氣液比對(duì)CO2驅(qū)集輸管線腐蝕的影響規(guī)律*

韓霞 王子明 王田麗 中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

氣液比對(duì)CO2驅(qū)集輸管線腐蝕的影響規(guī)律*

韓霞 王子明 王田麗 中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

高氣液比是CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)混輸介質(zhì)的重要特征之一。借助自主研發(fā)的多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，開展不同氣液流量、不同氣液比條件下CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)管線腐蝕規(guī)律研究。研究表明，混輸介質(zhì)的氣液比決定水平直管段及彎頭等部位流型特征，進(jìn)而影響腐蝕速率。通過對(duì)流型段塞頻率的定量分析，認(rèn)為高氣液比條件有助于減緩管道腐蝕。該結(jié)論為CO2驅(qū)集輸管線設(shè)計(jì)提供了新的腐蝕控制思路。

CO2驅(qū)；腐蝕；氣液比；流型；段塞頻率

1 CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)腐蝕問題

勝利油田自2007年開始在純梁高89區(qū)塊開展了CO2驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，已取得顯著的增油效果。然而，CO2驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用對(duì)采油系統(tǒng)、地面集輸系統(tǒng)的安全生產(chǎn)提出了諸多新挑戰(zhàn)。管線腐蝕是目前制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。前期先導(dǎo)試驗(yàn)表明，由于采出氣中CO2含量的急劇攀升，導(dǎo)致部分區(qū)段集輸管線腐蝕加劇，影響生產(chǎn)安全運(yùn)行。高氣液比是CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)混輸介質(zhì)的重要特征之一。因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地控制CO2驅(qū)油系統(tǒng)的腐蝕已成為工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行中亟待解決的難題。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)勝利油田CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)腐蝕環(huán)境最顯著的特點(diǎn)為高CO2分壓和超高氣液比。毫無疑問，大量CO2氣體隨開采過程不斷溢出，單井伴生氣中CO2含量一般達(dá)到70%以上，CO2分壓為0.4～1.0MPa，遠(yuǎn)高于普通油井或酸性油氣田。

本文結(jié)合CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)環(huán)境特點(diǎn)，利用自主研發(fā)的多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置來認(rèn)識(shí)不同氣液比條件下多相混輸介質(zhì)的腐蝕規(guī)律，為CO2驅(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕控制尋求新思路。

2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究油氣集輸系統(tǒng)管線腐蝕規(guī)律，自主研發(fā)了一套多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置。該裝置適用于多相流腐蝕機(jī)理、流型與腐蝕關(guān)系、管線全方位腐蝕性檢測(cè)等研究工作，亦可為油田管線腐蝕評(píng)價(jià)、緩蝕劑篩選及防腐工藝優(yōu)化等提供較好的試驗(yàn)研究平臺(tái)。該裝置具有獨(dú)特的腐蝕測(cè)試功能，最大程度重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管線內(nèi)腐蝕環(huán)境并全方位采集腐蝕信息。裝置主要包括以下幾個(gè)單元模塊：①氣液控制與計(jì)量系統(tǒng)；②油氣水混合與流型觀察系統(tǒng)；③腐蝕檢測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)；④氣液分離系統(tǒng)。各部分之間的關(guān)聯(lián)性及簡(jiǎn)易工作原理如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)過程中所用原油取自勝利純梁CO2驅(qū)見效井；所用的溶液為純梁CO2驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)采出水的模擬液，氣體為高純CO2氣體。多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置正式運(yùn)行前，經(jīng)過CO2及N2聯(lián)合除氧，確保實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中系統(tǒng)處于無氧環(huán)境下，溶液中含氧量估算小于0.5mg/L。一般系統(tǒng)運(yùn)行2天后開始記錄腐蝕數(shù)據(jù)，此時(shí)由于CO2氣體不斷補(bǔ)充，含氧量會(huì)進(jìn)一步降低，接近或達(dá)到油田集輸現(xiàn)場(chǎng)管線內(nèi)腐蝕環(huán)境。

圖1 多相流腐蝕試驗(yàn)裝置原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同氣液比水平直管段及彎頭管段腐蝕

將管線內(nèi)氣體流量固定為60m3/h，分離器內(nèi)壓力保持在0.5MPa，工況下氣體流量約為8.0m3/h，溫度保持在60℃，變化液相流量以實(shí)現(xiàn)氣液比的改變。對(duì)于DN40管線，該狀態(tài)下氣體折算流速約為1.77m/s。液體流量分別設(shè)定為2～7m3/h，對(duì)應(yīng)折算流速為0.44～1.55m/s。實(shí)驗(yàn)中液相油含量約為100～500mg/L。水相溶液為按純梁CO2驅(qū)采出水配置的腐蝕模擬液，CO2分壓為0.5MPa。水平直管段內(nèi)腐蝕速率與液相流速及氣液比的關(guān)系如圖2所示。經(jīng)數(shù)學(xué)擬合，水平直管段內(nèi)腐蝕速率（RC）與液相流速（VL）之間滿足以下函數(shù)關(guān)系，即：RC=1.30-1.66VL+2.59VL2。本經(jīng)驗(yàn)擬合規(guī)律僅適用于VL≥0.32m/s的情況。當(dāng)VL=0.32m/s時(shí)，RC取得最小值為0.872mm/a。

