杜森 張建華 薛鳳玲 張巖 劉石

摘 要：為明確延長油田某油區(qū)清水和污水混注對注水井油套管腐蝕規(guī)律的影響，采用常壓靜態(tài)浸泡試驗(yàn)，并結(jié)合掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）方法，對J55油管鋼在不同混注比例、不同浸泡時(shí)間下的腐蝕特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該區(qū)清水和污水混注條件下，注水井管材的腐蝕速率低于單獨(dú)注清水或注污水的腐蝕速率，兩種水體混合后，試樣表面沉積有一定保護(hù)作用的結(jié)垢產(chǎn)物;在模擬現(xiàn)場實(shí)際注水比例條件下，隨著浸泡時(shí)間的增加，結(jié)垢產(chǎn)物沉積對試樣保護(hù)效果增加，腐蝕速率基本滿足行業(yè)注水腐蝕控制要求。

關(guān)鍵詞：混注;混合比例;注水井;腐蝕

中圖分類號：TE357.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0115-04

Study on Corrosion Behavior of Injection Well of Fresh Water and

Produced Mixed Injection in Yanchang Oilfield

DU Sen ZHANG Jianhua XUE Fengling ZHANG Yan LIU Shi

（Jingbian Oil Production Plant of Yanchang Oilfield Co.， Ltd.，Yulin Shaanxi 718500）

Abstract： In order to clarify the effect of water and produced water mixed injection on casing corrosion behavior in Yanchang Oilfield， the corrosion characteristics of J55 tubing steel under different mixing ratios and corrosion time were studied by static immersion corrosion test under atmospheric pressure， scanning electron microscopy and energy dispersive analysis. The results show that the corrosion rate of mixed injection is lower than fresh water injection or produced injection. After mixed injection， depositing a scale product with a certain protective effect on the surface of the sample witch can reduce corrosion. Under the condition of the actual injection ratio in the simulated field， with the increase of corrosion immersion time， the protective effect of scaling product deposition on the sample increases，and the corrosion rate basically meets the requirements of water injection corrosion control in the oil industry.

Keywords： mixed injection;proportion of mixture;injection well;corrosion

延長油田某油區(qū)處于注水開發(fā)初期。由于該油區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部，水資源相對匱乏，因此注水難以得到有效保證。采取清水和污水混注的方式可有效解決水資源不足的問題，同時(shí)產(chǎn)出水的回收利用可減少環(huán)境污染，降低水處理成本[1-2]。但是，由于清水、污水水質(zhì)不同，混合后回注會使腐蝕因素復(fù)雜化，混合水具有礦化度高、溶解氧含量高、Cl-和HCO3-含量高、結(jié)垢腐蝕能力強(qiáng)、滋生細(xì)菌等特點(diǎn)，易產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕問題，造成注水井管線穿孔漏失，井下工具腐蝕失效，嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)工作[3-4]。

本文針對延長油田某油區(qū)清水和污水混注工藝注水井的腐蝕問題，對不同混注條件下注水井油套管腐蝕規(guī)律進(jìn)行研究，以期為混注過程中的腐蝕防護(hù)工作提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)介質(zhì)組分如表1所示。該油區(qū)清水為洛河淺層地下水，水型為NaHCO3型，礦化度較低，陰離子以HCO3-和SO42-為主，陽離子以Na+為主，溶解氧含量較高;污水為C4+5、C6層產(chǎn)出水，水型為CaCl2型，礦化度較高，陰離子以Cl-為主，陽離子中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量較高。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為現(xiàn)場所用J55油管鋼，其化學(xué)成分如表2所示。將試驗(yàn)材料機(jī)加工成50 mm×10 mm×3 mm的試樣，逐級打磨至800#砂紙，并用丙酮除油，無水乙醇去除水。

1.3 浸泡試驗(yàn)

浸泡試驗(yàn)腐蝕介質(zhì)溶液沒有進(jìn)行除氧操作。將試樣用掛繩連接并固定在試驗(yàn)瓶中，并確保瓶口密封好，然后將試驗(yàn)瓶放入恒溫水浴槽中，并加熱至模擬現(xiàn)場注水井溫度65 ℃。試驗(yàn)完畢取出試樣，用無水乙醇清洗吹干，記錄表面宏觀形貌。用配制的清洗液（500 mL HCl，20 g六次甲基四胺，500 mL蒸餾水）去除試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，用無水乙醇洗凈吹干，使用精度為0.1 mg的電子分析天平稱重，按式（1）計(jì)算試樣的腐蝕速率。

式中：CR為平均腐蝕速率，mm/a;[ΔW]為試樣的失重，g;[ρ]為材料的密度，g/cm3;S為試樣面積，mm2;t為試驗(yàn)時(shí)間，d。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混注比例下的腐蝕特征

2.1.1 腐蝕速率。圖1為J55油管鋼在延長油田某區(qū)塊不同混注比例介質(zhì)中腐蝕速率情況。從結(jié)果來看，試樣在清水或污水介質(zhì)中的腐蝕速率較高，而在清水和污水混合介質(zhì)中的腐蝕速率有所減小，并且清水和污水混注腐蝕速率隨著污水比例的增加而增加，其中在清水∶污水為8∶2時(shí)腐蝕速率最小，為0.098 mm/a。

2.1.2 微觀形貌與腐蝕產(chǎn)物。圖2為J55油管鋼在延長油田某區(qū)塊不同混注比例介質(zhì)中的微觀腐蝕形貌，表3為腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果。

