馮海泉(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)
某油田經(jīng)過50多年的開發(fā)歷程,地面已建管網(wǎng)密度逐漸加大,截止到2021年底,已建各類埋地管道11 492 km,運行20 a以上管道占25.87%,從運行系統(tǒng)看,油集輸管道數(shù)量最多,占60.93%,注入管道其次,占32.01%;管道失效率0.31次/km·a,其中注入管道、油集輸管道失效占比高,分別為總失效次數(shù)的29.59%和68.24%。為有效減少埋地管道腐蝕,遏制油管道失效引發(fā)的采出液、污水等介質(zhì)泄露,及由于介質(zhì)泄露造成的停產(chǎn)、污染事件,降低企業(yè)的經(jīng)濟損失和對企業(yè)形象的負(fù)面影響[1],利用掃描電鏡[2]、X射線光電子能譜、電化學(xué)性能檢測[3]等技術(shù)對注入及油集輸管道的腐蝕成因進行分析,并提出相應(yīng)的治理措施,有效降低管道失效率,降低管道運行維護成本。
分別對注入、油集輸兩種類型管道失效原因進行分析,為治理措施的制定提供依據(jù)。
統(tǒng)計不同驅(qū)替方式注入管道失效情況見表1,統(tǒng)計不同運行年限注入管道失效情況見表2,可見注聚管道失效率最高;運行6~10 a注入管道失效率高。
表1 不同驅(qū)替方式注入管道失效情況Tab.1 The injection pipeline failure with different displacement mode
表2 不同運行年限注入管道失效情況Tab.2 Injection pipeline failure in different operation
2.1.1 聚合物加速管道腐蝕
現(xiàn)場截取管段進行產(chǎn)物分析,從宏觀腐蝕形貌看管道內(nèi)表面生成了菌瘤[4],且涂層破損處有明顯的腐蝕坑。管道內(nèi)腐蝕宏觀形貌及內(nèi)壁腐蝕坑見圖1。
圖1 管道內(nèi)腐蝕宏觀形貌及內(nèi)壁腐蝕坑Fig.1 Corrosion macroscopic morphology and inner wall corrosion pit in pipeline
采用掃描電鏡,進行腐蝕產(chǎn)物形貌分析,其原理見圖2,由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束,經(jīng)柵極聚焦后,經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng),電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面,在掃描線圈的作用下電子束在樣品表面掃描,產(chǎn)生二次電子、X射線等信息,這些信號被相應(yīng)的接收器接收,經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上,調(diào)制顯像管的亮度,完成成像。得到管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見圖3,產(chǎn)物表面存在明顯的微生物。
圖2 掃描電鏡原理Fig.2 Schematic diagram of scanning electron microscopy
圖3 管道內(nèi)腐蝕微觀形貌Fig.3 Corrosion micromorphology in pipeline
利用X射線光電子能譜儀來表征產(chǎn)物表面元素及其化學(xué)狀態(tài),進行腐蝕產(chǎn)物微觀組分分析,其基本原理是使用X射線與樣品表面相互作用,利用光電效應(yīng),激發(fā)樣品表面發(fā)射光電子,利用能量分析器,測量光電子動能,進而得到激發(fā)電子的結(jié)合能。從腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果看,涂層對金屬腐蝕的影響見表3,腐蝕產(chǎn)物中S2-含量較高[5]。
表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析Tab.3 Energy spectrum analysis of corrosion products
因此,分析認(rèn)為注聚管道內(nèi)壁在涂層破損處產(chǎn)生了微生物腐蝕。且從細(xì)菌腐蝕機理看,細(xì)菌的陰極去極化作用[6],見式(1)~(7),加速了腐蝕反應(yīng)。
SRB的腐蝕機理:
2.1.2 涂層失效導(dǎo)致管體腐蝕
對無涂層掛片、涂層帶針孔掛片、完好涂層掛片在3.5%NaCl溶液中進行耐腐蝕能力測試,含有完整涂層的掛片可以起到完全保護金屬基體的作用,阻礙腐蝕介質(zhì)與金屬接觸形成原電池反應(yīng),對無涂層掛片及涂層帶針孔掛片測試發(fā)現(xiàn),帶有針孔的涂層已經(jīng)起不到保護金屬基體的作用,兩種掛片的腐蝕電流和腐蝕速率相近,涂層對金屬腐蝕的影響見表4。所以當(dāng)管道表面涂層有漏點或破裂后,介質(zhì)就會對金屬產(chǎn)生腐蝕,而且腐蝕速度與無涂層的金屬相近。因此,保障涂層的完好是抑制腐蝕的有效手段。
表4 涂層對金屬腐蝕的影響Tab.4 Effect of coating on metal corrosion
