元壩氣田產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)腐蝕特征及防護(hù)措施實(shí)踐

青鵬 徐嶺靈 黃元和 周鋒 崔小君 李怡 龔小平

中國(guó)石化西南油氣分公司采氣二廠

根據(jù)鉆井、測(cè)試、試采情況，元壩長(zhǎng)興組氣藏高含 H2S 及CO2，東部灘相儲(chǔ)層普遍存在底水，無(wú)論構(gòu)造位置高低，投產(chǎn)后均氣水同產(chǎn)。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，原料氣攜帶大量地層水或因前期儲(chǔ)層酸化改造注入的殘酸返排到集輸流程中，加劇集輸管道腐蝕，甚至穿孔。

元壩氣田滾動(dòng)建產(chǎn)工程均在井口二級(jí)加熱之前設(shè)置分水裝置，緩蝕劑加注位于分水裝置之后，故產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)無(wú)緩蝕劑保護(hù)。投運(yùn)后僅8個(gè)月，即開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕穿孔。截至目前，先后出現(xiàn)20余處不同程度的腐蝕穿孔，直接或間接影響氣井平穩(wěn)運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)1995年腐蝕損失達(dá)1500億人民幣，2002年達(dá)4979億人民幣，占國(guó)民生產(chǎn)總值的5%[1]。腐蝕是必然的，但如果措施得當(dāng)，可將腐蝕對(duì)生產(chǎn)的影響降到最低。為此，總結(jié)了元壩氣田產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題及防護(hù)措施，為后續(xù)高含硫氣田的開(kāi)發(fā)以及日常生產(chǎn)運(yùn)行管理提供一些幫助和參考。

1 腐蝕現(xiàn)狀

元壩氣田產(chǎn)能建設(shè)分為試采和滾動(dòng)建產(chǎn)兩期工程，試采工程因站內(nèi)分水設(shè)備位于緩蝕劑加注流程后，產(chǎn)出水集輸管線有緩蝕劑保護(hù)，暫未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象；而滾動(dòng)建產(chǎn)工程，站內(nèi)部分產(chǎn)出水集輸管線因無(wú)緩蝕劑保護(hù)，腐蝕穿孔幾率相對(duì)偏高，如井口分水分離器至火炬分液罐或酸液緩沖罐管段。這兩期工程站內(nèi)產(chǎn)出水集輸管線材質(zhì)均為抗硫碳鋼，僅在出站處管線材質(zhì)為雙相不銹鋼。

1.1 抗硫碳鋼加緩蝕劑

元壩氣田試采工程產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)采用L360QS抗硫碳鋼(ISO 3183)或A333 Gr.6抗硫碳鋼對(duì)分離器液相產(chǎn)出介質(zhì)進(jìn)行輸送。根據(jù)產(chǎn)氣量及產(chǎn)水量，在分離器上游進(jìn)行緩蝕劑加注，在緩蝕劑的保護(hù)下，該產(chǎn)出水集輸管道的腐蝕速率為0.005 mm/a，該管道上腐蝕掛片相對(duì)完整，未見(jiàn)腐蝕坑(見(jiàn)圖1)。試采工程自2014年12月投產(chǎn)以來(lái)，產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)未發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象。

1.2 抗硫碳鋼

滾動(dòng)建產(chǎn)工程產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)采用同樣的管材對(duì)井口分水分離器的液相介質(zhì)進(jìn)行管輸。該系統(tǒng)未加緩蝕劑，腐蝕速率為0.16 mm/a，產(chǎn)出水集輸管道上的腐蝕掛片肉眼即可見(jiàn)到腐蝕坑(見(jiàn)圖2)。滾動(dòng)建產(chǎn)工程自2015年11月投產(chǎn)以來(lái)，已先后發(fā)生20余處腐蝕穿孔。

碳鋼的耐蝕性較差，在潮濕大氣和水中均極易銹蝕[1]，見(jiàn)圖3。由此可見(jiàn)，輸送含硫產(chǎn)出水等腐蝕性液相介質(zhì)的管道單獨(dú)使用碳鋼，容易發(fā)生腐蝕穿孔。

1.3 不銹鋼

元壩氣田試采工程與滾動(dòng)建產(chǎn)工程站內(nèi)產(chǎn)出水外輸進(jìn)入埋地前，一小段均采用雙相不銹鋼S31803(見(jiàn)圖4)與外輸埋地復(fù)合管連接，該段管線未設(shè)置在線腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采取每季度超聲波測(cè)厚的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從投運(yùn)至今，未發(fā)生腐蝕穿孔以及壁厚明顯減薄現(xiàn)象。

