含油污水過濾器集水管腐蝕沉積的影響與控制

賀玉楚(中國石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

0 引言

油田開發過程中，為了保持地層壓力、提高原油采收率而注入的水(包括化學驅油劑、蒸汽等)會與原始地層水一起隨著原油開采被不斷采出，從這種采出含水原油中分離出的污水統稱為含油污水[1]。高效處理并充分利用油田污水資源，對于提高油田總體開發效益具有重要的作用和地位[2-3]。

作為油田地面系統一項復雜的工程，國內外對含油污水的處理主要是基于對給水處理技術的借鑒和發展，大多數采用除油、過濾的多級處理模式，其中，除油段設備一般為立式除油罐，過濾段設備則一般為粒料壓力過濾器[4]。然而，含油污水作為一種含有固體雜質、液體雜質、溶解鹽類和溶解氣體等的較復雜多相體系，其所含雜質性質與油藏地質條件、采油方式、原油集輸條件等因素密切相關，尤其隨著三次采油化學驅技術的應用，化學驅油劑不同程度返出，含油污水水質特性由于各種驅油劑的存在而發生顯著改變[7-9]，在過濾器運行實踐中暴露出因其集水支管發生顯著的腐蝕沉積而使處理后水質波動、過濾器反沖洗壓力升高及過濾系統整體運行不穩定等諸多問題[10]。

1 含油污水水質特性及穩定性

針對三元復合驅含油污水含聚合物、表面活性劑等驅油劑，以及pH值高的特點，分析三元復合驅含油污水的水質特性，并理論預測其穩定性。

1.1 腐蝕結垢傾向判別方法

依據自身水質特性來預測其腐蝕結垢傾向是評判水質穩定性的基本手段。早在1952年，Stiff 和 Davis就針對CaCO3結垢趨勢的預測，考慮系統的熱力學條件提出了飽和指數法[11]，之后，Ryznar發展的穩定指數法是一種適用于高礦化度、高pH值水質的常用判別方法[12]：

式中：SAI為穩定指數，也就是腐蝕結垢傾向指數；pH為含油污水的實際pH值；pHs為含油污水中CaCO3飽和時的pH值；K為常數，可通過水溫與離子強度的函數關系曲線查取；pCa為鈣離子濃度的負對數，pCa=-log[Ca2+]，mol/L；pAlk為總堿度濃度的負對數

對于該判別方法，當5.06.0時，由結垢向腐蝕傾向轉變，當SAI>7.5時，存在嚴重腐蝕傾向。

1.2 水質特性及穩定性分析

在三元復合驅油中，聚合物、堿、表面活性劑隨原油、污水由井口采出，經油水分離后得到的含有這三種驅油劑的含油污水，這類含油污水的基本特點是水相礦化度高、粘度大、油珠尺寸小、初始含油量高、負電性強、界面張力低、體系穩定、油珠聚并、浮升困難、處理難度大，當然在不同驅油劑含量下，污水的水質又存有差別[13]，如表1所示。

2 腐蝕沉積物組成特性分析

從電鏡掃描中可以看到：腐蝕沉積物微觀形貌觀察反映出集水支管的腐蝕沉積物呈形態各異的顆粒，有緊密的球形、橢球形以及較疏松的團狀顆粒等，判別屬于硅鋁酸鹽、硅垢的形貌。結合圖1所示的能譜元素分析結果，認為這是硫化亞鐵(FeS)、碳酸鈣(CaCO3)和三氧化二鐵(Fe2O3)的聚集體，且據重量百分比和原子百分比可推斷沉積物構成中以FeS和Fe2O3為主。顯然，并不完全一致于對水質穩定性的預測，過濾器集水支管中腐蝕沉積也非常顯著。

3 集水支管腐蝕沉積影響因素研究

按照過濾器集水支管的材質，加工設計腐蝕試片，室內動態試片模擬實驗研究過濾器集水支管腐蝕沉積影響因素。

表1 含油污水水質特性及穩定性

圖1 腐蝕沉積物的能譜分析

3.1 實驗裝置建立

按照實驗需要建立一個簡化設計結構過濾器，在其底部集水空間安放多級試片懸掛器。其中氣動開閉系統方便實驗過程中腐蝕試片懸掛器的取放。

3.2 實驗條件及方法

實驗試片根據實際過濾器集水支管材質加工制作規格為50mm×25mm×2mm的普通碳鋼試片。

三元復合驅含油污水樣品含驅油劑聚合物濃度分別為46mg/L、118mg/L、196mg/L、300mg/L、500mg/L 和700mg/L；含驅油劑表面活性劑濃度分別為50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、300mg/L 和400mg/L；pH 值為7.80、9.32、11.56 和13.24。

在實驗過程中，啟泵對不同驅油劑含量的含油污水進行循環過濾，接觸、水浸集水空間的多級試片，運行預定時間后，取出多級試片，通過實驗前后試片的質量變化，以失重法確定腐蝕速率。多級試片平行實驗用于后續腐蝕沉積的清洗控制。

3.3 污水中聚合物濃度的影響

動態試片模擬實驗結果表明，6種聚合物濃度含油污水的平均腐蝕速率依次為0.0902mm/a、0.0834mm/a、0.0852mm/a、0.0794mm/a、0.0790mm/a和0.0816mm/a，腐蝕均表現為活性溶解。有的聚合物濃度下含油污水自腐蝕電位負移，塔菲爾斜率增大，腐蝕傾向增加；有的聚合物濃度下則自腐蝕電位數值反而更正，塔菲爾斜率減小，含油污水中降解聚合物會在材質表面產生一定量的吸附，總體表現出含有的驅油劑聚合物對含油污水所引起腐蝕有一定的緩蝕作用。

