某海上平臺注水海管的腐蝕原因分析

吳華林 趙元元 楊 陽 柴圓圓

（1. 中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570311；2. 中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452；3. 海油來博（天津）科技股份有限公司，天津 300451）

0 引言

油田投入開采后，隨著時間增長，地層壓力逐漸減小，原油無法再通過地層壓力流出，此時需要通過注水方式補充地下壓力損失，并將原油從地下驅替到地面上來。油田注水主要通過注水管道實現，注水管道運行的穩定性對石油開采有著重要的意義，水質pH值、含氧量、酸性氣體（如H2S、CO2）和細菌等是引發注水管道腐蝕的重要誘因[1-3]。因此全面科學監測，采取恰當的防腐措施，才能提高注水管道運行的穩定性。

某海上平臺注水管道于1997年投入使用，本文通過多種檢測手段對注水海管的腐蝕情況進行綜合分析，確定腐蝕程度和原因，并提出相應的腐蝕控制方案與措施。

1 注水海管的基礎信息與運行監測數據

1.1 注水海管的基礎信息

該平臺注水海管于1997年投產，海管結構為單層管，長度1.5km，內徑146.3mm，設計壽命為15年。基礎信息如表1所示。

表1 注水海管基礎信息

1.2 海管運行工況

對該注水海管在1997年～2021年期間運行溫度維持在40～60℃之間，海管設計溫度為70℃，海管運行期間無超溫工況。運行壓力基本均在2.5MPa以下，未超過設計壓力4.5MPa。海管輸水量最大值為3038m3/d，平均輸水量為976.8m3/d，根據輸水量計算海管運行期間最高流速為2.09m/s，平均流速為0.67m/s。

1.3 輸送介質成分分析

該海管為注水海管。如表2所示，水質檢測結果顯示輸送介質呈弱堿性，水型為CaCl2型，水質總礦化在9000～9500mg/L，屬于高礦化度水型。

1.4 清管情況分析

該平臺注水海管自2000年至2018年期間，每年使用泡沫清管球清管1～3次，清出物只有部分浮油及油泥，無明顯垢片及顆粒雜質。2019～2021年間，使用了清管效果較強的機械皮碗球、機械刮板球與機械直板球，清出垢片及砂狀顆料物共計約180kg。

2 管道內腐蝕探究

2.1 垢樣分析

海管2019～2021年間的清管產物外觀為黑色，其中機械雜質含量最高為60.04%。采用XRD和XRF對清管產物進行組分分析，如表3所示，在金屬元素含量中，Fe含量為65.8%；非金屬元素中，C含量為4%，S含量為3.8%。XRD檢測結果顯示結晶主體存在FeCO3、FeO（OH）和Fe3O4，均為氧腐蝕產物。因此，推測氧是引起海管內壁腐蝕的主要因素[4]。

2.2 CO2和SO2含量監測結果

目前油氣工業中根據CO2分壓判斷CO2腐蝕性的經驗規律如下所示：

當CO2分壓低于0.021MPa（3psi）時，腐蝕可以忽略；

當CO2分壓為0.021～0.21MPa（3～30psi）時，中等腐蝕；

當CO2分壓高于0.21MPa（30psi）時，嚴重腐蝕。

判斷硫化物應力開裂根據標準SY/T 0599-1997《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂技術材料要求》中規定的“當氣體總壓（絕對壓力）大于或等于0.4MPa，硫化氫分壓大于或等于0.0003MPa時，稱為酸性天然氣，該天然氣可引起敏感材料發生硫化物應力開裂。”

該平臺主要開采流程中CO2和SO2含量檢測結果如表4所示。CO2含量最大值為2.1%，分壓均低于0.021MPa，管道內發生CO2腐蝕的可能性較低。各生產分離器中，H2S含量歷年監測最大值為20ppm。其分壓值遠低于標準SY/T 0599-1997《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂技術材料要求》規定的0.0003MPa，因此海管硫化物應力開裂的可能性很小。

2.3 微生物實驗

在油氣田行業，引起腐蝕的主要微生物有硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細菌（FB）和腐生菌（TGB）這三大類[5]。

2020年10月，在該平臺注水海管出口取水樣，進行SRB、FB和TGB培養實驗。按照絕跡稀釋法設五級測試瓶，將需測定的水樣用無菌注射器逐級注入測試瓶中，在45oC恒溫箱中培養7d后讀數。其中SRB含量為110個/mL，FB含量為10000個/mL，TGB含量為0.6個/mL。

研究認為，鐵細菌主要以銹蝕垢形式參與，作用在高濃度氧區和金屬表面分成的小陽極點以及大范圍陰極區，通過氧濃差電池反應，在短時間內形成大量鐵氧化物沉積物。這與垢樣的XRD組分分析結果相一致。

2.4 腐蝕模擬試驗及腐蝕發展趨勢預測

鑒于2019～2021年間清管所得的垢片及砂狀顆料物較多，對這三年的腐蝕模擬試驗數據進行分析。平臺于海管入口處取水樣，試驗時間均為3天。具體試驗條件和試驗結果分別如表5和表6表示。腐蝕模擬實驗結果顯示，掛片均勻腐蝕速率為0.1755mm/a。

表5 腐蝕模擬試驗條件

表6 腐蝕模擬試驗結果

根據NACE RP0775-2005標準中腐蝕程度分級標準：均勻腐蝕速率小于0.025mm/a，屬于輕度腐蝕；均勻腐蝕速率介于0.025～0.12mm/a，屬于中度腐蝕；均勻腐蝕速率介于0.13～0.25mm/a，屬于高度腐蝕；均勻腐蝕速率大于0.25mm/a，屬于重度腐蝕，判斷該平臺注水海管屬于高度腐蝕。