從結(jié)果來看，不同混注比例介質(zhì)中，試樣的微觀形貌與腐蝕產(chǎn)物存在明顯差異。清水介質(zhì)中試樣表面腐蝕產(chǎn)物晶體粗大而疏松，存在空隙較多，故保護(hù)性差，腐蝕速率較高，腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主。由于該油區(qū)注入清水未經(jīng)除氧處理，溶解氧含量高，因此推斷主要發(fā)生氧腐蝕。污水介質(zhì)中試樣表面有少量腐蝕產(chǎn)物，通過元素含量計(jì)算分析可知，腐蝕產(chǎn)物以FeCO3為主，以高礦化度、高Cl-離子介質(zhì)中的HCO3-腐蝕為主，中低溫度時(shí)，F(xiàn)eCO3晶體由于難以在金屬表面形成穩(wěn)定的沉積，無法形成具有一定保護(hù)作用的腐蝕產(chǎn)物膜[5]。清水和污水混注時(shí)，由于水體不配伍的原因，陰離子HCO3-和SO42-和陽離子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量超過其溶解度，試樣表面產(chǎn)生大量結(jié)垢沉積，難以判斷其腐蝕類型。經(jīng)元素分析驗(yàn)證，清水、污水比例為8∶2，表面沉積產(chǎn)物為柱狀BaSO4、SrSO4（重晶石），清水、污水比例為5∶5和2∶8時(shí)，表面沉積產(chǎn)物為BaSO4、SrSO4（重晶石）和塊狀CaCO3（方解石）。結(jié)合腐蝕速率結(jié)果來看，表面沉積產(chǎn)物較為致密，可有效起到屏蔽作用，其中試片表面BaSO4、SrSO4沉積較BaSO4、SrSO4和CaCO3混合沉積空隙更小，可降低腐蝕速率。

2.2 不同浸泡時(shí)間下的腐蝕特征

2.2.1 腐蝕速率。圖3為J55油管鋼在延長油田某區(qū)塊清水和污水比例為8∶2混注介質(zhì)中（模擬現(xiàn)場實(shí)際注水比例），不同浸泡時(shí)間（3 d、7 d、10 d、15 d）條件下的腐蝕速率對比情況。從結(jié)果來看，隨著浸泡時(shí)間的增加，腐蝕速率逐步降低，這主要是因?yàn)?，腐蝕初期，試片表面結(jié)垢產(chǎn)物沉積較少，近似于裸表面，有較高的腐蝕速率，隨著表面結(jié)垢產(chǎn)物的沉積，腐蝕速率逐步放緩，并趨于平穩(wěn)。另外，在浸泡時(shí)間為15 d的條件下，試片的腐蝕速率基本接近0.076 mm/a。

2.2.2 微觀形貌與腐蝕產(chǎn)物。圖4為J55油管鋼在延長油田某區(qū)塊清水和污水比例為8∶2混注介質(zhì)中，不同浸泡時(shí)間（3 d、7 d、10 d、15 d）下的微觀腐蝕形貌，表4為腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果。從圖4可知，浸泡時(shí)間為3 d時(shí)，材料表面腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物和碳酸亞鐵以及少量結(jié)垢產(chǎn)物BaSO4和SrSO4，表面覆蓋程度不高，存在一定空隙，故此階段腐蝕速率較高。隨著浸泡時(shí)間的增加，表面沉積產(chǎn)物BaSO4和SrSO4沉積量逐步增加，當(dāng)浸泡時(shí)間為15 d時(shí)，試片表面Ba元素占比達(dá)28.03%，無法檢測到Fe元素的存在，且沉積物較為致密，空隙較少，可有效保護(hù)基體材料。

2.3 腐蝕控制因素討論

清水和污水混注由于結(jié)垢產(chǎn)物的沉積覆蓋，有一定抑制作用，腐蝕速率較注清水和注污水有所減少，長期注水時(shí)注水井油套管管材腐蝕速率基本滿足行業(yè)控制要求[6]。但由于結(jié)垢的影響，管材易產(chǎn)生局部腐蝕。本次試驗(yàn)由于浸泡周期較短，未發(fā)生明顯局部腐蝕。局部腐蝕是造成管線腐蝕失效、穿孔的主要因素，垢下易導(dǎo)致氧濃差腐蝕、電偶腐蝕等局部腐蝕，同時(shí)垢為細(xì)菌生長創(chuàng)造了有利的封閉環(huán)境，為硫酸鹽還原細(xì)菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）提供厭氧的屏蔽膜，使其迅速繁殖，還原代謝生成硫化氫（H2S）導(dǎo)致垢下局部腐蝕，生成硫化亞鐵（FeS）腐蝕產(chǎn)物[7]。在現(xiàn)場混注時(shí)，應(yīng)對結(jié)垢和細(xì)菌加以控制，添加硫酸鋇型或碳酸鈣硫酸鋇復(fù)合型阻垢劑及殺菌劑，防止垢下腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)語

延長油田某油區(qū)清水和污水混注條件下，注水井管材的腐蝕速率低于單獨(dú)注清水或注污水的腐蝕速率，兩種水體混合后在試樣表面沉積有一定保護(hù)作用的BaSO4或BaSO4與CaCO3復(fù)合結(jié)垢產(chǎn)物，其中清污比例為8∶2時(shí)腐蝕速率最低。在模擬現(xiàn)場實(shí)際注水比例條件下，隨著浸泡時(shí)間增加，結(jié)垢產(chǎn)物沉積對試樣保護(hù)效果增加，浸泡周期為15 d時(shí)，試樣腐蝕速率基本滿足行業(yè)注水腐蝕控制要求。本次混注試驗(yàn)未發(fā)生明顯局部腐蝕，但在現(xiàn)場實(shí)施混注時(shí)，應(yīng)注意對結(jié)垢和細(xì)菌加以控制，防止垢下腐蝕的發(fā)生。

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