空气泡沫驱腐蚀因素与腐蚀性灰色关联分析

李志坪，饶天利，曹 瑛，龙永福，宋文皎，陈超灵，梁 雷，刘 祥

(1.长庆油田分公司 第三采油厂，宁夏 银川 750006； 2.西安石油大学 化学化工学院，陕西 西安 710065)

引 言

空气泡沫驱将注空气驱和泡沫驱有机结合起来，用泡沫作为调剖剂，空气作为驱油剂，既能大规模注入提高地层压力，又能有效避免水窜和气窜问题，提高单井产油量、驱油效率，成本低，安全可靠，是具有很好发展前景的三次采油方式之一，目前正在被大量用于试验和开采中[1-2]。空气泡沫驱虽然有诸多优点，但由于将空气引入注采系统，加之其与注入水和其他助剂的相互作用，在地层的高温高压环境下，会对注采系统设备、管线造成严重腐蚀[3-4]。而有关空气泡沫驱系统腐蚀性的实验报道尚少，在实际生产过程中也缺乏对腐蚀主控因素及相关腐蚀规律的研究。本文结合长庆油田分公司第三采油厂空气泡沫驱的生产实际，有针对性地开展了空气泡沫驱系统腐蚀因素(如：O2含量、CO2含量、压力、pH值、温度、矿化度等)的腐蚀性实验，利用灰色理论分析方法，明确了空气泡沫驱系统的主要腐蚀因素。

1 实验方法

1.1 实验药品和仪器

1.1.1 主要实验药品

氯化钠、氯化钙、氯化镁、碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸钠等，均为市售分析纯化学试剂。起泡剂(AES)、泡沫稳定剂(PAM)，为工业品。

1.1.2 主要实验仪器

空气泡沫驱腐蚀性实验模拟装置(自制， 流程如图1所示)， 装置由储液罐、平流泵、气源、泡沫发生器、压力容器、恒温箱等组成；J55钢腐蚀试片(山东省阳信县盛鑫科技有限公司)。

图1 腐蚀评价装置示意图Fig.1 Schematic diagram of corrosion evaluation device

1.2 腐蚀实验方法

1.2.1 模拟水样配制

称取一定质量的CaCl2、MgCl2、Na2SO4、Na2CO3、NaHCO3，溶于蒸馏水中，配制模拟水样。各组分含量见表1。

表1 模拟水样组成Tab.1 Composition of simulation water

1.2.2 空气泡沫液配制

取一定质量的模拟水样，在不断搅拌下，依次加入起泡剂、泡沫稳定剂，配成含有质量分数为0.3%起泡剂和0.03%泡沫稳定剂的空气泡沫液，备用。

1.2.3 空气泡沫驱腐蚀性实验

先将配制的空气泡沫液加入到储液罐，在压力容器中安装好实验挂片，密封压力容器，连接好实验装置，检查装置的气密性。再通入N2置换压力容器中的空气，然后分别调整O2、N2和CO2气体流量使混合气体组成达到设定要求；开启平流泵，使泡沫液与混合气体在泡沫发生器按设定比例混合产生空气泡沫，产生的空气泡沫从装挂片的压力容器上端进入、下端流出，同时加热恒温容器至设定温度。待温度和压力达到设定值1 h后，关闭压力容器两端阀门，停止通气，关停平流泵。装有挂片的压力容器继续在设定温度保持7 d，打开装置，取出挂片。实验用试片的前、后处理和腐蚀速率计算参照中华人民共和国石油天然气行业标准“SY/T5273—2000”《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》进行[5]。

2 结果与讨论

2.1 空气泡沫驱系统的腐蚀因素

空气泡沫驱注入系统的腐蚀性，除空气泡沫驱系统施工工艺外，主要受气源、水源、温度和压力等影响。实验选取空气泡沫驱系统的腐蚀因素：O2含量、CO2含量、压力、pH值、温度、矿化度，测试其对腐蚀速率的影响。

2.1.1 氧气含量对腐蚀速率的影响

氧气在腐蚀过程中一方面可以作为阴极去极化剂，另一方面又可以作为阳极缓蚀剂，呈现不同的作用。在80 ℃、 4 MPa的条件下，挂片7 d，测试混合气体中氧气含量对试片在空气泡沫液中腐蚀速率的影响，实验结果见表2。

表2 O2含量对腐蚀速率的影响Tab.2 Effect of O2 content on corrosion rate

从表2可以看出，随着氧气在混合气体中含量的增加，试片的腐蚀速率显著增大，且存在点蚀。这是由于空气泡沫液具有较大的黏度，体系中存在大量微气泡，微气泡粘附在试片表面，造成局部氧含量增高，使试片发生不均匀腐蚀而产生点蚀。

2.1.2 压力对腐蚀速率的影响

体系压力增加，氧气在溶液中的溶解度增大，从而使腐蚀速率增大。在80 ℃，N2与O2配比(90%N2、10%O2)不变的情况下，测试在空气泡沫液中压力对试片腐蚀速率的影响，实验结果见表3。

