某油田油井钢材腐蚀及缓蚀剂研究

王 丹，刘 阳，孟广伟，李 静

1.中国石油工程项目管理公司天津设计院，天津 300457

2.国家管网北方管道公司，河北廊坊 065000

3.天津中油科远石油工程有限责任公司，天津 300280

大港油田采油三厂所辖油井地层温度高，污水中腐蚀性气体（硫化氢、二氧化碳）含量高，矿化度高[1]，导致油井抽油杆、油管等严重腐蚀，由腐蚀导致的抽油杆断裂、油管泄漏等增加了油井停产检修的频率，影响了油田正常生产，油井腐蚀成为制约油田提质增效的重要因素之一，每年用于治理油井腐蚀结垢发生的费用就近千万元，目前仍有上升的趋势。油井腐蚀结垢不仅造成油田的经济损失，还增加了其安全隐患，特别是因腐蚀导致的泄漏等问题，常常会引发严重的环境污染和爆炸等事故。

1 腐蚀现状调查

1.1 油井钢材腐蚀现状

大港油田采油三厂地区油井井深在2 000 m以上，井底流体温度高，通常在80～100℃之间，高温情况下一般缓蚀药物难以发挥作用，效果不佳。对大港油田900多口单井进行了调查，其中腐蚀较为严重的油井172口，约占油井总数的18.6%。图1、图2所示为典型单井的腐蚀情况，从图中可以看出抽油杆和油管的严重腐蚀程度。

图1 典型单井抽油杆腐蚀现状

图2 典型单井油管腐蚀现状

1.2 油井水样成分分析

对大港油田采油三厂所辖油井的典型油井水样进行了取样分析，抽检井号为官18-17（1#）、小6-0-2（2#）、枣1269-1（3#），水质分析结果见表1。由表1可知，1#单井污水的矿化度较高，为19 992.7 mg/L，腐蚀性气体硫化氢含量较高，质量浓度为10 mg/L，腐蚀结垢趋势属于严重腐蚀；2#单井污水中硫化氢质量浓度为5 mg/L，腐蚀结垢趋势属于轻微结垢；3#单井污水中矿化度高，质量浓度在20 000 mg/L以上，且硫化氢质量浓度为12.8 mg/L，故腐蚀较严重，污水腐蚀结垢趋势属于轻微结垢。

表1 水质分析结果 单位：mg/L

2 大港油田油井常用钢材腐蚀因素分析

目前，根据对大港油田油井常用钢材腐蚀结垢现状的调查分析，认为腐蚀的主要影响因素有腐蚀性气体（硫化氢）、矿化度、温度和硫酸盐还原菌等，现对这些影响因素进行以下的深入分析[2-3]。

2.1 腐蚀性气体（硫化氢）

大港油田污水中腐蚀性气体（硫化氢） 含量高，硫化氢极易溶于水，溶解之后为弱酸性，其造成的腐蚀多为局部壁厚减薄、点蚀和穿孔等；局部腐蚀发生在局部小范围区域内，其腐蚀速率往往比预测的均匀腐蚀速率快数倍或数十倍；腐蚀产物主要有Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS，部分腐蚀产物附着在抽油杆上，导致抽油杆结垢和严重腐蚀，同时使得抽油杆表面粗糙，易于磨损。

2.2 硫酸盐还原菌

大港油田油井含有硫酸盐还原菌，硫酸盐还原菌在其生长发育过程中起到去极化作用，可加速金属腐蚀，在菌团的周围和底部的金属易产生坑蚀和点蚀，腐蚀产物通常是黑色的带有难闻气味的硫化物。硫酸盐还原菌所具有的氢化酶能移去阴极区氢离子，促进腐蚀过程的阴极去极化反应。

2.3 温度

油井产出液温度随井深的增加而升高，大港油田油井采出液温度从地面到井底的温度变化范围在40～100℃之间。为了验证温度对腐蚀速率的具体影响，进行了温度对腐蚀速率影响的室内试验，其中恒温时长为7 d，温度对油井常用20钢腐蚀影响的试验结果见图3。

图3 温度对油井常用20钢腐蚀速率的影响

由图3可知，腐蚀速率随着温度的升高而急剧增加，但温度达到80℃后，腐蚀速率的增加趋势减缓，可知温度的变化是影响油田油井常用钢腐蚀的一个重要因素。

2.4 矿化度

通常，污水的特点是矿化度高、含盐量高，含盐量高的污水其电导率高，因而腐蚀速度通常随盐浓度的增加而增加。采出水的另一个特点是氯离子含量高，占总含盐量的50%～60%，氯离子的体积小、穿透性强，能穿透到金属保护膜的内部，导致出现两种不良影响，一是破坏金属保护膜，使介质与金属直接接触，二是与铁的腐蚀产物Fe2+形成FeCl2，加速了腐蚀。

大港油田污水矿化度在10 000～50 000 mg/L之间。为了验证矿化度的影响，对不同矿化度的污水进行20钢的腐蚀试验，污水矿化度用NaCl调为50 000 mg/L，然后用蒸馏水稀释为5种不同的浓度，除氧后进行腐蚀挂片试验，试验温度为50℃，恒温时长为7 d，矿化度对油井常用20钢腐蚀影响的试验结果见图4。

图4 矿化度对油井常用20钢腐蚀速率的影响

由图4可知，随着矿化度的升高，腐蚀速率明显升高，当矿化度到达40 000 mg/L左右时，腐蚀速率反而降低。大港油田污水矿化度多在40000mg/L左右，因此造成油井20钢污水腐蚀的日趋严重。

