某油田污水管道腐蚀现状及防腐蚀措施研究*

孟春迎

（中海油 天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

随着各大油气田勘探开发进程的不断加快，油田污水的产量也越来越多，这类油田污水中不仅含有大量的盐类物质，还可能含有较多的酸性气体（CO2、H2S 等）、细菌、固相杂质以及其他有毒有害物质等，往往需要对其进行处理后才能达到排放或回注地层的要求[1-3]。而在油田污水处理或输送过程中，污水对管道的腐蚀作用不容忽视，污水中各种无机盐离子或酸性气体等物质的存在往往会使腐蚀进程加剧，并且在温度较高的情况下腐蚀现象更为严重[4-6]。污水管道的腐蚀不仅影响油气田的正常安全生产，维护或更换管道还会造成极大的经济损失。因此，对油田污水管道的腐蚀现状进行调研分析，并有针对性的提出防腐蚀措施建议具有十分重要的现实意义。

目前，针对油田污水管道的防腐蚀措施主要有选择耐腐蚀管材、使用防腐涂层、电化学防护以及添加缓蚀剂等[7-11]，其中往污水中添加缓蚀剂是油田污水管道最常用的防腐蚀措施，由于其防腐蚀效果好、操作简便以及成本较低等优点，使其在各大油田污水处理系统或管道防腐过程中得到了较为广泛的应用[12]。本文针对西部某油田污水管道腐蚀较为严重，采用涂抹防腐涂层效果较差的问题，通过分析污水水质和污水管道的腐蚀现状，有针对性的开展了缓蚀剂的优选工作，并评价了温度、pH 值和CO2含量对缓蚀剂防腐蚀效果的影响，以期为油田污水管道的高效防腐蚀措施研究提供一定的参考和借鉴。

1 实验部分

1.1 主要材料及仪器

实验用污水样品取自目标油田污水管道系统；浓HCl、NaOH，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；高纯CO2（99.999% 青岛得一气体有限公司）；缓蚀剂（HL-710、HL-712 常州海蓝化工有限公司）；缓蚀剂（RX-201、RX-211 陕西日新石油化工有限公司）；缓蚀剂（HSR-1、HSR-2 实验室自制）。

PHSJ-5T 型实验室pH 计（上海吉馨实业发展有限公司）；ICP 电感耦合等离子体发射光谱仪（山东方科仪器有限公司）；PNT500-CO2-IR-G-H 型便携式二氧化碳含量分析仪（深圳市瑞凯雷科技有限公司）；FA1204AS 型电子分析天平（上海佰博康仪器有限公司）；TC- 9030A 型电热恒温干燥箱（南京烔创科技有限公司）；MST6-DFY-3 型高温高压动态腐蚀实验仪（北京海富达科技有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 水质分析 参照石油与天然气行业标准SY/T 5329-2012《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》中的相关要求，对目标油田污水水质进行分析，主要包括水样密度、pH 值、离子组成、总矿化度以及CO2含量等指标。

1.2.2 腐蚀实验 以腐蚀速率为评价指标，采用挂片失重法开展油田污水对管道钢材的腐蚀实验，实验仪器为高温高压动态腐蚀实验仪，实验用钢片均为现场污水管道钢材加工而成，钢片材质均为碳钢20#，尺寸均为40mm×13mm×2mm，流速均设置为1.0m·s-1。

2 结果与讨论

2.1 油田污水管道腐蚀现状分析

2.1.1 污水水质分析 按照1.2.1 中的实验方法，对目标油田不同污水样品的水质进行了分析，具体实验结果见表1。

表1 现场污水水质分析结果Tab.1 Analysis results of on-site sewage quality

由表1 可见，目标油田污水具有以下特点：（1）污水的总矿化度较高，5 个水样的总矿化度均在70000mg·L-1以上；（2）污水中Cl-的含量较高，5 个水样的Cl-含量均在45000mg·L-1以上，容易对污水管道产生点蚀作用；（3）污水中Ca2+、Mg2+以及HCO3-的含量较高，水样容易结垢，加剧对管道的腐蚀进程；（4）污水中酸性气体CO2的含量较高，4#水样中CO2高达7.6%，容易对污水管道产生CO2腐蚀作用；（5）污水的pH 值呈弱酸性至中性，2#水样pH值为5.8，酸性状态易加剧腐蚀的进行。