根據(jù)NACE MR0175/ISO 15156-3中表A.24的規(guī)定，在溫度不超過(guò)232 ℃， H2S 分壓不超過(guò)0.01 MPa時(shí)，雙相不銹鋼S31803耐Cl-及pH值腐蝕[14]。

2 腐蝕特征分析

2.1 腐蝕形態(tài)

目前，產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)的腐蝕屬于局部腐蝕中的孔蝕，腐蝕的破壞集中在局部區(qū)域，金屬大部分表面腐蝕輕微[2-4]，形成一種從金屬表面向內(nèi)部擴(kuò)展成蝕孔(見(jiàn)圖5)或蝕坑狀(見(jiàn)圖6)的局部腐蝕形態(tài)[4]。

蝕孔或者蝕坑主要沿重力方向發(fā)展，也有沿橫向發(fā)展的[1]。目前，元壩產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)發(fā)生的20余處腐蝕穿孔，有18處發(fā)生在管道水平位置段。

2.2 化學(xué)成分分析

采用PMI-MASTRT Smart便攜式光譜儀對(duì)產(chǎn)出水集輸管道母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，均符合ISO 3183-2012對(duì)抗硫碳鋼的要求。

表1 穿孔管道化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the perforated pipe chemical compositionw/%內(nèi)容CMnPSSiISO 3183-2012要求≤0.12≤1.35≤0.01≤0.002≤0.45實(shí)際測(cè)量0.071.210.010.00190.269

3 腐蝕環(huán)境分析

3.1 氣質(zhì)組分

原料氣中的 H2S 、CO2是發(fā)生腐蝕的原因之一。元壩長(zhǎng)興組氣藏高含 H2S 及CO2等腐蝕性介質(zhì)(見(jiàn)表2)。

表2 元壩長(zhǎng)興組氣藏氣質(zhì)組分分析Table 2 Analysis of gas-phase components of Changxing Formation gas reservoir in Yuanbay/%井站H2N2CO2H2SCH4n-C4H10n-C5H12X井0.002 0.276 4.091 4.717 90.865 0.001 <0.001X-1井0.002 0.290 4.530 4.901 90.232 <0.001<0.001X-2井0.001 0.310 4.435 5.655 89.551 0.001 <0.001

H2S 及CO2均溶于水，提供陰極反應(yīng)去極化劑H+[2]，使得陰極反應(yīng)正向移動(dòng)，陰極反應(yīng)加強(qiáng)。目前，CO2與 H2S 共存的腐蝕機(jī)理和規(guī)律的研究還未定論。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，二者共存的腐蝕存在競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同作用；二者共存時(shí)，主要生成FexSy、FeCO3及FexOy等腐蝕產(chǎn)物，在Cl-存在條件下，其腐蝕產(chǎn)物膜被破壞，從而加劇腐蝕[5-8]。

3.2 產(chǎn)出水

高礦化度產(chǎn)出水是導(dǎo)致腐蝕的另一重要原因。以發(fā)生腐蝕穿孔的X-2井產(chǎn)出水為例，目前該井平均總礦化度為48 510 mg/L，Cl-平均質(zhì)量濃度為26 424 mg/L(見(jiàn)表3)。可見(jiàn)，該氣井產(chǎn)出水的礦化度高，導(dǎo)電性好，腐蝕電池中歐姆電阻小，加速腐蝕；同時(shí)Cl-濃度高。目前，主流觀點(diǎn)認(rèn)為，因Cl-半徑小使其穿透性強(qiáng)，能夠穿透腐蝕產(chǎn)物膜到達(dá)金屬表面，并且Cl-具有很強(qiáng)的吸附性，能加速金屬的溶解[9-13]。

表3 元壩長(zhǎng)興組氣藏某井產(chǎn)出水化學(xué)性質(zhì)Table 3 Chemical properties of produced water in a well of Changxing Formation gas reservoir in Yuanba水氣比/(m3·(104 m3)-1)ρ(Na++K+)/(mg·L-1)ρ(Ca2+)/(mg·L-1)ρ(Mg2+)/(mg·L-1)ρ(Cl-)/(mg·L-1)>1>10 0000～50000～2000>20 000

