某油田油井鋼材腐蝕及緩蝕劑研究

王 丹，劉 陽，孟廣偉，李 靜

1.中國石油工程項目管理公司天津設計院，天津 300457

2.國家管網北方管道公司，河北廊坊 065000

3.天津中油科遠石油工程有限責任公司，天津 300280

大港油田采油三廠所轄油井地層溫度高，污水中腐蝕性氣體（硫化氫、二氧化碳）含量高，礦化度高[1]，導致油井抽油桿、油管等嚴重腐蝕，由腐蝕導致的抽油桿斷裂、油管泄漏等增加了油井停產檢修的頻率，影響了油田正常生產，油井腐蝕成為制約油田提質增效的重要因素之一，每年用于治理油井腐蝕結垢發生的費用就近千萬元，目前仍有上升的趨勢。油井腐蝕結垢不僅造成油田的經濟損失，還增加了其安全隱患，特別是因腐蝕導致的泄漏等問題，常常會引發嚴重的環境污染和爆炸等事故。

1 腐蝕現狀調查

1.1 油井鋼材腐蝕現狀

大港油田采油三廠地區油井井深在2 000 m以上，井底流體溫度高，通常在80～100℃之間，高溫情況下一般緩蝕藥物難以發揮作用，效果不佳。對大港油田900多口單井進行了調查，其中腐蝕較為嚴重的油井172口，約占油井總數的18.6%。圖1、圖2所示為典型單井的腐蝕情況，從圖中可以看出抽油桿和油管的嚴重腐蝕程度。

圖1 典型單井抽油桿腐蝕現狀

圖2 典型單井油管腐蝕現狀

1.2 油井水樣成分分析

對大港油田采油三廠所轄油井的典型油井水樣進行了取樣分析，抽檢井號為官18-17（1#）、小6-0-2（2#）、棗1269-1（3#），水質分析結果見表1。由表1可知，1#單井污水的礦化度較高，為19 992.7 mg/L，腐蝕性氣體硫化氫含量較高，質量濃度為10 mg/L，腐蝕結垢趨勢屬于嚴重腐蝕；2#單井污水中硫化氫質量濃度為5 mg/L，腐蝕結垢趨勢屬于輕微結垢；3#單井污水中礦化度高，質量濃度在20 000 mg/L以上，且硫化氫質量濃度為12.8 mg/L，故腐蝕較嚴重，污水腐蝕結垢趨勢屬于輕微結垢。

表1 水質分析結果 單位：mg/L

2 大港油田油井常用鋼材腐蝕因素分析

目前，根據對大港油田油井常用鋼材腐蝕結垢現狀的調查分析，認為腐蝕的主要影響因素有腐蝕性氣體（硫化氫）、礦化度、溫度和硫酸鹽還原菌等，現對這些影響因素進行以下的深入分析[2-3]。

2.1 腐蝕性氣體（硫化氫）

大港油田污水中腐蝕性氣體（硫化氫） 含量高，硫化氫極易溶于水，溶解之后為弱酸性，其造成的腐蝕多為局部壁厚減薄、點蝕和穿孔等；局部腐蝕發生在局部小范圍區域內，其腐蝕速率往往比預測的均勻腐蝕速率快數倍或數十倍；腐蝕產物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS，部分腐蝕產物附著在抽油桿上，導致抽油桿結垢和嚴重腐蝕，同時使得抽油桿表面粗糙，易于磨損。

2.2 硫酸鹽還原菌

大港油田油井含有硫酸鹽還原菌，硫酸鹽還原菌在其生長發育過程中起到去極化作用，可加速金屬腐蝕，在菌團的周圍和底部的金屬易產生坑蝕和點蝕，腐蝕產物通常是黑色的帶有難聞氣味的硫化物。硫酸鹽還原菌所具有的氫化酶能移去陰極區氫離子，促進腐蝕過程的陰極去極化反應。

2.3 溫度

油井產出液溫度隨井深的增加而升高，大港油田油井采出液溫度從地面到井底的溫度變化范圍在40～100℃之間。為了驗證溫度對腐蝕速率的具體影響，進行了溫度對腐蝕速率影響的室內試驗，其中恒溫時長為7 d，溫度對油井常用20鋼腐蝕影響的試驗結果見圖3。

圖3 溫度對油井常用20鋼腐蝕速率的影響

由圖3可知，腐蝕速率隨著溫度的升高而急劇增加，但溫度達到80℃后，腐蝕速率的增加趨勢減緩，可知溫度的變化是影響油田油井常用鋼腐蝕的一個重要因素。

2.4 礦化度

通常，污水的特點是礦化度高、含鹽量高，含鹽量高的污水其電導率高，因而腐蝕速度通常隨鹽濃度的增加而增加。采出水的另一個特點是氯離子含量高，占總含鹽量的50%～60%，氯離子的體積小、穿透性強，能穿透到金屬保護膜的內部，導致出現兩種不良影響，一是破壞金屬保護膜，使介質與金屬直接接觸，二是與鐵的腐蝕產物Fe2+形成FeCl2，加速了腐蝕。

大港油田污水礦化度在10 000～50 000 mg/L之間。為了驗證礦化度的影響，對不同礦化度的污水進行20鋼的腐蝕試驗，污水礦化度用NaCl調為50 000 mg/L，然后用蒸餾水稀釋為5種不同的濃度，除氧后進行腐蝕掛片試驗，試驗溫度為50℃，恒溫時長為7 d，礦化度對油井常用20鋼腐蝕影響的試驗結果見圖4。