按照DNV-RP-F101標準計算評估注水管道的內腐蝕剩余壽命，計算結果如表7所示，得到管道剩余使用壽命為25.12年。按照DNV-RP-F101進行剩余強度和剩余腐蝕壽命評估，截止到2021年10月，該海管剩余強度18.18MPa，超過最大允許操作壓力1.8 MPa和設計壓力4.5MPa，剩余強度足夠。

3 內腐蝕原因分析

該平臺注水管道于1997年投產，設計壽命為15年，目前已在海上服役超25年。2019年前，注水海管運行工況穩定，輸送的注水介質性質均呈弱堿性、CaCl2型，清管的清出物只有部分浮油及油泥，無明顯垢片及顆粒雜質。2019年以后，受輸送介質自身性質、溶解氧、管道結垢及細菌等情況影響，注水海管出現一定程度的腐蝕，下面對該海管中可能存在的腐蝕原因進行分析：

（1）輸送介質自身的影響

注水海管中水質為CaCl2型，Cl-含量較高，可以促進水質中的電化學反應進行。大量的Cl-富集在表面，使Fe失去電子生成Fe2+，加速了金屬的陽極溶解。Fe2+與OH-生成固體Fe（OH）2，Fe（OH）2在含氧介質中不穩定，和氧氣反應，再脫水后生成各種形態的鐵的氧化物，為形成垢下腐蝕提供環境。

海管注水中含有CO2和SO2氣體溶解其中，但2015～2020年間兩種氣體的含量持續很低。垢片的XRF檢測結果顯示，S元素含量為3.8%，但XRD中并無FeS的特征晶體衍射，只有少量FeCO3生成。因此可認為CO2和SO2不是該平臺注水海管腐蝕的主導因素；

（2）固體雜質及結垢情況的影響

海管在輸送介質流動速率較低及清管不充分的條件下會發生固體雜質沉積。注水海管中的固體雜質沉積主要包括砂、油泥、腐蝕產物（FeS、FeCO3等）以及水中離子結垢形成的碳酸鈣、硫酸鋇等物質。固體雜質沉積后往往會導致局部產生較為嚴重的沉積物下腐蝕（俗稱垢下腐蝕）。此外，細菌可能在油泥與結垢堆積處大量繁殖，從而造成局部腐蝕，加劇海管的腐蝕。

該海管流速平均流速為0.67m/s，流速較低，在管道高程高低起伏變化時，容易在管道低洼處聚集固體雜質。海管清管產物分析顯示機械雜質占比為60.04%，垢樣主體存在FeCO3、FeO（OH）和Fe3O4，產物整體呈黑色泥沙狀。從清管情況上看，2019～2021年當海管使用清管能力較強的機械皮碗球、機械刮板球與機械直板球時，清出垢片砂狀顆粒物較多，表明海管內存在結垢；

（3）溶解氧的影響

溶解氧對注水的腐蝕性有顯著影響，溶液中含有極低濃度的氧就可造成極為嚴重的腐蝕，如果同時有CO2或SO2氣體存在，腐蝕速度會急劇升高。溶解氧同時還有助于細菌，如好氧菌-鐵細菌的生長，加快腐蝕速率。

國內外油田還沒有統一的注水水質標準。一般情況下，地層水的總礦化度大于5000mg/L時溶解氧含量應低于0.05mg/L，總礦化度小于5000mg/L時溶解氧含量小于0.5mg/L。該平臺的注水管道總礦化度約9000～10000mg/L，溶解氧應低于0.05mg/L。

2020年10月，在該平臺注水海管出口處取的水樣，經多次檢測實際含氧量為0.12～0.15mg/L。井口采出液中通常不含O2，注水中的溶解氧主要來源于平臺工藝流程中溢入的空氣（二級真空度不足等）和水源井水中溶解的氧（水源井水除氧不徹底時會有殘留）。垢樣檢測結果中存在的FeO（OH）和Fe3O4為氧腐蝕產物[6]，這也驗證了海管輸送介質中內存在的溶解氧；

（4）微生物影響

該平臺注水海管出口處水樣SRB含量為110個/mL，FB含量為10000個/mL，TGB含量為0.6個/mL。其中FB和SRB是關系比較密切的伴生菌，鐵細菌是嗜氧菌，能把水中的Fe2+氧化成Fe3+，在短時間內產生大量的鐵氧化物沉積，堵塞管道，使管道受到腐蝕，同時將SRB包圍其中，為SRB細菌的生長創造了厭氧環境。因此形成了嗜氧菌與厭氧菌共同作用下的腐蝕[7]。

4 結語

該平臺注水海管已使用25年之久，預測剩余使用壽命約25年。海管的腐蝕主要由輸送介質中的溶解氧、管內結垢和細菌腐蝕共同作用引起。針對以上情況，提出以下幾點建議：

（1）保持目前的清管頻次，采用清管能力更強的清管球（如機械刮板球、機械直板球）清出管道內的垢樣，對清管效果（清出物成分組成、清出物固體雜質數量）進行追蹤評估，以便及時優化清管頻次和清管方式；

（2）可在清管后沖擊式加注殺菌劑進行海管內細菌控制，減少細菌滋生所造成的腐蝕；

（3）鑒于細菌含量較高，建議選用合適的殺菌劑，配合緩蝕劑等共同使用，抑制細菌繁殖和生長，以保護和延長注水海管使用壽命；

（4）關注溶解氧的含量變化情況，定期進行溶解氧和細菌等含量的檢測，以便及時采取措施。