王 丹，劉 陽(yáng)，孟廣偉，李 靜

1.中國(guó)石油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津 300457

2.國(guó)家管網(wǎng)北方管道公司，河北廊坊 065000

3.天津中油科遠(yuǎn)石油工程有限責(zé)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(dǎo)致油井抽油桿、油管等嚴(yán)重腐蝕，由腐蝕導(dǎo)致的抽油桿斷裂、油管泄漏等增加了油井停產(chǎn)檢修的頻率，影響了油田正常生產(chǎn)，油井腐蝕成為制約油田提質(zhì)增效的重要因素之一，每年用于治理油井腐蝕結(jié)垢發(fā)生的費(fèi)用就近千萬(wàn)元，目前仍有上升的趨勢(shì)。油井腐蝕結(jié)垢不僅造成油田的經(jīng)濟(jì)損失，還增加了其安全隱患，特別是因腐蝕導(dǎo)致的泄漏等問(wèn)題，常常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染和爆炸等事故。

1 腐蝕現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 油井鋼材腐蝕現(xiàn)狀

大港油田采油三廠地區(qū)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(fā)揮作用，效果不佳。對(duì)大港油田900多口單井進(jìn)行了調(diào)查，其中腐蝕較為嚴(yán)重的油井172口，約占油井總數(shù)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(yán)重腐蝕程度。

圖1 典型單井抽油桿腐蝕現(xiàn)狀

圖2 典型單井油管腐蝕現(xiàn)狀

1.2 油井水樣成分分析

對(duì)大港油田采油三廠所轄油井的典型油井水樣進(jìn)行了取樣分析，抽檢井號(hào)為官18-17（1#）、小6-0-2（2#）、棗1269-1（3#），水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)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(zhì)量濃度為10 mg/L，腐蝕結(jié)垢趨勢(shì)屬于嚴(yán)重腐蝕；2#單井污水中硫化氫質(zhì)量濃度為5 mg/L，腐蝕結(jié)垢趨勢(shì)屬于輕微結(jié)垢；3#單井污水中礦化度高，質(zhì)量濃度在20 000 mg/L以上，且硫化氫質(zhì)量濃度為12.8 mg/L，故腐蝕較嚴(yán)重，污水腐蝕結(jié)垢趨勢(shì)屬于輕微結(jié)垢。

表1 水質(zhì)分析結(jié)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(jù)對(duì)大港油田油井常用鋼材腐蝕結(jié)垢現(xiàn)狀的調(diào)查分析，認(rèn)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(xiàn)對(duì)這些影響因素進(jìn)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(diǎn)蝕和穿孔等；局部腐蝕發(fā)生在局部小范圍區(qū)域內(nèi)，其腐蝕速率往往比預(yù)測(cè)的均勻腐蝕速率快數(shù)倍或數(shù)十倍；腐蝕產(chǎn)物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS，部分腐蝕產(chǎn)物附著在抽油桿上，導(dǎo)致抽油桿結(jié)垢和嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起到去極化作用，可加速金屬腐蝕，在菌團(tuán)的周圍和底部的金屬易產(chǎn)生坑蝕和點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)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(qū)氫離子，促進(jìn)腐蝕過(guò)程的陰極去極化反應(yīng)。

2.3 溫度

油井產(chǎn)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(yàn)證溫度對(duì)腐蝕速率的具體影響，進(jìn)行了溫度對(duì)腐蝕速率影響的室內(nèi)試驗(yàn)，其中恒溫時(shí)長(zhǎng)為7 d，溫度對(duì)油井常用20鋼腐蝕影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)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(dá)到80℃后，腐蝕速率的增加趨勢(shì)減緩，可知溫度的變化是影響油田油井常用鋼腐蝕的一個(gè)重要因素。

2.4 礦化度

通常，污水的特點(diǎn)是礦化度高、含鹽量高，含鹽量高的污水其電導(dǎo)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(gè)特點(diǎn)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(qiáng)，能穿透到金屬保護(hù)膜的內(nèi)部，導(dǎo)致出現(xiàn)兩種不良影響，一是破壞金屬保護(hù)膜，使介質(zhì)與金屬直接接觸，二是與鐵的腐蝕產(chǎn)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(yàn)證礦化度的影響，對(duì)不同礦化度的污水進(jìn)行20鋼的腐蝕試驗(yàn)，污水礦化度用NaCl調(diào)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(jìn)行腐蝕掛片試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為50℃，恒溫時(shí)長(zhǎng)為7 d，礦化度對(duì)油井常用20鋼腐蝕影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 礦化度對(duì)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(dāng)?shù)V化度到達(dá)40 000 mg/L左右時(shí)，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(yán)重。