3.3 運(yùn)行工藝

介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)管道腐蝕有一定影響。元壩氣田的氣液分離器均為間歇性排液模式，即達(dá)到一定液位高度時(shí)，才進(jìn)行排液操作，致使產(chǎn)出水輸送管線中的介質(zhì)呈間歇性流動(dòng)狀態(tài)。只有在分離器排液時(shí)，此段管線中的介質(zhì)才進(jìn)行流動(dòng)。由于產(chǎn)出水中介質(zhì)的不均勻性，導(dǎo)致管道與產(chǎn)出水的界面形成電位差，未排液時(shí)產(chǎn)出水集輸管道均長(zhǎng)期處于酸氣、酸液不均勻分布的腐蝕環(huán)境中[1-2]，形成局部腐蝕電池，最終形成腐蝕坑或腐蝕穿孔。

4 防護(hù)及監(jiān)控措施

4.1 防護(hù)

金屬的腐蝕是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，可以通過(guò)改變金屬的性能以及添加防腐化學(xué)藥劑等方式減緩腐蝕。從腐蝕構(gòu)成的體系來(lái)分析，腐蝕控制可以從金屬材料、環(huán)境以及接觸界面三方面來(lái)考慮。

從元壩氣田產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)的腐蝕現(xiàn)狀及穿孔統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表4)來(lái)看，目前發(fā)生腐蝕穿孔的均為無(wú)緩蝕劑保護(hù)的碳鋼，添加了緩蝕劑的碳鋼、添加了緩蝕劑的雙相不銹鋼以及未添加緩蝕劑的雙相不銹鋼均暫未發(fā)生腐蝕穿孔，產(chǎn)出水管道上腐蝕掛片掛桿也采用的是316L不銹鋼(見(jiàn)圖7)，運(yùn)行至今掛桿表面未出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況。

表4 元壩氣田產(chǎn)出水站內(nèi)集輸管道腐蝕穿孔統(tǒng)計(jì)情況Table 4 Statistics on corrosion of water pipe in Yuanba gas field well station場(chǎng)站穿孔日期穿孔管段管材穿孔數(shù)工藝X-12017-07-26產(chǎn)出水分離器匯集點(diǎn)至分液罐水平管道L360QS1無(wú)緩蝕劑2018-02-28產(chǎn)出水分離器匯集點(diǎn)至分液罐水平管道L360QS產(chǎn)出水分離器至匯集點(diǎn)水平管道L360QS2無(wú)緩蝕劑無(wú)緩蝕劑2018-03-02產(chǎn)出水分離器至匯集點(diǎn)水平管道L360QS1無(wú)緩蝕劑2018-03-03產(chǎn)出水分離器至匯集點(diǎn)水平管道L360QS產(chǎn)出水分離器至匯集點(diǎn)水平管道L360QS產(chǎn)出水分離器匯集點(diǎn)至火炬分液罐水平管道L360QS5無(wú)緩蝕劑無(wú)緩蝕劑無(wú)緩蝕劑2018-05-12產(chǎn)出水分離器匯集點(diǎn)至火炬分液罐水平管道L360QS1無(wú)緩蝕劑2018-05-25產(chǎn)出水分離器匯集點(diǎn)至火炬分液罐水平管道L360QS2無(wú)緩蝕劑X-32017-08-06產(chǎn)出水分離器至火炬分液罐豎直管道L360QS1無(wú)緩蝕劑X-22018-03-18產(chǎn)出水分離器至火炬分液罐水平管道L360QS1無(wú)緩蝕劑X-42018-05-07產(chǎn)出水分離器至火炬分液罐豎直管道A333 Gr.61無(wú)緩蝕劑X-52018-05-16產(chǎn)出水分離器與收發(fā)球筒排污匯合點(diǎn)至火炬分液罐水平管道L360QS1無(wú)緩蝕劑MGG2018-06-06產(chǎn)出水進(jìn)站閥組區(qū)至污水緩沖罐水平管道A333 Gr.61無(wú)緩蝕劑2018-06-14產(chǎn)出水進(jìn)站閥組區(qū)至污水緩沖罐水平管道A333 Gr.61無(wú)緩蝕劑X-62018-04-19氣田水接收罐B至1#、2#處理池A333 Gr.61無(wú)緩蝕劑

根據(jù)NACE MR0175/ISO 15156-3中表A.2的規(guī)定，在溫度≤60 ℃，pH值≥4.5時(shí)，316L可耐 H2S 分壓1 MPa，Cl-質(zhì)量濃度50 000 mg/L[14]。對(duì)Cl-質(zhì)量濃度低于50 000 mg/L的產(chǎn)出水井，可選擇使用316L不銹鋼。