圖2 水平直管段內(nèi)腐蝕速率與液相流速及氣液比關(guān)系

從圖2可知，當(dāng)管線內(nèi)液相流速大于1.0m/s時(shí)，腐蝕速率隨液體流速急劇增加。在液體流速增加而氣體流速不變的情況下，管線內(nèi)多相流的氣液比減小，意味著管內(nèi)更多地被液相所占據(jù)，腐蝕探針與液相的接觸時(shí)間及頻率也增加。因此，除了液相流速的影響外，氣液比變化導(dǎo)致的管壁與液相接觸頻次也起到了決定性的作用。

與水平直管段測(cè)試條件一致，利用腐蝕探針檢測(cè)了180°彎頭處腐蝕速率在不同氣液比條件下的變化規(guī)律。

在較低液相流速下，液相流體主要處于管線底部，液相段塞流通過彎頭時(shí)可能緊靠外側(cè)，大多數(shù)液體可能繞過探針?biāo)幍墓艿乐虚g位置，因此探針多數(shù)時(shí)間處于氣相當(dāng)中，腐蝕速率較低；當(dāng)氣液比減小時(shí)，液相流速增大，管道截面空間大多被液相填充，探針位置不斷被液相直接沖刷，腐蝕量急劇增加。出現(xiàn)液相段塞直接沖蝕腐蝕探針位置對(duì)應(yīng)的液相流速為VL=1.2～1.3m/s，對(duì)應(yīng)氣液比為10左右?？梢?，腐蝕速率在彎頭處的跳躍性變化與液相流速和氣液比同時(shí)相關(guān)。可以推斷，在較高氣液比下，即使液體流速較高，探針?biāo)幬恢玫母g速率也可能保持較低水平，因?yàn)樵撎幣c液相直接接觸的時(shí)間和頻次較低。這一認(rèn)識(shí)對(duì)于高氣液比CO2驅(qū)腐蝕具有指導(dǎo)意義。但彎頭外側(cè)直接受液體沖擊的部位腐蝕速率可能并不會(huì)遵循此規(guī)律，因?yàn)樵摬课患词乖跉庖罕容^高時(shí)也會(huì)有較高頻率與液相接觸，且受沖蝕最嚴(yán)重，所以仍需考慮特殊防護(hù)。

3.2 腐蝕速率與段塞頻率關(guān)系

為了更好地理解氣液比影響管線腐蝕的規(guī)律，系統(tǒng)研究了氣液流量與流型之間的定量關(guān)系及與腐蝕速率的關(guān)聯(lián)性。所謂氣液段塞頻率，是指處于段塞流流型下的流體中氣柱與液柱每秒鐘交替的次數(shù)，實(shí)驗(yàn)中可由流型觀測(cè)并實(shí)時(shí)錄像獲得。由氣液段塞頻率與氣液流量的依賴關(guān)系可知，液體流量越大，氣液段塞頻率越高；氣體流量大，氣液段塞頻率呈下降趨勢(shì)。

由于實(shí)驗(yàn)是通過多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置連續(xù)運(yùn)行獲得不同條件下的腐蝕速率，需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，鑒于此只選取部分氣液比條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)合流型實(shí)驗(yàn)研究，可進(jìn)一步推導(dǎo)出，隨著氣液比提高氣液段塞流頻率降低，多相流腐蝕速率下降。因此，高氣液比的油氣混輸有利于減緩腐蝕。這一研究結(jié)論表明，較高的氣液比將有益于管線腐蝕控制。

4 結(jié)論

借助多相流腐蝕模擬試驗(yàn)裝置，開展了不同氣液流量、不同氣液比條件下CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)管線腐蝕規(guī)律研究。研究表明，混輸介質(zhì)的氣液比決定水平直管段及彎頭等部位流型特征，進(jìn)而影響腐蝕速率。對(duì)于水平直管段，腐蝕速率隨氣液比減小、液體流速增大而增大；對(duì)于彎頭部位，高氣液比條件下會(huì)出現(xiàn)測(cè)得的腐蝕速率有跳躍式降低現(xiàn)象。通過對(duì)流型段塞頻率的定量分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率與段塞頻率呈正相關(guān)的線性關(guān)系，由此認(rèn)為高氣液比條件有助于減緩管道腐蝕。該結(jié)論為CO2驅(qū)集輸管線設(shè)計(jì)提供了新的腐蝕控制思路。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.014

基金論文：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC24A04）。