根据上述对油井采出水腐蚀因素的分析，认为需要研制出一款适用于大港油田采油三厂地区的缓蚀剂，以有效避免上述因素对油井常用钢材的腐蚀。

3 缓蚀剂的研发

针对大港油田采油三厂地区的污水进行了缓蚀剂的筛选，通过试验发现咪唑啉类缓蚀剂[4-6]对该地区油井常用钢具有较好的缓蚀效果。随后通过试验进行药剂单体的合成生产，以满足采油三厂地区油井的需求。

3.1 试验原料、仪器和方法

原料：咪唑啉类缓蚀剂、葡萄糖酸、氢氧化钠、杀菌剂、阻垢剂等。仪器：电子天平、反应釜、广口瓶、烘箱、动态腐蚀速率测定仪。本试验采用失重法[7]，所用的腐蚀挂片为20钢，其化学成分见表2。

表2 20钢化学成分

3.2 缓蚀药剂的合成与复配

采用上述原料进行配比合成、复配，制备出三种KYHS系列缓蚀剂，分别为KYHS-5、KYHS-6、KYHS-7。三种缓蚀剂均为水溶性，颜色为黄棕色，pH在6～8之间，凝点在-5～-17℃之间。KYHS-5缓蚀剂主要成分为油酸基咪唑啉季铵盐缓蚀剂，根据现场需要复配一定量其余药剂。KYHS-6缓蚀剂是以油酸基咪唑啉季铵盐缓蚀剂为主要成分，复配一定量杀菌剂而制成。KYHS-7缓蚀剂是以油酸基咪唑啉季铵盐缓蚀剂为主要成分，复配一定量阻垢剂而制成。

3.3 KYHS系列缓蚀剂性能测试

针对1#、2#、3#油井水质，对KYHS系列缓蚀剂进行了试验效果检验，试验温度为80℃，缓蚀剂质量浓度为60 mg/L，具体试验结果见表3。

表3 KYHS系列缓蚀剂试验数据

由表3可知，缓蚀剂质量浓度为60 mg/L时，KYHS-7对1#油井水质具有较好的缓蚀效果，KYHS-5对2#油井水质具有较好的缓蚀效果，KYHS-6对3#油井水质具有较好的缓蚀效果。

3.4 KYHS系列缓蚀剂浓度的影响试验

3.4.1 KYHS-7缓蚀剂浓度的影响试验

试验温度为80℃时，不同浓度缓蚀剂对1#油井污水腐蚀速率的影响见表4。从表4可知，当缓蚀剂质量浓度≥60 mg/L时，缓蚀率＞90%，试片表面光滑。

表4 KYHS-7试验结果

3.4.2 KYHS-5缓蚀剂浓度的影响试验

试验温度为80℃时，不同浓度缓蚀剂对2#油井污水腐蚀速率的影响见表5。从表中可以看出，当缓蚀剂质量浓度≥80 mg/L时，缓蚀率＞85%，试片表面光滑。

表5 KYHS-5试验结果

3.4.3 KYHS-6缓蚀剂浓度的影响试验

试验温度为80℃时，不同浓度缓蚀剂对3#油井污水腐蚀速率的影响见表6。从表中可以看出，当缓蚀剂质量浓度≥80 mg/L时，缓蚀率＞90%，试片表面光滑。

表6 KYHS-6试验结果

4 缓蚀剂的应用效果

结合上述试验结果，并从经济实用性考虑，认为当KYHS-7缓蚀剂质量浓度为60 mg/L时，对1#油井具有较好的缓蚀效果；当KYHS-5缓蚀剂质量浓度为80 mg/L时，对2#油井具有较好的缓蚀效果；当KYHS-6缓蚀剂质量浓度为80 mg/L时，对3#油井具有较好的缓蚀效果。把上述研究结果应用于大港油田进行效果验证，分别对1#、2#、3#油井实施化学治理和跟踪，对三口油井采出液的腐蚀速率进行检测，结果见表7。

表7 采出液腐蚀速率检测结果

从表中可以看出，加药后油井钢材腐蚀速率主要分布在0.010 8～0.02 mm/a之间，试片光滑，腐蚀速率均达到小于考核指标（0.076 mm/a） 的要求，保证了油井的安全生产。

5 结束语

采用室内试验方法研究了大港油田油井钢材腐蚀情况，分别对温度、硫酸盐还原菌、硫化氢、矿化度等腐蚀影响因素进行深入研究，并针对性地研制了应用于大港油田油井常用20钢材的KYHS系列有机缓蚀剂。研究结果表明，新型KYHS系列有机缓蚀剂能有效降低钢材腐蚀速率，当缓蚀剂添加质量浓度在60～80 mg/L时，缓蚀率＞90%，20钢材试片表面光滑，因此推荐采用添加KYHS系列有机缓蚀剂的方法控制油井钢材腐蚀。此外，为保证正确使用KYHS系列有机缓蚀剂，要求在油井生产运行过程中，严格检测污水水质情况，监控缓蚀剂加药量，测试油井钢材腐蚀速率，以避免因腐蚀结垢而造成油井返修及躺井。

目前，该缓蚀剂已用于大港油田其他油井的化学治理，由于试验时间较短，加药效果仍在继续跟踪观察中。但已有的研究结果表明，该缓蚀剂适合在大港油田广泛推广应用。