表3 压力变化对腐蚀速率的影响Tab.3 Effect of pressure on corrosion rate

从表3可以看出，在N2与O2配比和温度不变的情况下，随着体系压力增加，由于氧气在空气泡沫液中溶解度的增加，钢片的腐蚀速率增加。

2.1.3 温度对腐蚀速率的影响

在混合气体组成(O220%，N280%)、压力(4 MPa)不变的情况下，改变实验温度，测试试片在空气泡沫液中的腐蚀速率，结果见表4。

表4 温度对腐蚀速率的影响Tab.4 Effect of temperature on corrosion rate

从表4可以看出，随着实验温度升高，O2反应活性增加，促进了试片腐蚀反应，从而使腐蚀过程加快，因此，随温度升高腐蚀速率增大。

2.1.4 二氧化碳含量对腐蚀速率的影响

水中溶解的CO2一般会造成金属设备、管线的全面腐蚀。在80 ℃，N2和O2配比为90%N2、10%O2，压力为2 MPa的条件下，挂片7 d，测试在空气泡沫液中CO2含量对试片腐蚀速率的影响，实验结果见表5。

表5 CO2含量对腐蚀速率的影响Tab.5 Effect of CO2 content on corrosion rate

从表5可以看出，随着CO2含量的增加，试片的腐蚀速率略有增加。这可能是因为混合气体中CO2含量较低，在实验考察的CO2含量变化范围内，对试片腐蚀速率的影响较小。正常情况下，CO2在空气中的含量约为0.03%，因此，在空气泡沫液驱替过程中，该腐蚀因素的影响较小。

2.1.5 pH值对腐蚀速率的影响

实验先配制不同pH值的空气泡沫液，在混合气体组成为O220%、N280%，80 ℃，0.4 MPa的条件下，挂片7 d，测试了试片在pH值分别为5、6、7、8、9、10的空气泡沫液中的腐蚀速率，实验结果见表6。

表6 pH值对腐蚀速率的影响Tab.6 Effect of pH on corrosion rate

由表6实验结果可知，在pH值5～10范围内，随着空气泡沫液pH值增大，试片的腐蚀速率先减小后增大，pH值为8时腐蚀速率最小。主要是因为，pH值在4～8范围内变化时，H+浓度减小，阴极的还原速度下降，钢片的腐蚀速率随之减小；在pH值大于8后，体系中OH-浓度有所增加，增大了阳极的溶解速率，所以腐蚀速率随之增大[6]。

2.1.6 矿化度对腐蚀速率的影响

实验先配制矿化度分别为4 000、8 000、12 000、16 000、20 000、24 000 mg/L水样，再将各水样按0.3%起泡剂和0.03%泡沫稳定剂配制空气泡沫液。在混合气体组成为O220%、N280%，80 ℃，0.4 MPa的条件下，挂片7 d，测试试片在空气泡沫液中的腐蚀速率，实验结果见表7。

表7 矿化度对腐蚀速率的影响Tab.7 Effect of mineralization on corrosion rate

由表7可知，随着矿化度的增加，试片的腐蚀速率变化不规律，但总体呈增加趋势。这是因为矿化度达到一定含量后，电解质中的Cl-会在金属表面发生电化学吸附，形成一层保护膜，从而抑制金属的腐蚀；另一方面电解质可以增加阳极反应电流，促进阳极溶解速度从而加快腐蚀。两种因素的共同作用，造成随着矿化度的增加腐蚀速率总体呈增加趋势[7]。

2.2 腐蚀因素与腐蚀性灰色关联度分析

灰色关联度分析是通过计算比较序列对于参考序列的相关程度，找出系统中对参考序列的主要和次要影响因素[8]。基于灰关联定理Ⅱ对表1～表6所得实验结果进行序列的零点化、序列的初值化、求绝对关联度ε0i和相对关联度r0i，最后计算综合关联度θ0i：

θ0i=ρ×ε0i+(1-p)r0i。

式中：θ0i为某因素的综合关联度，ρ为分辨系数，取ρ=0.4。各参考序列与各比较序列的综合关联度计算结果见表8。

表8 综合关联度Tab.8 Comprehensive association degree of every factors

某因素的综合关联度越大，其对参考序列的影响越大。从表8可以看出，各腐蚀因素与腐蚀速率的综合关联度从大到小的排列顺序为：pH值、温度、O2含量、CO2含量、压力、矿化度，此即空气泡沫驱体系腐蚀速率受各腐蚀因素影响由大到小的次序。分析结果显示：pH值、温度、O2含量为空气泡沫驱系统的主要腐蚀因素。因此，在空气泡沫驱过程中，为降低腐蚀，应注意对pH值、温度、O2含量主要腐蚀因素进行控制。

3 结 论

(1)空气泡沫驱系统压力、温度、氧气的含量越高，腐蚀性越强；体系偏酸或偏碱都会加快腐蚀，在pH值为8时，腐蚀速率较小；矿化度、CO2含量在正常变化范围内，对腐蚀影响较小。

(2)空气泡沫驱系统腐蚀速率受各腐蚀因素的影响从大到小的排列顺序为：pH值、温度、O2含量、CO2含量、压力、矿化度。pH值、温度、O2含量为空气泡沫驱系统的主要腐蚀因素。因此，在空气泡沫驱过程中，为降低腐蚀，应注意对pH值、温度、O2含量等主要腐蚀因素进行控制。