金县1-1 水源井缓蚀阻垢剂筛选的实验研究

2021-01-28赵顺超戚亚东陈华兴吴华晓方涛

装备环境工程 2021年1期

赵顺超，戚亚东，陈华兴，吴华晓，方涛

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452）

水源井水用于注入油藏驱油，对于提高采收率具有重要意义[1-2]。水中的矿化成分、二氧化碳、硫化氢等腐蚀性气体会对井下管柱造成腐蚀和结垢，加剧管柱腐蚀穿孔进而导致管柱断裂[3-5]。根据现场气体组分分析结果，A1W 井产出流体中含有硫化氢气体，质量浓度为183 mg/m。金县1-1 油田水源井A1W 井的N80 油管腐蚀结垢情况如图1 所示。从图1a、b可以看出，油管表面有非常明显的腐蚀产物沉积，图1c 为油管严重腐蚀后穿孔。图2 的XRD 分析显示，波峰主要对应的物质是碳酸钙及铁的氧化物，未发现铁的硫化物的原因可能是样品长时间暴露在空气中，硫化氢腐蚀产物被氧化而形成了铁的氧化物[6]。

图1 油管内外壁Fig.1 Inner and outer wall of tubing

图2 油管壁取样XRDFig.2 XRD of tubing wall sampling

对水源井水进行碳酸钙结垢趋势预测[7]，SAI 计算公式参照SY/T 0600—2009《油田水结垢趋势预测》，A1W 井水在各个时期和不同pH 值环境下的SAI值见表1。从表1 数据分析可知，在温度70 ℃下的SAI值都小于5，可判断A1W 井水从开始生产到目前碳酸钙结垢趋势严重。

表1 A1W 井水在各个时期和不同pH 值环境下的SAI 值Tab.1 SAI value of A1W well water in various periods and different pH environments

使用耐蚀合金材料和缓蚀剂是油气田控制腐蚀的常用措施，但耐蚀合金价格昂贵[8-11]。2015 年5月修井作业更换了防硫油管，但防腐效果并不好，2016 年5 月又进行了换管柱的作业。缓蚀剂和阻垢剂按一定的比例混合成缓蚀阻垢剂，注入井中后，可对整个系统中的管柱起到保护作用[12-13]。针对陆地油田适用的缓蚀阻垢剂，一些学者进行了相关研究，但对于海上水源井缓蚀阻垢剂的研究相对较少[14-20]。因此，文种针对金县1-1 油田水源井腐蚀结垢问题，先进行阻垢剂和缓蚀剂的单剂筛选，最后进行阻垢剂和缓蚀剂的配伍性实验，得出一种适合该油田的缓蚀阻垢剂，从而达到延长水源井井下管柱使用寿命的目的。

1 实验

1.1 模拟井筒条件腐蚀实验

为了进一步了解A1W 井含硫化氢的水对N80钢的腐蚀性和结垢性，根据模拟井下实际工况，采用如图3 所示的高温高压动态腐蚀测试仪，在温度为70 ℃、水的流速为2.7 m/s、硫化氢分压为0.002 MPa 的条件下，研究N80 钢的腐蚀结垢情况。实验所用液体的离子浓度见表2，pH 为7.08，实验时间为72 h。

表2 A1W 井水质分析结果Tab.2 A1W well water quality analysis results mg/L

图3 高温高压动态腐蚀测试仪Fig.3 High temperature and high pressure dynamic corrosion tester

1.2 阻垢剂筛选实验

1）实验标准。阻垢剂筛选实验参照的标准为SY/T 5673—93《油田用防垢剂性能评定方法》，防垢率的计算方法为：

式中：Ef为阻垢率，%；C1为加防垢剂时，溶液中Ca2+浓度，mg/L；C0为不加防垢剂时，溶液中Ca2+浓度；mg/L；C为不考虑沉淀时，溶液中Ca2+浓度，mg/L。

2）实验条件。实验用水采用A1W 井的产出水，实验温度为70 ℃。

3）仪器、药品与材料。试验仪器有水浴锅、干燥箱等，实验所用阻垢剂种类见表3。

表3 实验用阻垢剂种类Tab.3 Types of scale inhibitors for experiment

4）实验方案。将N80 挂片置于装有A1W 井产出水和阻垢剂的试验瓶中，每种阻垢剂的质量浓度为20 mg/L，水浴锅温度为70 ℃，反应时间为16 h。

1.3 缓蚀剂筛选实验

实验选取三种缓蚀剂进行缓蚀剂的室内效果评价。

1）实验标准。缓蚀剂筛选实验参照 SY/T 5273—2014《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》，缓蚀率计算方法为：

式中：η为平均缓蚀率，%；Δm0为空白对照组试样的质量损失，g；Δm1为加缓蚀剂试样的质量损失；g；

2）实验条件。实验用水采用A1W 井的产出水，实验温度为70 ℃。

3）实验方案。实验方法参照SY/T 5273—2014《油田采出水用缓蚀剂性能评价方法》。将N80 实验试样片分别放入加有以上三种缓蚀剂的水源水中，缓蚀剂种类见表4。缓蚀剂分为50、100、200 mg/L 三种不同的质量浓度，反应时间为96 h。将取出的腐蚀挂片处理后，放在光学显微镜下，观察其微观腐蚀形貌，然后清洗掉腐蚀产物，计算腐蚀速率。