由此可見(jiàn)，元壩氣田產(chǎn)出水集輸管道腐蝕控制采取“抗硫碳鋼+緩蝕劑”以及“雙相不銹鋼”進(jìn)行防腐是有效的。

4.2 監(jiān)控

目前，管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)有腐蝕掛片失重法、電阻探針、線性極化探針、電指紋等(見(jiàn)表5)，不同的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)因其監(jiān)測(cè)原理不同而具有差異性[15]。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)因其安裝位置固定而存在共同的缺陷，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)集輸管道全覆蓋監(jiān)測(cè)。通常情況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于整個(gè)工藝管道上腐蝕環(huán)境較好位置，因此，不能及時(shí)預(yù)測(cè)管道薄弱點(diǎn)的腐蝕情況，如元壩產(chǎn)出水管線穿孔點(diǎn)均未設(shè)置在線腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，穿孔漏水后才被發(fā)現(xiàn)。

表5 目前管道在線監(jiān)測(cè)技術(shù)Table 5 On-line monitoring methods for current pipelines序號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置腐蝕環(huán)境特征監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)周期1井口緩蝕劑加注管線前高溫、高壓、多相(無(wú)緩蝕劑保護(hù))電阻探針、腐蝕掛片一月一次/每季度一次2三級(jí)節(jié)流后管線濕氣(有緩蝕劑保護(hù))電阻探針、腐蝕掛片一月一次/每季度一次3出站濕氣(有緩蝕劑保護(hù))電阻探針、腐蝕掛片一月一次/每季度一次4分水分離器至火炬分液罐間液相管道含硫產(chǎn)出水(無(wú)緩蝕劑保護(hù))無(wú)無(wú)5生產(chǎn)分離器/多相流液相管道含硫產(chǎn)出水(有緩蝕劑保護(hù))電阻探針、線性極化探針、腐蝕掛片一月一次/每季度一次6出站產(chǎn)出水管道含微量 H2S 產(chǎn)出水(無(wú)緩蝕劑保護(hù)/有緩蝕劑保護(hù))電阻探針、腐蝕掛片每季度一次7站外埋地管道濕氣(有緩蝕劑保護(hù))電指紋一月一次

研究認(rèn)為，全面應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)可以解決傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的缺陷，如超聲波測(cè)厚、射線檢測(cè)等[16-17]，這些無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不受管道位置、工藝等的限制，具有便捷、探測(cè)速度快、覆蓋全面等優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)表6)。

表6 腐蝕監(jiān)測(cè)方法特點(diǎn)對(duì)比Table 6 Characteristics comparison of corrosion monitoring methods技術(shù)方法響應(yīng)時(shí)間環(huán)境要求信息腐蝕監(jiān)測(cè)類型監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置腐蝕掛片慢任意腐蝕速率、腐蝕形態(tài)、腐蝕產(chǎn)物全面腐蝕、局部腐蝕固定線性極化探針快電解質(zhì)溶液瞬時(shí)腐蝕速率全面腐蝕固定電阻探針快任意腐蝕失重全面腐蝕固定電指紋快金屬外表面金屬損失量全面腐蝕、局部腐蝕固定超聲波測(cè)厚快金屬外表面壁厚局部腐蝕根據(jù)需要射線檢測(cè)快金屬外表面壁厚局部腐蝕根據(jù)需要

5 結(jié)論與建議

(1) 產(chǎn)出水量大的高含硫氣田，抗硫碳鋼單獨(dú)在產(chǎn)出水集輸系統(tǒng)中使用時(shí)壽命較短；含有緩蝕劑的抗硫碳鋼管道的使用壽命較長(zhǎng)。建議在綜合考慮經(jīng)濟(jì)的前提下，采用雙相不銹鋼或奧氏體不銹鋼316L(AISI)替換單獨(dú)使用的碳鋼。

(2) 靜止?fàn)顟B(tài)的流體在管道中的不均質(zhì)性強(qiáng)；集輸管道停運(yùn)期間的腐蝕較運(yùn)行期間嚴(yán)重，更容易發(fā)生孔蝕。應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)時(shí)間停工，停運(yùn)期間盡可能排盡并清洗設(shè)備或置換管道內(nèi)介質(zhì)。

(3) 腐蝕具有復(fù)雜性、突發(fā)性、集中性以及隨機(jī)性，傳統(tǒng)的在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能覆蓋整個(gè)采集輸系統(tǒng)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕、孔蝕等局部腐蝕，降低設(shè)備破壞事故和環(huán)境污染問(wèn)題，應(yīng)全面引入射線檢測(cè)、超聲波測(cè)厚等無(wú)損檢測(cè)手段，彌補(bǔ)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的缺陷。