2.1.2 污水管道腐蚀现状 由于目标油田储层温度较高，井口污水的温度可以达到90℃以上，而污水经过储液罐降温以后温度仍达到70℃左右，进入污水管道输送至污水回注站时的温度大约在40℃左右。污水温度高，加之污水中Cl-、易结垢的离子组分以及CO2的含量较高等因素，污水对管道的腐蚀较为严重。经过现场调研分析，对污水处理系统中外输泵出口附近的管道进行了腐蚀监测，腐蚀速率监测结果见表2。

表2 现场污水管道腐蚀速率监测数据Tab.2 Monitoring data of corrosion rate of on-site sewage pipeline

由表2 可见，污水管道监测点W-1 和W-4 处的腐蚀速率较大，从2020 年2 月份至2020 年8 月份的腐蚀速率基本均在1.5mm·a-1以上；而监测点W-2 和W-3 处的腐蚀速率较小，但也基本在1.0mm·a-1 以上，对污水管道的腐蚀较为严重。从现场实际情况来看，污水管道部分位置已经出现了明显的腐蚀穿孔现象，点蚀部位较多，存在较大的安全隐患。

目标油田污水管道之前采取的防腐蚀措施是在管道内部涂抹防腐涂层，由于防腐涂层的操作较为复杂，并且由于施工工艺原因容易导致涂层的涂抹不均匀现象，更易诱发较为严重的局部腐蚀现象，现场应用效果不理想。因此，需要对目标油田污水管道采取更加高效的防腐蚀措施，根据国内外污水管道防腐蚀措施调研分析结果，并结合目标油田现场实际情况，决定对该油田污水管道采取添加高效缓蚀剂的防腐蚀措施。

2.2 防腐蚀措施研究

按照1.2.2 中的实验方法，以污水对现场管道钢材的腐蚀速率为评价指标，开展了防腐蚀措施研究，优选出性能优良的缓蚀剂，并考察温度、pH 值和CO2含量对缓蚀剂防腐蚀性能的影响。

2.2.1 缓蚀剂类型优选 图1 为污水中添加不同类型的缓蚀剂后对钢片的腐蚀速率实验结果，其中缓蚀剂的加量均为50mg·L-1，实验温度均为50℃，污水pH 值均为7.0，CO2含量均为5%。实验用污水的总矿化度为74034mg·L-1，未添加缓蚀剂时污水对钢片的腐蚀速率为1.425mm·a-1。

图1 不同类型缓蚀剂对腐蚀速率的影响Fig.1 Effect of different types of corrosion inhibitors on corrosion rate

由图1 可见，加入不同类型的缓蚀剂后，污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率均明显降低，其中缓蚀剂HSR-1 的效果最好，加入HSR-1 后污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率可以降低至0.051mm·a-1，低于0.076mm·a-1，与未添加缓蚀剂的腐蚀相比，缓蚀率可以达到96.42%。因此，选择缓蚀剂HSR-1 继续进行缓蚀剂加量优选实验。

2.2.2 缓蚀剂加量优选 图2 为缓蚀剂HSR-1 不同加量时的腐蚀速率实验结果，其中实验条件均与2.2.1 中相同。

图2 缓蚀剂HSR-1 加量对腐蚀速率的影响Fig.2 Effect of dosage of corrosion inhibitor HSR-1 on corrosion rate

由图2 可见，随着缓蚀剂HSR-1 加量的不断增大，污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率呈现出逐渐降低的趋势。当缓蚀剂HSR-1 的加量达到60mg·L-1时，腐蚀速率可以降低至0.032mm·a-1，再继续增大缓蚀剂HSR-1 的加量，腐蚀速率基本不再变化。因此，综合考虑防腐蚀效果与经济成本等因素，推荐缓蚀剂HSR-1 的最佳加量为60mg·L-1。

