新型注水管内衬材料的应用

徐 娟，易冬蕊，王春孝，韩轩敏

(1.延长油田股份有限公司子长采油厂，陕西 延安 716000;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075)

油田开采进入中后期时普遍采用注水采油技术来提高采收率，既减少了环境污染，又达到了采出水处理后回注的目的。但随着油田开采期的增长，注水水质不断恶化，往往会造成注水层、油井管、地面设施和集输管线出现腐蚀和结垢现象，严重影响了油田的正常生产，降低油气产量，缩短油井使用寿命，增加了管线与设备维修和更换的频率[1]。

1 注水管使用情况

延长油田一般采用碳钢/304不锈钢复合管作为注水管线的主要材料，2008年开始对污水进行循环使用。从使用情况来看，管内结垢造成注水管线局部腐蚀并日趋严重，最终导致管线漏失频繁甚至腐蚀穿孔。碳钢/304不锈钢复合管的平均使用寿命在2 a，给注水管线的维护及油田的正常生产带来很大的影响。

腐蚀缩短了管线的使用寿命，降低了管线的输送能力，不仅增加经济成本，还容易引发意外事故。根据调查，延长油田某注水站共有注水井54口，管线总长度合计30 km，平均腐蚀速度达0.12 mm/a，平均穿孔率为每年每千米2.4次。在部分管线严重损失区块，管线更换周期不足3 a，最短的仅3～4个月，所更换的注水管中有90%以上是因腐蚀、结垢而造成。该注水站由于腐蚀引起的直接经济损失就达3×108RMB¥，而由于更换管柱、管线影响作业和生产，导致间接经济损失达10×108RMB¥左右。

2 注水管腐蚀结垢分析

对延长油田某注水站注水管内垢样进行光谱分析，分析结果见表1。

表1 注水管内垢样光谱分析Table1 Analysis of optical spectrum to the filth in waterflood pipe

从表1中可以看出，碳钢/304不锈钢复合注水管内垢样主要化学元素为 Fe，Na，Cl，Ca，O，Si，由于Fe元素质量分数约高达60%，而Ca元素质量分数仅为6%，可判断管内垢样主要由注水管内部腐蚀产物(铁锈)组成，而并非硬水结垢所致。垢样中还含有大量的氯元素，且水样pH值为5，表明管内水质显弱酸性，会导致304不锈钢发生严重点蚀。

碳钢/304不锈钢注水管线的腐蚀属于电化学腐蚀，是金属和周围介质发生阴极反应而导致耗损和结垢。这种结垢与由水质原因造成的结垢不同，是管道本身材料转换而成。水中的溶解氧通过电化学腐蚀的方式侵袭管道基体，水垢覆盖的管道表面在电池反应中成为被腐蚀的阳极而逐渐氧化，并向管壁内部不断侵入，这种水垢需要格外防范。通常注水井的井口溶解氧含量较高，但并不是注水井的井口才会有严重的腐蚀结垢。水中溶解的硫化氢气体、二氧化碳气体及铁细菌、硫酸盐还原菌等都可以借助水垢的掩护腐蚀管道基体，形成严重的垢下腐蚀，其腐蚀产物(硫酸铁、硫化铁等)又形成新的深层水垢。

具体腐蚀过程如下:内衬304不锈钢在含有大量氯离子的弱酸性污水中发生点蚀(焊缝附近的热影响区，点蚀情况更加严重)，点蚀孔逐渐贯穿到碳钢基管的内表面。由于碳钢与304不锈钢之间存在很大的电差位，引起严重的电偶腐蚀，加剧了腐蚀产物(铁锈)的产生。这些铁锈在注水管内不断堆积，最终形成结垢层。

综上所述，该站注水管的腐蚀泄漏和管内结垢在本质上是由同一个原因造成，即复合管内衬材料的耐蚀性能不足。因此，只要解决复合管内衬管的耐蚀性，就能同时解决注水管的腐蚀和结垢问题。

3 新合金材料的选用

由上述分析可知，油田注水管线的防腐蚀措施重点是选择具有优良耐蚀性能的内衬材料。管道的内衬技术主要有:内衬塑料管、内衬不锈钢、内衬玻璃钢等。为了保证注水管线的耐蚀性和经济性要求，复合管内衬材料的选择必须考虑其在工况污水水质中的耐腐蚀性能。经过各项分析测试，优先选用B15合金作为内衬不锈钢管试用材料。

3.1 B15 耐蚀性能

B15合金是一种铜镍合金，在海水中的耐蚀性能是十分优良。在人工海水(3.5%NaCl)和延长油田污水水质中，分别测量该合金的腐蚀电位、点蚀电位、点蚀保护电位以及腐蚀电流密度，并和304，316L不锈钢进行比较。测试数据见表2。

表2 不同材质的腐蚀电化学测试结果Table2 Results of different material corrosion electrochemical test

由表2可知，在工况污水介质中，B15合金焊缝热影响区的腐蚀电位比较低，腐蚀速度约为0.053 mm/a。如果采用 0.5 mm 壁厚的衬管，理论使用寿命约为10 a，保守使用寿命应在5 a以上。而远离焊缝热区的母材区，腐蚀电位较高，理论使用寿命相对于焊缝热区提高了2倍。母材和焊缝热区的腐蚀电位值均明显低于304不锈钢，表明即使B15合金局部破损，也不会造成严重的电偶腐蚀。另外，采用体积分数为10%FeCl3溶液做全浸点蚀性能测试，结果同样表明B15合金比304和316L不锈钢的抗点蚀性能强。

3.2 注意事项

由于B15合金塑性好、强度低，因此在复合管旋压或拉拔成形过程中应该特别注意不能损伤衬管。在复合管现场安装焊接过程中，应采用B15合金焊丝并施加过渡层的小线能量氩弧焊焊接措施。

4 经济效益评价

按照试验及现场使用情况，B15合金复合管在无外力损伤的情况下，其寿命不少于10 a，而普通不锈钢复合管的寿命为2～4 a。普通不锈钢复合管若按平均4 a计算，B15合金复合管使用寿命是普通不锈钢复合管的2.5倍。在相同操作条件下，达到同样的使用寿命，每千米B15(DN48 mm)合金复合管注水管线的主要材料、运输和安装费用为20×104RMB ¥，每千米普通不锈钢复合管(D32 mm)的主要材料、运输和安装费用为17×104RMB¥，即B15合金复合管管线的总造价是普通钢质注水管线总造价的1.2倍。一般情况下，普通不锈钢复合管使用2年后开始出现穿孔，造成跑水淹地、污染环境，而每处穿孔的青苗赔偿及施工费用约达2000 RMB¥。如果每年每条管线穿孔15次，2条B15合金复合管12年间可减少支出数十万元。

5 结论

综上所述，采用B15合金衬管比普通不锈钢衬管取得的经济效益和社会效益好，按照5 a使用寿命计算，每年每米新型B15合金复合管的成本约为75～220 RMB ¥;而按照10 a使用寿命计算，每年每米新型B15合金复合管的成本约为38～110 RMB¥。如果能够解决B15合金焊缝热影响区耐蚀性相对薄弱的技术问题，其经济效益会更加可观。

[1]罗庆金，杨柳岸，舒福昌，等.青海油田注水和集输管线结垢因素及垢组成分析[J].长江大学学报(自科版)，2005，2(1):34－36.

[2]张冰清，罗云，臧士宾，等.油砂山油田管线结垢类型及成因分析[J].钻采工艺，2000，23(4):56－58.

[3]李金贵，赵闺彦.腐蚀和腐蚀控制手册[M].北京:国防工业出版社，1988:4－6.