基于正交试验的油田腐蚀结垢主控因素分析*

王营营，申 超，宋祖厂，杨海超

(1.中国石油大港油田采油工艺研究院,天津 300280；2.中国石油大港油田第三采油厂,天津 300280)

大港油田污水矿化度高(23 960 mg/L)、温度高(45～73 ℃)、腐蚀性气体质量浓度高(3 000 mg/L)、硫酸盐还原菌(SRB)数量超标(700个/mL)，造成地面管网、集输设备及注水井筒腐蚀结垢严重，给油田开发和生产带来了巨大危害[1-2]。目前针对油田注水系统腐蚀结垢原因及机理的研究较多，通过室内静态腐蚀试验以及现场腐蚀挂片试验可大致掌握现场的腐蚀情况，并获知硫化氢含量、温度和SRB数量等因素对腐蚀的影响程度，但是影响腐蚀结垢的主控因素尚不明确[3-5]。由于未考虑各因素协同作用的影响，腐蚀结垢机理仍需要进行深入研究[6-7]。根据大港油田GL-2典型区块的现役工况条件，设计正交试验，揭示出多因素耦合作用下腐蚀结垢的主控因素。

1 正交试验原理

正交试验方法是比较常用的研究主控因素的方法，是研究与处理多因素试验的一种科学有效的方法。该方法利用规格化的正交表进行试验设计，得到的试验结果再用数理统计方法进行处理，从而得出科学结论。正交试验能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验均具有较强的代表性，满足全面试验的要求，能够较好或更好地达到试验的目的。正交试验能否真实反映现场情况主要取决于影响因素和水平值的选择。

2 正交试验方案设计

正交试验方案设计要同时考虑影响因素的个数与范围以及正交规格表的选择。表1为大港油田GL-2区块的现役工况。根据GL-2区块的现役工况，确定其主控因素的分析采用L9(34)正交表，安排4个因素，每个因素取3个水平值。

表1 GL-2区块的现役工况

2.1 影响因素的选择

2.1.1 温 度

温度的选择应该覆盖现役工况温度范围，尤其要考虑到高温的影响，因此，温度水平值设定为40 ℃，60 ℃和90 ℃。

2.1.2 CO2质量浓度

参考表1中CO2质量浓度测量结果，并考虑数据波动的极值情况，将CO2质量浓度水平值设定为测量值的平均值、最小值(下浮50%)、最大值(上浮50%)。CO2质量浓度的三个水平值分别设定为79 mg/L，33 mg/L和132 mg/L。

2.1.3 SRB数量

SRB数量的选择需要同时考虑SRB的测量值、活性和生长特点，SRB数量的水平值分别设定为100个/mL，1 000个/mL和10 000个/mL。

2.1.4 硫化物质量浓度

正交试验结果可靠性的关键在于各因素水平值的精确控制，试验中最难控制的因素为硫化物质量浓度。为了更加贴近现场环境，制定了两个试验方案来控制硫化物质量浓度：第一个方案为Na2S试验方案，即通过往介质中加入Na2S来实现试验环境与现场环境的一致，Na2S质量浓度的水平值分别设定为20 mg/L，62 mg/L和147 mg/L；第二个方案为H2S试验方案，即通过往介质中通入H2S气体，能够直接模拟实际注水系统中的H2S腐蚀环境，在腐蚀动力学上与实际情况较为符合，但其缺点是在试验过程中会引起介质pH值的变化，H2S质量浓度的水平值分别设定为0 mg/L，20 mg/L和45 mg/L。

2.2 正交试验数据处理

根据正交试验的基本原理，对试验数据进行处理：第一步，计算每个因素各水平值导致结果(腐蚀速率)的综合评分；第二步，计算每个因素各水平值导致结果的平均评分；第三步，计算每个因素各水平值导致结果的平均评分的极差值R，即平均评分的最大值减去最小值；第四步，根据极差值R的大小进行排序，R值最大的因素即为腐蚀结垢主控因素。

3 正交试验方法及设备

正交试验采用电化学测试方法，测试仪器为Parstat 2273电化学工作站(见图1)。所用装置为标准三电极体系，如图2所示，三电极体系中测试试样为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。将三电极体系放置在HH-2数显恒温水浴锅(见图3)中调节试验温度。

图1 Parstat 2273电化学工作站

图2 电化学测试三电极体系

图3 HH-2数显恒温水浴锅

工作电极采用20号碳钢试样，尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，试样背面与导线相连，并采用环氧树脂覆盖，只露出一个面积为0.5 cm2的工作面，采用800号碳化硅砂纸对试样表面进行打磨。试验所用的腐蚀介质根据GL-2区块的污水成分配制而成。

培养的细菌样本如图4所示。培养细菌时，需要在现场采集水样，将水样密封并在4 ℃冷藏保存后对其中的细菌进行分离培养，获得SRB的生长曲线，预测其到达目标浓度时开始试验。

图4 培养的细菌样本

对电化学测试所得的极化曲线进行参数拟合可以得到腐蚀电流密度(Icorr)，然后根据法拉第定律计算腐蚀速率(CR)，将其作为腐蚀结垢主控因素的评价参数，其计算公式如下：

(1)

式中:A为原子量;Icorr为腐蚀电流密度，A/cm2；n为电化学反应转移的电子数；F为法拉第常数(1 F=26.8 A·h)；ρ为金属的密度，g/cm3。对于碳钢而言，A为55.845，ρ为7.85 g/cm3，n为2。

4 正交试验结果

图5和图6分别为Na2S和H2S正交试验的动电位极化曲线，对其进行参数拟合获取腐蚀电流密度，进而根据法拉第定律计算腐蚀速率。

根据极化曲线拟合得到的正交试验结果见表2和表3。

图5 Na2S正交试验的动电位极化曲线

图6 H2S正交试验的动电位极化曲线

表2 Na2S正交试验结果

表3 H2S正交试验结果

根据正交试验原理计算得到的极差值同样列在表2和表3中，将极差值进行排序便可得到相应的影响因素排序,结果见表4。

表4 两种方案中各影响因素排序

根据表4的结果可以认为，在正交试验所设置的参数范围内，温度是GL-2区块注水系统碳钢管线腐蚀的主控因素，其次是SRB的作用，硫化物和CO2对腐蚀的影响程度较小，这说明在注水系统现役工况条件下，温度对腐蚀速率的影响最大。

5 结论及建议

多因素耦合正交试验结果表明：在GL-2区块注水系统中,对碳钢管线腐蚀速率影响最大的因素是温度，其次是SRB数量，硫化物和二氧化碳含量影响较小。腐蚀结垢治理不仅要考虑缓蚀阻垢剂的耐温性能和缓蚀性能，还应重点考察其杀菌作用，因为SRB的存在会加速碳钢的腐蚀，其影响程度仅次于温度。建议对地面管线进行定期清理，抑制SRB繁殖生长，避免垢下腐蚀穿孔。通过正交试验明确了腐蚀结垢主控因素，取得了腐蚀结垢机理的初步认识，为油田的水质控制和阻垢剂研究明确了方向。