含油污水过滤器集水管腐蚀沉积的影响与控制

贺玉楚(中国石油吐哈油田公司，新疆 鄯善 838202)

0 引言

油田开发过程中，为了保持地层压力、提高原油采收率而注入的水(包括化学驱油剂、蒸汽等)会与原始地层水一起随着原油开采被不断采出，从这种采出含水原油中分离出的污水统称为含油污水[1]。高效处理并充分利用油田污水资源，对于提高油田总体开发效益具有重要的作用和地位[2-3]。

作为油田地面系统一项复杂的工程，国内外对含油污水的处理主要是基于对给水处理技术的借鉴和发展，大多数采用除油、过滤的多级处理模式，其中，除油段设备一般为立式除油罐，过滤段设备则一般为粒料压力过滤器[4]。然而，含油污水作为一种含有固体杂质、液体杂质、溶解盐类和溶解气体等的较复杂多相体系，其所含杂质性质与油藏地质条件、采油方式、原油集输条件等因素密切相关，尤其随着三次采油化学驱技术的应用，化学驱油剂不同程度返出，含油污水水质特性由于各种驱油剂的存在而发生显著改变[7-9]，在过滤器运行实践中暴露出因其集水支管发生显著的腐蚀沉积而使处理后水质波动、过滤器反冲洗压力升高及过滤系统整体运行不稳定等诸多问题[10]。

1 含油污水水质特性及稳定性

针对三元复合驱含油污水含聚合物、表面活性剂等驱油剂，以及pH值高的特点，分析三元复合驱含油污水的水质特性，并理论预测其稳定性。

1.1 腐蚀结垢倾向判别方法

依据自身水质特性来预测其腐蚀结垢倾向是评判水质稳定性的基本手段。早在1952年，Stiff 和 Davis就针对CaCO3结垢趋势的预测，考虑系统的热力学条件提出了饱和指数法[11]，之后，Ryznar发展的稳定指数法是一种适用于高矿化度、高pH值水质的常用判别方法[12]：

式中：SAI为稳定指数，也就是腐蚀结垢倾向指数；pH为含油污水的实际pH值；pHs为含油污水中CaCO3饱和时的pH值；K为常数，可通过水温与离子强度的函数关系曲线查取；pCa为钙离子浓度的负对数，pCa=-log[Ca2+]，mol/L；pAlk为总碱度浓度的负对数

对于该判别方法，当5.06.0时，由结垢向腐蚀倾向转变，当SAI>7.5时，存在严重腐蚀倾向。

1.2 水质特性及稳定性分析

在三元复合驱油中，聚合物、碱、表面活性剂随原油、污水由井口采出，经油水分离后得到的含有这三种驱油剂的含油污水，这类含油污水的基本特点是水相矿化度高、粘度大、油珠尺寸小、初始含油量高、负电性强、界面张力低、体系稳定、油珠聚并、浮升困难、处理难度大，当然在不同驱油剂含量下，污水的水质又存有差别[13]，如表1所示。

2 腐蚀沉积物组成特性分析

从电镜扫描中可以看到：腐蚀沉积物微观形貌观察反映出集水支管的腐蚀沉积物呈形态各异的颗粒，有紧密的球形、椭球形以及较疏松的团状颗粒等，判别属于硅铝酸盐、硅垢的形貌。结合图1所示的能谱元素分析结果，认为这是硫化亚铁(FeS)、碳酸钙(CaCO3)和三氧化二铁(Fe2O3)的聚集体，且据重量百分比和原子百分比可推断沉积物构成中以FeS和Fe2O3为主。显然，并不完全一致于对水质稳定性的预测，过滤器集水支管中腐蚀沉积也非常显著。

3 集水支管腐蚀沉积影响因素研究

按照过滤器集水支管的材质，加工设计腐蚀试片，室内动态试片模拟实验研究过滤器集水支管腐蚀沉积影响因素。

表1 含油污水水质特性及稳定性

图1 腐蚀沉积物的能谱分析

3.1 实验装置建立

按照实验需要建立一个简化设计结构过滤器，在其底部集水空间安放多级试片悬挂器。其中气动开闭系统方便实验过程中腐蚀试片悬挂器的取放。

3.2 实验条件及方法

实验试片根据实际过滤器集水支管材质加工制作规格为50mm×25mm×2mm的普通碳钢试片。

三元复合驱含油污水样品含驱油剂聚合物浓度分别为46mg/L、118mg/L、196mg/L、300mg/L、500mg/L 和700mg/L；含驱油剂表面活性剂浓度分别为50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L、300mg/L 和400mg/L；pH 值为7.80、9.32、11.56 和13.24。

在实验过程中，启泵对不同驱油剂含量的含油污水进行循环过滤，接触、水浸集水空间的多级试片，运行预定时间后，取出多级试片，通过实验前后试片的质量变化，以失重法确定腐蚀速率。多级试片平行实验用于后续腐蚀沉积的清洗控制。

3.3 污水中聚合物浓度的影响

动态试片模拟实验结果表明，6种聚合物浓度含油污水的平均腐蚀速率依次为0.0902mm/a、0.0834mm/a、0.0852mm/a、0.0794mm/a、0.0790mm/a和0.0816mm/a，腐蚀均表现为活性溶解。有的聚合物浓度下含油污水自腐蚀电位负移，塔菲尔斜率增大，腐蚀倾向增加；有的聚合物浓度下则自腐蚀电位数值反而更正，塔菲尔斜率减小，含油污水中降解聚合物会在材质表面产生一定量的吸附，总体表现出含有的驱油剂聚合物对含油污水所引起腐蚀有一定的缓蚀作用。

