基于正交試驗的油田腐蝕結垢主控因素分析*

王營營，申 超，宋祖廠，楊海超

(1.中國石油大港油田采油工藝研究院,天津 300280；2.中國石油大港油田第三采油廠,天津 300280)

大港油田污水礦化度高(23 960 mg/L)、溫度高(45～73 ℃)、腐蝕性氣體質量濃度高(3 000 mg/L)、硫酸鹽還原菌(SRB)數量超標(700個/mL)，造成地面管網、集輸設備及注水井筒腐蝕結垢嚴重，給油田開發和生產帶來了巨大危害[1-2]。目前針對油田注水系統腐蝕結垢原因及機理的研究較多，通過室內靜態腐蝕試驗以及現場腐蝕掛片試驗可大致掌握現場的腐蝕情況，并獲知硫化氫含量、溫度和SRB數量等因素對腐蝕的影響程度，但是影響腐蝕結垢的主控因素尚不明確[3-5]。由于未考慮各因素協同作用的影響，腐蝕結垢機理仍需要進行深入研究[6-7]。根據大港油田GL-2典型區塊的現役工況條件，設計正交試驗，揭示出多因素耦合作用下腐蝕結垢的主控因素。

1 正交試驗原理

正交試驗方法是比較常用的研究主控因素的方法，是研究與處理多因素試驗的一種科學有效的方法。該方法利用規格化的正交表進行試驗設計，得到的試驗結果再用數理統計方法進行處理，從而得出科學結論。正交試驗能夠在因素變化范圍內均衡抽樣，使每次試驗均具有較強的代表性，滿足全面試驗的要求，能夠較好或更好地達到試驗的目的。正交試驗能否真實反映現場情況主要取決于影響因素和水平值的選擇。

2 正交試驗方案設計

正交試驗方案設計要同時考慮影響因素的個數與范圍以及正交規格表的選擇。表1為大港油田GL-2區塊的現役工況。根據GL-2區塊的現役工況，確定其主控因素的分析采用L9(34)正交表，安排4個因素，每個因素取3個水平值。

表1 GL-2區塊的現役工況

2.1 影響因素的選擇

2.1.1 溫 度

溫度的選擇應該覆蓋現役工況溫度范圍，尤其要考慮到高溫的影響，因此，溫度水平值設定為40 ℃，60 ℃和90 ℃。

2.1.2 CO2質量濃度

參考表1中CO2質量濃度測量結果，并考慮數據波動的極值情況，將CO2質量濃度水平值設定為測量值的平均值、最小值(下浮50%)、最大值(上浮50%)。CO2質量濃度的三個水平值分別設定為79 mg/L，33 mg/L和132 mg/L。

2.1.3 SRB數量

SRB數量的選擇需要同時考慮SRB的測量值、活性和生長特點，SRB數量的水平值分別設定為100個/mL，1 000個/mL和10 000個/mL。

2.1.4 硫化物質量濃度

正交試驗結果可靠性的關鍵在于各因素水平值的精確控制，試驗中最難控制的因素為硫化物質量濃度。為了更加貼近現場環境，制定了兩個試驗方案來控制硫化物質量濃度：第一個方案為Na2S試驗方案，即通過往介質中加入Na2S來實現試驗環境與現場環境的一致，Na2S質量濃度的水平值分別設定為20 mg/L，62 mg/L和147 mg/L；第二個方案為H2S試驗方案，即通過往介質中通入H2S氣體，能夠直接模擬實際注水系統中的H2S腐蝕環境，在腐蝕動力學上與實際情況較為符合，但其缺點是在試驗過程中會引起介質pH值的變化，H2S質量濃度的水平值分別設定為0 mg/L，20 mg/L和45 mg/L。

2.2 正交試驗數據處理

根據正交試驗的基本原理，對試驗數據進行處理：第一步，計算每個因素各水平值導致結果(腐蝕速率)的綜合評分；第二步，計算每個因素各水平值導致結果的平均評分；第三步，計算每個因素各水平值導致結果的平均評分的極差值R，即平均評分的最大值減去最小值；第四步，根據極差值R的大小進行排序，R值最大的因素即為腐蝕結垢主控因素。

3 正交試驗方法及設備

正交試驗采用電化學測試方法，測試儀器為Parstat 2273電化學工作站(見圖1)。所用裝置為標準三電極體系，如圖2所示，三電極體系中測試試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。將三電極體系放置在HH-2數顯恒溫水浴鍋(見圖3)中調節試驗溫度。

圖1 Parstat 2273電化學工作站

圖2 電化學測試三電極體系

圖3 HH-2數顯恒溫水浴鍋

工作電極采用20號碳鋼試樣，尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，試樣背面與導線相連，并采用環氧樹脂覆蓋，只露出一個面積為0.5 cm2的工作面，采用800號碳化硅砂紙對試樣表面進行打磨。試驗所用的腐蝕介質根據GL-2區塊的污水成分配制而成。

培養的細菌樣本如圖4所示。培養細菌時，需要在現場采集水樣，將水樣密封并在4 ℃冷藏保存后對其中的細菌進行分離培養，獲得SRB的生長曲線，預測其到達目標濃度時開始試驗。

圖4 培養的細菌樣本

對電化學測試所得的極化曲線進行參數擬合可以得到腐蝕電流密度(Icorr)，然后根據法拉第定律計算腐蝕速率(CR)，將其作為腐蝕結垢主控因素的評價參數，其計算公式如下：

(1)

式中:A為原子量;Icorr為腐蝕電流密度，A/cm2；n為電化學反應轉移的電子數；F為法拉第常數(1 F=26.8 A·h)；ρ為金屬的密度，g/cm3。對于碳鋼而言，A為55.845，ρ為7.85 g/cm3，n為2。

4 正交試驗結果

圖5和圖6分別為Na2S和H2S正交試驗的動電位極化曲線，對其進行參數擬合獲取腐蝕電流密度，進而根據法拉第定律計算腐蝕速率。

根據極化曲線擬合得到的正交試驗結果見表2和表3。

圖5 Na2S正交試驗的動電位極化曲線

圖6 H2S正交試驗的動電位極化曲線

表2 Na2S正交試驗結果

表3 H2S正交試驗結果

根據正交試驗原理計算得到的極差值同樣列在表2和表3中，將極差值進行排序便可得到相應的影響因素排序,結果見表4。

表4 兩種方案中各影響因素排序

根據表4的結果可以認為，在正交試驗所設置的參數范圍內，溫度是GL-2區塊注水系統碳鋼管線腐蝕的主控因素，其次是SRB的作用，硫化物和CO2對腐蝕的影響程度較小，這說明在注水系統現役工況條件下，溫度對腐蝕速率的影響最大。

5 結論及建議

多因素耦合正交試驗結果表明：在GL-2區塊注水系統中,對碳鋼管線腐蝕速率影響最大的因素是溫度，其次是SRB數量，硫化物和二氧化碳含量影響較小。腐蝕結垢治理不僅要考慮緩蝕阻垢劑的耐溫性能和緩蝕性能，還應重點考察其殺菌作用，因為SRB的存在會加速碳鋼的腐蝕，其影響程度僅次于溫度。建議對地面管線進行定期清理，抑制SRB繁殖生長，避免垢下腐蝕穿孔。通過正交試驗明確了腐蝕結垢主控因素，取得了腐蝕結垢機理的初步認識，為油田的水質控制和阻垢劑研究明確了方向。