3.4 污水pH值的影響

結果表明4種pH值含油污水的平均腐蝕速率依次為0.0860mm/a、0.0837mm/a、0.0659mm/a 和0.0616mm/a。隨pH 值的升高，極化曲線的陽極部分變化明顯，當pH值大于9.32后，由單一的活性溶解特征逐漸變為以穩定的鈍化區間為特征，且鈍化區域不斷趨于穩定，呈現一定寬度的鈍化區間。鈍化能力的增加，將使材質表面形成的堿性保護膜更致密，抵抗腐蝕介質的作用增強。當堿性環境下極化電位大于某一值后，極化曲線又發生點蝕破壞，這與實驗試片上所呈現的“點蝕”現象相吻合。

3.5 污水中表面活性劑濃度的影響

在實驗濃度范圍內，當含油污水中的表面活性劑濃度在200mg/L以內時，濃度升高，含油污水的腐蝕速率減小，揭示出表面活性劑在腐蝕材質表面吸附，起到了緩蝕作用，且吸附量隨濃度的增加而加大，緩蝕率逐漸上升。但濃度超過200mg/L后，緩蝕效應則下降，分析認為，超過該濃度后，分子優先從電極表面脫附，并在含油污水水相中聚集形成膠束，造成表面活性劑在腐蝕材質表面的覆蓋率下降，緩蝕效應被消弱，腐蝕速率又增加。

3.6 污水中細菌的影響

含油污水中菌類數量的減少能有效緩解腐蝕，減少沉積。分析認為，這是由于氫化酶的作用使硫酸鹽還原菌(SRB)產生腐蝕，SRB的氫化酶可在金屬表面上的陰極部位把硫酸根還原為硫離子和初生態氧，初生態氧在陰極使吸附于陰極表面的氫去極化而生成水，從而也就使SRB起到了陰極去極化作用，加速普通碳鋼的腐蝕過程。鐵細菌(FB)的代謝產物為大量高價鐵，這些高價鐵進而會形成不溶性的鐵化合物，在含油污水過濾運行中，這些不溶性鐵化合物會形成粘泥而附著在集水支管管壁上，構成濃差電池，加劇腐蝕行為。

綜上，三元復合驅含油污水對腐蝕具有不同程度的阻礙作用，如堿含量增多、pH值增大，會在集水支管表面形成鈍化保護膜，抵抗腐蝕，但緣于在實際生產運行中，集水支管內表面的這種吸附成膜并不會很均勻(甚至會極不均勻)，產生局部效應，導致集水支管的腐蝕并不是簡單地隨某一因素改變而呈遞增或遞減的規律性，而是一種比較復雜的協同作用機理和過程，這些對腐蝕的正、逆向作用最終造成集水支管沉積物中腐蝕垢組分居多。

4 集水支管腐蝕沉積清洗控制

除了內涂層等預防控制集水支管腐蝕沉積行為的措施外，酸洗、堿洗無疑是有效清除和沖刷腐蝕沉積物中酸溶物、堿溶物的直接性控制措施。

4.1 清洗液體系評價篩選

考慮通過集分散、剝離、溶解、鈍化、沖洗、攜帶和排液機制來實現對過濾器集水支管中腐蝕沉積物的清除，針對腐蝕沉積物的組成特性，選擇鹽酸作為清洗液的酸體系，設計其濃度為5%、8%、10%、12%和15%，并復配表面活性劑以分散、去除沉積物中的有機油質成分，設計其濃度為0.02%、0.03%和0.05%；為阻止酸液體系對過濾器部件設施帶來二次腐蝕，選擇水溶性環烷酸咪唑啉作為緩蝕劑，設計其濃度為0.03%、0.05%和0.08%；為了實現酸洗后對附著腐蝕沉積物的集水支管內表面進行鈍化處理，選擇3%的Na3PO4溶液作為鈍化劑，并摻入0.5%的氫氧化鈉堿液，以起到對多余酸環境有效中和的作用。

4.2 應用效果評價

篩選出的酸液清洗體系應用于礦場，清洗處理了兩座三元復合驅含油污水石英砂粒料壓力過濾器的集水支管，該兩座過濾器在清洗處理措施前反沖洗憋壓嚴重，過濾后出水水質含油、懸浮物波動大，難以保證處理水質的達標。清洗處理措施后，過濾器反沖洗壓力大幅降低，反沖洗同期排量倍增，跟蹤應用后運行半年時間內的過濾出水水質含油量和懸浮物含量變化，如圖8，反映出過濾出水平均含油量和懸浮物含量分別降低了24.05%和30.11%，且水質保持穩定，揭示出二次污染小，這種集水支管腐蝕沉積清洗控制措施在改善水質、穩定過濾系統運行方面效果顯著。

5 結語

(1)三元復合驅含油污水粘度較大、pH值較高、HCO3-濃度上升顯著，同時含有一定量可溶性硅是其具有的典型特征，穩定指數法預測其水質在熱力學系統中存在嚴重結垢傾向。

(2)三元復合驅含油污水過濾器集水管實際的沉積是腐蝕與結垢相伴的過程，腐蝕沉積行為屬于以堿溶硅酸鹽礦物引起硅垢的形成、沉積為先導，進而發生晶核的聚集、形成、長大與黏結過程。

(3)基于分散、剝離、溶解、鈍化、沖洗、攜帶、排液機理篩選的酸液清洗體系可使同期集水管沉積物減少40%以上，實例應用跟蹤過濾出水水質的含油量和懸浮物含量反映出二者平均分別降低24.05%和30.11%，同時，過濾器的反沖洗同期排量增加1倍以上。