2.2.3 温度对缓蚀剂性能的影响 图3 为温度对缓蚀剂HSR-1 性能的影响实验结果，其中缓蚀剂HSR-1 的加量均为60mg·L-1，污水pH 值均为7.0，CO2含量均为5%。

图3 温度对腐蚀速率的影响Fig.3 Effect of temperature on corrosion rate

由图3 可见，随着实验温度的不断升高，添加缓蚀剂HSR-1 后的污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率呈现出逐渐升高的趋势，但升高的幅度并不大。当实验温度为80℃时，腐蚀速率为0.071mm·a-1，仍低于0.076mm·a-1。这说明缓蚀剂HSR-1 具有良好的耐温性能，这是由于缓蚀剂HSR-1 属于改性咪唑啉季铵盐型缓蚀剂，制备过程中引入了一定量的耐温基团，使其在较高温度条件下仍能保持较好的防腐蚀效果。

2.2.4 pH 值对缓蚀剂性能的影响 图4 为污水pH值对缓蚀剂HSR-1 性能的影响实验结果，其中缓蚀剂HSR-1 的加量均为60mg·L-1，实验温度为50℃，CO2含量均为5%。

图4 污水pH 值对腐蚀速率的影响Fig.4 Effect of pH value of sewage on corrosion rate

由图4 可见，随着污水pH 值的逐渐升高，添加缓蚀剂HSR-1 后的污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率呈现出逐渐降低的趋势，即污水的pH值越低，腐蚀速率越大。这是由于在酸性条件下水中的H+含量较多，使钢片表面的去极化腐蚀反应进程加剧，并且钢片表面所形成的腐蚀产物膜在酸性环境下容易被溶解掉，使新鲜金属更多的暴露在污水中，从而使腐蚀速率有所增大。当污水的pH 值范围在3~9 之间时，污水对钢材的腐蚀速率均低于0.076mm·a-1，这说明缓蚀剂HSR-1 具有良好的耐酸碱性能，在不同pH 值污水环境中均能对目标油田污水管道起到良好的防腐蚀效果。

2.2.5 CO2含量对缓蚀剂性能的影响 图5 为污水中CO2含量对缓蚀剂HSR-1 性能的影响实验结果，其中缓蚀剂HSR-1 的加量均为60mg·L-1，实验温度为50℃，污水pH 值均为7.0。

图5 污水中CO2 含量对腐蚀速率的影响Fig.5 Effect of CO2 content in sewage on corrosion rate

由图5 可见，随着污水中CO2含量的逐渐升高，添加缓蚀剂HSR-1 后的污水对目标油田污水管道钢材的腐蚀速率呈现出逐渐升高的趋势，即污水中CO2含量越多，腐蚀速率越大。这是由于CO2属于酸性气体，其在污水中会发生溶解反应，并生成大量的H2CO3，电离出的H+会使氢去极化腐蚀反应进程加剧，从而增大了腐蚀速率。当污水中CO2的含量达到10%时，添加缓蚀剂HSR-1 后的污水对钢片的腐蚀速率仍能低于0.076mm·a-1，这说明缓蚀剂HSR-1具有良好的抗CO2腐蚀效果，当污水中CO2的含量较高时，仍能发挥较好的防腐蚀作用，使其能够在高含CO2油气田污水处理系统中应用。

3 结论

（1）目标油田污水中Cl-、Ca2+、Mg2+和HCO3-的含量比较多，污水pH 值偏弱酸性，并且其中CO2的含量也比较高。污水管道现场腐蚀监测点W-1 和W-4 处的腐蚀速率均在1.5mm·a-1以上，污水管道腐蚀现象较为严重。

（2）缓蚀剂HSR-1 对目标油田污水管道的防腐蚀效果最好，当其加量为60mg·L-1时，腐蚀速率可以降低至0.032mm·a-1，缓蚀率可以达到95%以上。温度越高、污水pH 值越低、污水中CO2的含量越多，污水对目标油田管道钢材的腐蚀速率就越大。加入缓蚀剂HSR-1 后污水对管道钢材的腐蚀速率均能控制在0.076mm·a-1以下，防腐蚀效果较好。