸附了活性陰離子（如氯離子），平衡受到破壞，溶解占優勢。其原因是氯離子能優先、有選擇地吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，形成競爭吸附；氧化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，在新露出的基體金屬表面生成腐蝕點，若金屬表面上存在硫化物，活性部位將優先在氧化物夾雜、晶界碳化物析出或氧化膜的缺陷處形成。除此之外，溶解氧的存在促使活性部位作為腐蝕源并進一步擴大，溶解氧起到氧化劑的作用，促進陰極過程的發生。

發生金屬的溶解時，金屬離子濃度升高并發生水解，生成氫離子，使附近溶液中的pH值下降，NH4+水解生成NH3·H2O，其與Fe2+絡合，加大Fe2+在水中的溶解度，促使反應平衡向右發生，加速了金屬的溶解，使腐蝕加劇。同時，在鄰近位置發生氧的還原。這個過程是自身促進和發展的，金屬在活性部位的迅速溶解會引起該部位產生過多的陽離子。為保持電中性，陰離子（Cl-等）向活性部位遷移，也造成Cl-濃度升高，隨著腐蝕深度的增加和腐蝕產物覆蓋坑口，溶解氧難以擴散到活性部位，進而形成閉塞電池。閉塞電池形成后，內外物質的遷移更為困難，活性部位的氯化物濃度更加濃縮，氯化物的水解使介質酸度進一步增加。pH值降低，更加促進陽極溶解，稱為自催化酸化作用，腐蝕活性部位的酸性環境使得該位置處于活性狀態，為陽極；而其余金屬表面處于鈍態，為陰極，構成活化-鈍化電池，加速局部腐蝕的發生。具體反應過程如下：

（1）活性部位底部，Fe發生溶解反應：Fe→Fe2+＋2e。

（2）Fe2+發生水解反應：Fe2+＋H2O→Fe(OH)+＋H+。

（4）NH3·H2O與Fe2+絡合，加大Fe2+水中溶解度，促使反應平衡向右發生：NH3·H2O+Fe2+→Fe+H2O。

（5）孔口Fe2+和Fe(OH)+被溶解氧化：2Fe(OH)++ 1/2O2+2H+→2Fe(OH)2++H2O；2Fe2+＋1/2O2+2H+→2Fe3++H2O。

（6）反應產物隨后發生水解：Fe(OH)2++H2O→Fe(O+H+；Fe3++H2O→Fe(OH)2++H+。

（7）形成腐蝕產物沉積：2Fe(OH)2++Fe2++ 2H2O→Fe3O4+6H+；Fe(OH)2++2OH-→FeOOH+H2O。

（8）活性部位以外，溶解氧的還原和鐵銹的還原：O2+2H2O+4e→4OH-；3FeOOH+e→Fe3O4+H2O+ OH-。

3 結論

呼倫貝爾油田注水系統的腐蝕機理為：溶解氧的陰極去極化作用、防膨劑中Cl-的自催化酸化效應和NH4+水解產物的絡合作用，相互聯合，共同促進，加大了水質的腐蝕性。現場作業區可依據以上腐蝕機理，控制注水系統中的溶解氧含量，有針對性地研究緩蝕劑配方或選擇防腐材質和涂層，制定出經濟有效的防腐措施。

[1]孫彥吉．海拉爾油田注水管道內腐蝕原因分析及對策[J]．腐蝕與防護，2013（2）：180-182.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.013

劉威：工學碩士，工程師，2012年畢業于吉林大學高分子化學與物理專業，從事油田化學劑研究和應用工作。

2015-05-14

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