2.2.1 集輸系統(tǒng)采出液腐蝕性增強
不同類型油集輸管道失效情況見表5,不同運行年限油集輸管道失效情況見表6,其中摻水管道失效率最高;運行16 a以上油集輸管道失效率高。
表5 不同類型油集輸管道失效情況Tab.5 Failure statistics on different types of oil gathering and transportation pipeline
表6 不同運行年限油集輸管道失效情況Tab.6 Failure statistics of oil gathering and transportation pipeline in different operation
油田開發(fā)進入高含水期,采出液含水率持續(xù)升高,采出液物相從早期“油包水”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八汀?;且采出液普遍見聚[7],介質(zhì)腐蝕作用增強,普通污水處理站見聚情況見表7。
表7 普通污水處理站見聚情況Tab.7 Common sewage treatment station
2.2.2 聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性強
集油管道中,原油附著在管道內(nèi)壁,阻礙電子轉(zhuǎn)移,減緩腐蝕,摻水介質(zhì)溫度高,加速離子運動,加速了腐蝕反應(yīng)[8],因此,摻水介質(zhì)腐蝕性較回油強;不同驅(qū)替環(huán)境中,聚驅(qū)摻水pH值一般在8左右,聚丙烯酰胺水解更易于細(xì)菌生長,因此,聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性較水驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性強。
利用電化學(xué)工作站對三種驅(qū)替方式的摻水介質(zhì)腐蝕性進行檢測,聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性最強,為2.7 mil/a。
2.2.3 土壤腐蝕性的影響
某油田地面總趨勢北高南低,東高西低,大地高程多在136~148 m,平均土壤電阻率為21.1 Ω·m,土壤腐蝕性強,利用X射線光電子能譜儀對摻水和集油管道外進行腐蝕產(chǎn)物微觀組分分析,可以發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中除含土壤中的礦物元素,還含有一定量的O和Cl-,說明在土壤中管道不但會受土壤中礦物質(zhì)影響,還會發(fā)生氧腐蝕和氯離子腐蝕。不同類型管道外腐蝕產(chǎn)物組分分析見表8。
表8 不同類型管道外腐蝕產(chǎn)物組分分析Tab.8 Analysis on corrosion products in different types of pipeline (wt%)
針對注聚管道內(nèi)腐蝕失效[9]問題,采取了加強注聚管道內(nèi)涂層質(zhì)量檢驗的措施,明確抽檢制度及檢測內(nèi)容,增加抽檢頻次,規(guī)范了涂層外觀、厚度、漏點、附著力、抗沖擊性五項性能的檢驗操作流程。同時,在聚驅(qū)區(qū)塊應(yīng)用非金屬管道,其中母液管道選用鋼骨架塑料復(fù)合管道,聚驅(qū)注入管道選用玻璃鋼材質(zhì)管道,“十三五”期間共應(yīng)用非金屬管道300余千米。
針對油集輸管道失效問題,對13座聚驅(qū)計量間摻水閥組,設(shè)計液體環(huán)氧內(nèi)防腐涂層;對運行年限長腐蝕老化嚴(yán)重管道,依據(jù)管道風(fēng)險等級及失效頻次,有序安排更換;對土壤腐蝕性強區(qū)域47 km管道優(yōu)先安排外防修復(fù),通過加強現(xiàn)場監(jiān)督、開挖驗證等措施,保證外防修復(fù)效果;同時,在站外系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域陰極保護技術(shù)[10],構(gòu)建以“轉(zhuǎn)油站”為中心的站間管網(wǎng)區(qū)域陰極保護體系,以“計量間”為中心的單井管網(wǎng)區(qū)域陰極保護體系。
通過以上措施的制定和實施,按降低管道失效率0.1%計算,將減少管道失效400余次,則將至少減少年均480 t(平均每點次1.2 m3)的油氣泄漏量,按每噸原油價格3 100元計算,減少直接經(jīng)濟損失148.8萬元/a,相應(yīng)的由于介質(zhì)泄露造成的停產(chǎn)、污染事件也會大幅減少。
1)聚驅(qū)注入管道,受介質(zhì)含聚影響,聚丙烯酰胺水解生成氨基酸,為細(xì)菌生長提供養(yǎng)料,加速了管道內(nèi)涂層破損處的細(xì)菌腐蝕。加強管道內(nèi)涂層質(zhì)檢的同時,加大非金屬管道的應(yīng)用,可有效降低管道失效。
2)集輸系統(tǒng)聚驅(qū)摻水管道介質(zhì)腐蝕性增強,且土壤腐蝕性強區(qū)域涂層破損處易發(fā)生腐蝕失效。通過對聚驅(qū)計量間摻水閥組應(yīng)用內(nèi)防腐涂層,對土壤腐蝕性強區(qū)域管道加強外防修復(fù),并應(yīng)用管網(wǎng)區(qū)域陰極保護技術(shù),對腐蝕老化嚴(yán)重管道有序更換等措施,可有效降低油集輸管道失效。