圖4 礦化度對油井常用20鋼腐蝕速率的影響

由圖4可知，隨著礦化度的升高，腐蝕速率明顯升高，當礦化度到達40 000 mg/L左右時，腐蝕速率反而降低。大港油田污水礦化度多在40000mg/L左右，因此造成油井20鋼污水腐蝕的日趨嚴重。

根據上述對油井采出水腐蝕因素的分析，認為需要研制出一款適用于大港油田采油三廠地區的緩蝕劑，以有效避免上述因素對油井常用鋼材的腐蝕。

3 緩蝕劑的研發

針對大港油田采油三廠地區的污水進行了緩蝕劑的篩選，通過試驗發現咪唑啉類緩蝕劑[4-6]對該地區油井常用鋼具有較好的緩蝕效果。隨后通過試驗進行藥劑單體的合成生產，以滿足采油三廠地區油井的需求。

3.1 試驗原料、儀器和方法

原料：咪唑啉類緩蝕劑、葡萄糖酸、氫氧化鈉、殺菌劑、阻垢劑等。儀器：電子天平、反應釜、廣口瓶、烘箱、動態腐蝕速率測定儀。本試驗采用失重法[7]，所用的腐蝕掛片為20鋼，其化學成分見表2。

表2 20鋼化學成分

3.2 緩蝕藥劑的合成與復配

采用上述原料進行配比合成、復配，制備出三種KYHS系列緩蝕劑，分別為KYHS-5、KYHS-6、KYHS-7。三種緩蝕劑均為水溶性，顏色為黃棕色，pH在6～8之間，凝點在-5～-17℃之間。KYHS-5緩蝕劑主要成分為油酸基咪唑啉季銨鹽緩蝕劑，根據現場需要復配一定量其余藥劑。KYHS-6緩蝕劑是以油酸基咪唑啉季銨鹽緩蝕劑為主要成分，復配一定量殺菌劑而制成。KYHS-7緩蝕劑是以油酸基咪唑啉季銨鹽緩蝕劑為主要成分，復配一定量阻垢劑而制成。

3.3 KYHS系列緩蝕劑性能測試

針對1#、2#、3#油井水質，對KYHS系列緩蝕劑進行了試驗效果檢驗，試驗溫度為80℃，緩蝕劑質量濃度為60 mg/L，具體試驗結果見表3。

表3 KYHS系列緩蝕劑試驗數據

由表3可知，緩蝕劑質量濃度為60 mg/L時，KYHS-7對1#油井水質具有較好的緩蝕效果，KYHS-5對2#油井水質具有較好的緩蝕效果，KYHS-6對3#油井水質具有較好的緩蝕效果。

3.4 KYHS系列緩蝕劑濃度的影響試驗

3.4.1 KYHS-7緩蝕劑濃度的影響試驗

試驗溫度為80℃時，不同濃度緩蝕劑對1#油井污水腐蝕速率的影響見表4。從表4可知，當緩蝕劑質量濃度≥60 mg/L時，緩蝕率＞90%，試片表面光滑。

表4 KYHS-7試驗結果

3.4.2 KYHS-5緩蝕劑濃度的影響試驗

試驗溫度為80℃時，不同濃度緩蝕劑對2#油井污水腐蝕速率的影響見表5。從表中可以看出，當緩蝕劑質量濃度≥80 mg/L時，緩蝕率＞85%，試片表面光滑。

表5 KYHS-5試驗結果

3.4.3 KYHS-6緩蝕劑濃度的影響試驗

試驗溫度為80℃時，不同濃度緩蝕劑對3#油井污水腐蝕速率的影響見表6。從表中可以看出，當緩蝕劑質量濃度≥80 mg/L時，緩蝕率＞90%，試片表面光滑。

表6 KYHS-6試驗結果

4 緩蝕劑的應用效果

結合上述試驗結果，并從經濟實用性考慮，認為當KYHS-7緩蝕劑質量濃度為60 mg/L時，對1#油井具有較好的緩蝕效果；當KYHS-5緩蝕劑質量濃度為80 mg/L時，對2#油井具有較好的緩蝕效果；當KYHS-6緩蝕劑質量濃度為80 mg/L時，對3#油井具有較好的緩蝕效果。把上述研究結果應用于大港油田進行效果驗證，分別對1#、2#、3#油井實施化學治理和跟蹤，對三口油井采出液的腐蝕速率進行檢測，結果見表7。

表7 采出液腐蝕速率檢測結果

從表中可以看出，加藥后油井鋼材腐蝕速率主要分布在0.010 8～0.02 mm/a之間，試片光滑，腐蝕速率均達到小于考核指標（0.076 mm/a） 的要求，保證了油井的安全生產。

5 結束語

采用室內試驗方法研究了大港油田油井鋼材腐蝕情況，分別對溫度、硫酸鹽還原菌、硫化氫、礦化度等腐蝕影響因素進行深入研究，并針對性地研制了應用于大港油田油井常用20鋼材的KYHS系列有機緩蝕劑。研究結果表明，新型KYHS系列有機緩蝕劑能有效降低鋼材腐蝕速率，當緩蝕劑添加質量濃度在60～80 mg/L時，緩蝕率＞90%，20鋼材試片表面光滑，因此推薦采用添加KYHS系列有機緩蝕劑的方法控制油井鋼材腐蝕。此外，為保證正確使用KYHS系列有機緩蝕劑，要求在油井生產運行過程中，嚴格檢測污水水質情況，監控緩蝕劑加藥量，測試油井鋼材腐蝕速率，以避免因腐蝕結垢而造成油井返修及躺井。

目前，該緩蝕劑已用于大港油田其他油井的化學治理，由于試驗時間較短，加藥效果仍在繼續跟蹤觀察中。但已有的研究結果表明，該緩蝕劑適合在大港油田廣泛推廣應用。