3.4 污水pH值的影响

结果表明4种pH值含油污水的平均腐蚀速率依次为0.0860mm/a、0.0837mm/a、0.0659mm/a 和0.0616mm/a。随pH 值的升高，极化曲线的阳极部分变化明显，当pH值大于9.32后，由单一的活性溶解特征逐渐变为以稳定的钝化区间为特征，且钝化区域不断趋于稳定，呈现一定宽度的钝化区间。钝化能力的增加，将使材质表面形成的碱性保护膜更致密，抵抗腐蚀介质的作用增强。当碱性环境下极化电位大于某一值后，极化曲线又发生点蚀破坏，这与实验试片上所呈现的“点蚀”现象相吻合。

3.5 污水中表面活性剂浓度的影响

在实验浓度范围内，当含油污水中的表面活性剂浓度在200mg/L以内时，浓度升高，含油污水的腐蚀速率减小，揭示出表面活性剂在腐蚀材质表面吸附，起到了缓蚀作用，且吸附量随浓度的增加而加大，缓蚀率逐渐上升。但浓度超过200mg/L后，缓蚀效应则下降，分析认为，超过该浓度后，分子优先从电极表面脱附，并在含油污水水相中聚集形成胶束，造成表面活性剂在腐蚀材质表面的覆盖率下降，缓蚀效应被消弱，腐蚀速率又增加。

3.6 污水中细菌的影响

含油污水中菌类数量的减少能有效缓解腐蚀，减少沉积。分析认为，这是由于氢化酶的作用使硫酸盐还原菌(SRB)产生腐蚀，SRB的氢化酶可在金属表面上的阴极部位把硫酸根还原为硫离子和初生态氧，初生态氧在阴极使吸附于阴极表面的氢去极化而生成水，从而也就使SRB起到了阴极去极化作用，加速普通碳钢的腐蚀过程。铁细菌(FB)的代谢产物为大量高价铁，这些高价铁进而会形成不溶性的铁化合物，在含油污水过滤运行中，这些不溶性铁化合物会形成粘泥而附着在集水支管管壁上，构成浓差电池，加剧腐蚀行为。

综上，三元复合驱含油污水对腐蚀具有不同程度的阻碍作用，如碱含量增多、pH值增大，会在集水支管表面形成钝化保护膜，抵抗腐蚀，但缘于在实际生产运行中，集水支管内表面的这种吸附成膜并不会很均匀(甚至会极不均匀)，产生局部效应，导致集水支管的腐蚀并不是简单地随某一因素改变而呈递增或递减的规律性，而是一种比较复杂的协同作用机理和过程，这些对腐蚀的正、逆向作用最终造成集水支管沉积物中腐蚀垢组分居多。

4 集水支管腐蚀沉积清洗控制

除了内涂层等预防控制集水支管腐蚀沉积行为的措施外，酸洗、碱洗无疑是有效清除和冲刷腐蚀沉积物中酸溶物、碱溶物的直接性控制措施。

4.1 清洗液体系评价筛选

考虑通过集分散、剥离、溶解、钝化、冲洗、携带和排液机制来实现对过滤器集水支管中腐蚀沉积物的清除，针对腐蚀沉积物的组成特性，选择盐酸作为清洗液的酸体系，设计其浓度为5%、8%、10%、12%和15%，并复配表面活性剂以分散、去除沉积物中的有机油质成分，设计其浓度为0.02%、0.03%和0.05%；为阻止酸液体系对过滤器部件设施带来二次腐蚀，选择水溶性环烷酸咪唑啉作为缓蚀剂，设计其浓度为0.03%、0.05%和0.08%；为了实现酸洗后对附着腐蚀沉积物的集水支管内表面进行钝化处理，选择3%的Na3PO4溶液作为钝化剂，并掺入0.5%的氢氧化钠碱液，以起到对多余酸环境有效中和的作用。

4.2 应用效果评价

筛选出的酸液清洗体系应用于矿场，清洗处理了两座三元复合驱含油污水石英砂粒料压力过滤器的集水支管，该两座过滤器在清洗处理措施前反冲洗憋压严重，过滤后出水水质含油、悬浮物波动大，难以保证处理水质的达标。清洗处理措施后，过滤器反冲洗压力大幅降低，反冲洗同期排量倍增，跟踪应用后运行半年时间内的过滤出水水质含油量和悬浮物含量变化，如图8，反映出过滤出水平均含油量和悬浮物含量分别降低了24.05%和30.11%，且水质保持稳定，揭示出二次污染小，这种集水支管腐蚀沉积清洗控制措施在改善水质、稳定过滤系统运行方面效果显著。

5 结语

(1)三元复合驱含油污水粘度较大、pH值较高、HCO3-浓度上升显著，同时含有一定量可溶性硅是其具有的典型特征，稳定指数法预测其水质在热力学系统中存在严重结垢倾向。

(2)三元复合驱含油污水过滤器集水管实际的沉积是腐蚀与结垢相伴的过程，腐蚀沉积行为属于以碱溶硅酸盐矿物引起硅垢的形成、沉积为先导，进而发生晶核的聚集、形成、长大与黏结过程。

(3)基于分散、剥离、溶解、钝化、冲洗、携带、排液机理筛选的酸液清洗体系可使同期集水管沉积物减少40%以上，实例应用跟踪过滤出水水质的含油量和悬浮物含量反映出二者平均分别降低24.05%和30.11%，同时，过滤器的反冲洗同期排量增加1倍以上。