表4 实验用缓蚀剂种类Tab.4 Types of corrosion inhibitors for experiment

1.4 配伍性实验

两种性能较好的缓蚀剂和阻垢剂复配之后，可能由于不配伍，降低了复配药剂的缓蚀阻垢性能[21-22]，因此开展药剂配伍性试验。将单剂筛选后的缓蚀剂和阻垢剂，按照8:1~12:1 的比例进行混合，总质量浓度控制在200 mg/L。将混合后的溶液在实验室静置30 天，如果没有出现絮凝和沉淀等现象，那么此种缓蚀剂和阻垢剂的配伍性好。将配伍性好的缓蚀剂和阻垢剂以不同比例复配，进行缓蚀性能和阻垢性能的测试。

2 结果及分析

2.1 模拟井筒条件实验结果

N80 挂片在含有硫化氢条件下腐蚀后的微观照片如图4 所示。由图4a 可以看出，腐蚀后的N80试样表面可以看见较薄的垢膜和固体颗粒状的腐蚀产物，图4b 是N80 试样清洗后表面的微观形貌，浮垢和浮锈清洗后，试样表面仍然附着有较多的垢和锈，浮垢下有明显的腐蚀。图4c 是锈和垢完全清除后试样表面的微观照片，可以看出，试样表面呈局部腐蚀的特征，由点蚀变为坑蚀，小坑蚀变为大的坑蚀。挂片平均腐蚀速率为0.268 mm/a，属于严重腐蚀。通过室内模拟实验可知，N80 油管在此环境中确实有发生严重腐蚀结垢的风险，表现出较为明显的垢下腐蚀。

图4 模拟井筒条件下腐蚀后的N80 试片Fig.4 N80 specimen after corrosion under simulated wellbore conditions

2.2 阻垢剂筛选结果与分析

阻垢剂可以有效阻止金属表面垢的生成，也可以让已经沉积的垢层结构发生变化，使垢层变得松散，容易被冲刷掉。实验结果见表5，可以看出，加入不同的阻垢剂后，垢层的沉积状态类型有所不同。加入PAA、MA-AA、AA/AMPS 这三种阻垢剂后，试样表面形成软垢，垢层较为松散，容易于被冲刷。

根据A1W 井的水质特征，选择了五种阻垢剂进行实验，结果见表6。阻垢率从大到小依次为MA-AA（86.6%）>HPMA（84.6%）>AA/AMPS（84.2%）>PAA（82.6%）>PBTCA（81.9%）。综合考虑垢样沉积形态和阻垢率，优选出HPMA、MA-AA 和AA/AMPS三种阻垢剂进行下一步实验。

表5 垢层沉积状态的比较Tab.5 Comparison of scale deposit state

表6 五种阻垢剂的阻垢率对比Tab.6 Comparison of scale inhibition rates of 5 kinds of scale inhibitors

将N80 试片放入加有三种阻垢剂的水源水中反应，试片微观形貌如图5 所示。图5a 和图5c 分别为MA-AA、HPMA 阻垢剂中的试样，可以看到有垢晶体生成，并且阻垢剂HPMA 中的挂片存在较明显的点蚀和坑蚀，说明HPMA 缓蚀效果较差。图5b 为AA/AMPS 阻垢剂中的挂片试样，挂片表面干净，没有垢晶体，且不存在明显的点蚀现象，因此选择AA/AMPS 作为A1W 井的阻垢剂。

图5 在不同阻垢剂中反应后N80 试片的微观形貌Fig.5 Microscopic morphology of N80 specimens after reaction in different scale inhibitors

2.3 缓蚀剂筛选结果与分析

N80 试样在三种缓蚀剂不同浓度下的缓蚀率见表7，三种缓蚀剂均在质量浓度100 mg/L 时达到最佳缓蚀效果。其中缓蚀剂HS-3 缓蚀性能最好，缓蚀率达到87.34%。N80 试样腐蚀微观形貌如图6 所示，缓蚀剂UT2-1、PG1 中的挂片表面有较为严重的结垢，这些垢晶体对挂片表面的腐蚀状况有所遮盖，但仍能看出挂片有较为明显的点蚀。缓蚀剂HS-3 中的挂片表面光亮无明显的点蚀现象。综合考虑缓蚀速率和挂片表面微观形貌，选择缓蚀剂HS-3 作为A1W 井缓蚀剂。

图6 加入缓蚀剂后试片腐蚀后的微观形貌Fig.6 Microscopic morphology of specimens after corrosion after adding corrosion inhibitor

表7 三种缓蚀剂在不同浓度下的缓蚀率Tab.7 Corrosion inhibition rate of three corrosion inhibitors at different concentrations

2.4 配伍性实验结果

把HS-3 缓蚀剂和AA/AMPS 阻垢剂这两种筛选出来的单剂进行配伍性实验，按照8:1~12:1 的质量比进行复配。复配后的溶液在实验室内静置30 天，没有出现絮凝和沉淀等现象，缓蚀剂和阻垢剂的配伍性好。

复配后药剂缓蚀阻垢效果见表8。在相同的总浓度下，将缓蚀剂HS-3 和阻垢剂AA/MPS 进行不同的浓度复配实验。随着缓蚀剂HS-3 比例的增大，N80试样腐蚀速率也随之增大，但阻垢率随之降低。当缓蚀剂和阻垢率配比在11:1 时，缓蚀性能和阻垢性能都达到比较好的水平，缓蚀率和阻垢率都达到了85%以上，N80 试样的平均腐蚀速率为0.059 mm/a，低于油田的腐蚀控制指标（0.076 mm/a）。