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

3 緩蝕劑的研發(fā)

針對(duì)大港油田采油三廠地區(qū)的污水進(jìn)行了緩蝕劑的篩選，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)咪唑啉類緩蝕劑[4-6]對(duì)該地區(qū)油井常用鋼具有較好的緩蝕效果。隨后通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行藥劑單體的合成生產(chǎn)，以滿足采油三廠地區(qū)油井的需求。

3.1 試驗(yàn)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(yīng)釜、廣口瓶、烘箱、動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)定儀。本試驗(yàn)采用失重法[7]，所用的腐蝕掛片為20鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 20鋼化學(xué)成分

3.2 緩蝕藥劑的合成與復(fù)配

采用上述原料進(jìn)行配比合成、復(fù)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(diǎn)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要復(fù)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(fù)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(fù)配一定量阻垢劑而制成。

3.3 KYHS系列緩蝕劑性能測(cè)試

針對(duì)1#、2#、3#油井水質(zhì)，對(duì)KYHS系列緩蝕劑進(jìn)行了試驗(yàn)效果檢驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為80℃，緩蝕劑質(zhì)量濃度為60 mg/L，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 KYHS系列緩蝕劑試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

3.4 KYHS系列緩蝕劑濃度的影響試驗(yàn)

3.4.1 KYHS-7緩蝕劑濃度的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為80℃時(shí)，不同濃度緩蝕劑對(duì)1#油井污水腐蝕速率的影響見(jiàn)表4。從表4可知，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度≥60 mg/L時(shí)，緩蝕率＞90%，試片表面光滑。

表4 KYHS-7試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2 KYHS-5緩蝕劑濃度的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為80℃時(shí)，不同濃度緩蝕劑對(duì)2#油井污水腐蝕速率的影響見(jiàn)表5。從表中可以看出，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度≥80 mg/L時(shí)，緩蝕率＞85%，試片表面光滑。

表5 KYHS-5試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3 KYHS-6緩蝕劑濃度的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度為80℃時(shí)，不同濃度緩蝕劑對(duì)3#油井污水腐蝕速率的影響見(jiàn)表6。從表中可以看出，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度≥80 mg/L時(shí)，緩蝕率＞90%，試片表面光滑。

表6 KYHS-6試驗(yàn)結(jié)果

4 緩蝕劑的應(yīng)用效果

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，并從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性考慮，認(rèn)為當(dāng)KYHS-7緩蝕劑質(zhì)量濃度為60 mg/L時(shí)，對(duì)1#油井具有較好的緩蝕效果；當(dāng)KYHS-5緩蝕劑質(zhì)量濃度為80 mg/L時(shí)，對(duì)2#油井具有較好的緩蝕效果；當(dāng)KYHS-6緩蝕劑質(zhì)量濃度為80 mg/L時(shí)，對(duì)3#油井具有較好的緩蝕效果。把上述研究結(jié)果應(yīng)用于大港油田進(jìn)行效果驗(yàn)證，分別對(duì)1#、2#、3#油井實(shí)施化學(xué)治理和跟蹤，對(duì)三口油井采出液的腐蝕速率進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 采出液腐蝕速率檢測(cè)結(jié)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(dá)到小于考核指標(biāo)（0.076 mm/a） 的要求，保證了油井的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了大港油田油井鋼材腐蝕情況，分別對(duì)溫度、硫酸鹽還原菌、硫化氫、礦化度等腐蝕影響因素進(jìn)行深入研究，并針對(duì)性地研制了應(yīng)用于大港油田油井常用20鋼材的KYHS系列有機(jī)緩蝕劑。研究結(jié)果表明，新型KYHS系列有機(jī)緩蝕劑能有效降低鋼材腐蝕速率，當(dāng)緩蝕劑添加質(zhì)量濃度在60～80 mg/L時(shí)，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(jī)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(jī)緩蝕劑，要求在油井生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，嚴(yán)格檢測(cè)污水水質(zhì)情況，監(jiān)控緩蝕劑加藥量，測(cè)試油井鋼材腐蝕速率，以避免因腐蝕結(jié)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(xué)治理，由于試驗(yàn)時(shí)間較短，加藥效果仍在繼續(xù)跟蹤觀察中。但已有的研究結(jié)果表明，該緩蝕劑適合在大港油田廣泛推廣應(yīng)用。