隨著油氣田開采需求的增長，油氣田開發進入中后期，油氣藏需要通過注水的方式提高油氣采收率。注水水源常采用地面水、采出水等，而注水中高氯離子、礦化度、腐蝕性細菌等，使得地面管線及井下管柱產生嚴重的腐蝕與結垢問題，導致注水系統管線出現堵塞、穿孔、泄漏等，嚴重影響了油氣的安全高效開采。

01 注水系統腐蝕風險

在實際注水工藝過程中，為了節約資源和保護環境，采出水、地面水、海水等通常會進行二次回注，尤其是采出水與其他水混注的方法更被廣泛應用。

國外某油田油氣藏的注入水來自于生產水與河水的混注水，二者質量比約為5∶1，水質成分包括：11192 mg/L Ca2+，2350 mg/L Mg2+，590 mg/L HCO3-，111032 mg/L Cl-，745 mg/L SO42-，80 mg/L S，55325 mg/L K+和Na+。可以看出注入水的水質硬度大，礦化度高（181314 mg/L），水中Cl-含量高，且含有大量細菌（2.5個/mL）。因此注水井和注水管線的穿孔比例與穿孔速率呈現逐年上升趨勢。該油田注水系統的腐蝕情況具有普遍性。

該油田注水井的井下油管失效以內腐蝕穿孔和內部結垢為主，部分油管存在外腐蝕。失效油管的平均穿孔年限為2.1年，平均穿孔速率達到3.6 mm/年。在全井深范圍內自上而下腐蝕結垢呈逐漸加重的趨勢，500 m以下結垢相對較為嚴重，外壁結垢情況有所不同，封隔器以上結垢輕微，封隔器以下結垢較為嚴重，結垢導致平均穿孔年限逐年縮短，更換管柱的費用也逐年升高。

地面注水管線的腐蝕與介質含水率、流速等密切相關。隨著油氣生產需求增大，注水量逐年增大，注水管線及相關設備的腐蝕更加嚴重。

某油田管線流速較大，注水支線平均穿孔年限3.07年，服役2年內穿孔管線占比21%，服役2~5年穿孔管線占比58%，平均穿孔速率3.1 mm/年，其中最短穿孔時間僅49天。注水管線穿孔位置主要分布在管線底部易積水的六點鐘方向，這主要是因為兩相分層后油水混合物中的水相易在管線底部沉積，其腐蝕條件相對較為苛刻。

02 注水系統腐蝕影響因子

注水井及地面注水系統管線的腐蝕主要為細菌腐蝕及垢下腐蝕，注水系統運行較短時間即發生“腐蝕→結垢→堵塞/穿孔”現象。造成腐蝕的因素主要是腐蝕介質因素和腐蝕環境因素。

介質因素（礦化度、結垢離子、溶解氣）

油氣田注水系統水質礦化度較高，為5000~200000 mg/L，Cl-質量分數在幾十到150000 mg/L不等，且其中的Fe2+和S2-對水質的穩定性有很大影響。

采出水經過處理后可作為回注水使用，處理后的水中Fe2+和S2-含量顯著降低，但水中依然含有大量其他陰陽離子，如Cl-，Na+，K+等，水質總體保持平衡，水型維持原樣，與地層水性質相近。

同時水中還有CO32-，HCO3-，SO42-和Ca2+，Mg2+，Ba2+等易結垢離子，當回注水溫度、壓力和pH達到特定值時，會促進相應的難溶化合物CaCO3，CaSO4以及BaSO4的形成，結垢物沉積并覆蓋于管道內壁上，逐漸形成水垢，反應式如下：

Ca2++CO32- → CaCO3

Ca2++2HCO3- → CaCO3+CO2+H2O

Ca2++SO42- → CaSO4

Ba2++SO42- → BaSO4

另外，水中硫酸鹽還原菌（SRB）的存在進一步促進了腐蝕結垢，SRB將SO42-還原為S2-，S2-與金屬管道溶解產生的Fe2+結合形成FeS沉淀，FeS腐蝕產物與結垢沉積物膠黏在一起，附著在金屬管壁表面成為陰極，管道作為陽極，在管道內壁形成局部電池，從而加速管道內壁的腐蝕。

水中溶解氣也是造成油田產出水或注水系統管線設備腐蝕的重要因素，一般情況下，產出水不含溶解氣體，但在注水工藝中，某些操作易使空氣中的CO2，O2等進入水中，導致注入水中的溶解CO2、溶解O含量升高。

在分別含等量O2，CO2，H2S的環境中，碳鋼在含O2環境中的腐蝕速率是在含其他兩種氣體環境中的近百倍。O2是強陰極去極化劑，O2溶于水中容易促使管線發生電化學腐蝕。CO2溶于水后也具有較強的腐蝕性，相同pH下，低碳鋼在溶解CO2環境中的腐蝕速率為7 mm/年，在厭氧條件下的腐蝕速率高達20 mm/年，CO2也會導致油井管的服役壽命大幅度下降。

服役環境（溫度、流速）

管線的腐蝕環境會影響管線腐蝕動力學速率。腐蝕溫度是影響腐蝕的重要因素，溫度變化影響著電化學反應速率、結垢趨勢、細菌繁殖速度等。

在密閉環境中，隨著溫度的升高，金屬腐蝕速率增大，這主要是由于溫度升高加快了電化學反應過程的傳質速率；同時，溫度升高（>40 ℃）導致成垢離子的溶度積減小，在水中的溶解度降低，鹽類沉淀物更容易析出，這也解釋了在井底溫度較高時管道的易成垢現象；溫度也影響著細菌的生長和繁殖，以SRB為例，將其分為嗜溫SRB和嗜熱SRB，嗜溫SRB的最佳生長溫度為36 ℃，嗜熱SRB的最佳生長溫度為40~70 ℃，溫度升高或降低都不利于細菌的生長代謝，并會影響細菌對金屬的腐蝕。

LIU等研究了嗜熱SRB菌株在不同溫度下對碳鋼的腐蝕影響，結果表明60 ℃含嗜熱SRB環境中碳鋼的腐蝕速率是37 ℃時的2.2倍，表明嗜熱SRB對高溫具有依賴性。硫酸鹽的還原速率與溫度呈阿羅尼烏斯函數關系如下：

硫酸鹽還原速率 = A exp(-E/RT)

式中：A為阿羅尼烏斯常數；E為反應活化能，J；R為氣體常數；T是環境溫度，K。

介質流速也會影響管道腐蝕速率，其對腐蝕速率的影響主要體現在兩個方面：一是加快了離子的快速傳質過程，從而加快了腐蝕進程；二是對管道表面產生切向作用，破壞了腐蝕產物膜的完整性，改變了管道表面的電化學狀態，導致管道發生局部腐蝕。

萬里平等研究表明，碳鋼的腐蝕速率隨著液體流速的增大而增大，流速增大1倍，腐蝕速率增大0.3~1倍，這主要與表面腐蝕產物膜的破壞有關。

此外，流速對管道結垢的影響也較大。結垢增長率隨著流速增大而減小，流速較小時，介質中攜帶的固體顆粒和微生物排泄物沉積概率增大，管道結垢概率也明顯加大，特別是在結構突變的部位，流速越小，越有利于晶體的成核，成垢核心生長的環境越穩定，結垢趨勢越大，當流速繼續增大時，污垢的剝蝕率增大，因而總增長率減小。