H2S與CO2共存條件下氣田地面集輸系統(tǒng)內(nèi)腐蝕影響因素分析方法研究

李媛 劉世常 張寅暉

1.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

1 地面集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)生產(chǎn)氣田的分布和建設(shè)發(fā)展影響，川東地區(qū)地面集輸系統(tǒng)主要由重慶氣礦管轄。截至2019年2月，共有生產(chǎn)井353口，各類生產(chǎn)站場587座，建成集、輸氣管道以臥龍河為中心，萬臥線、講渡線、沙臥線、龍忠線組成“三縱一橫”的管道共857條，4 155.55 km。

2 腐蝕機理

目前，國內(nèi)外對于CO2或H2S單獨存在時的腐蝕機理研究較為完善。但是，在CO2和H2S共存的條件下，腐蝕影響因素眾多，腐蝕過程復(fù)雜。一般認為，CO2和H2S相對含量的不同將直接決定腐蝕過程的主導(dǎo)因素。H2S含量較少時，以CO2腐蝕為主。此時，CO2分壓越高，腐蝕介質(zhì)的pH值越低，H+的去極化作用就越強，腐蝕速率也就越大，同時金屬表面越易形成Fe2+過飽和的溶液層，從而促進 FeCO3等保護性腐蝕產(chǎn)物膜的形成，并有可能抵消CO2分壓本身對腐蝕的推動力，使得腐蝕速率下降。當(dāng)CO2分壓繼續(xù)增加，致使腐蝕產(chǎn)物膜因內(nèi)應(yīng)力過大而發(fā)生破壞時，腐蝕速率必將再次增大。若腐蝕介質(zhì)中H2S含量較多時，一方面H2S能通過陰極反應(yīng)加速腐蝕，另一方面也會通過腐蝕產(chǎn)物沉淀而抑制腐蝕；隨著H2S含量的進一步增加，腐蝕轉(zhuǎn)化為以H2S腐蝕為主；繼續(xù)增大H2S含量，腐蝕產(chǎn)物變得致密而穩(wěn)定，腐蝕速率開始受到抑制。

谷壇等[1-3]的研究表明，在CO2和H2S共存的條件下，腐蝕過程與CO2分壓、H2S分壓、溫度、介質(zhì)流速等因素有關(guān)。

3 正交實驗研究腐蝕主導(dǎo)因素

根據(jù)已有的文獻研究結(jié)果，針對川東氣田地面集輸系統(tǒng)，選取H2S及CO2分壓、溫度、流體流速等4大因素[1-3]，采用正交實驗方法，設(shè)計了一個4因素3水平的實驗方案，對酸性氣田最常用的L245NCS鋼進行電化學(xué)實驗，通過分析獲得不同因素對鋼材腐蝕速率的影響規(guī)律，對腐蝕速率的影響規(guī)律和腐蝕主導(dǎo)因素進行研究[4]，達到以下目的：

(1) 分析各因素及其交互作用與腐蝕速率之間的關(guān)系，即找出腐蝕速率隨實驗考察因素變化的規(guī)律和趨勢。

(2) 明確腐蝕主導(dǎo)因素，計算各影響因素的權(quán)重。

3.1 實驗方案設(shè)計

實驗采用線性極化電阻法，應(yīng)用電化學(xué)原理通過對腐蝕測試電極的腐蝕電位附近進行弱極化，利用其腐蝕電流與極化曲線在腐蝕電位附近的斜率Rp成反比的關(guān)系，測量腐蝕電流，計算腐蝕速率。

3.2 因素水平值的設(shè)計

根據(jù)對川東氣田生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)測情況，實驗取壓力高值7.5 MPa；單井氣質(zhì)組分中H2S、CO2含量基本穩(wěn)定，H2S的體積分?jǐn)?shù)為0.01%～9.12%，CO2體積分?jǐn)?shù)為2%～15%，井口溫度維持在0～60 ℃。

在考慮室內(nèi)實驗條件的基礎(chǔ)上，H2S分壓3個水平值分別取0.01 MPa、0.1 MPa和0.5 MPa。CO2分壓實驗條件合理擴大至0.6～2.4 MPa，水平值分別取0.6 MPa、1.8 MPa和2.4 MPa。溫度范圍取25～60 ℃，水平值分別取25 ℃、40 ℃和60 ℃。根據(jù)文獻，當(dāng)流體流速高于8 m/s時，緩蝕劑會被帶走，從而失效。因此，實驗流速范圍取0～8 m/s，水平值分別為0 m/s、3 m/s和8 m/s。

實驗考察因素的水平設(shè)置情況見表1。

表1 因素水平設(shè)置表因素水平ABCDH2S分壓/MPaCO2分壓/MPa介質(zhì)流速/(m·s-1)溫度/℃1水平0.010.60252水平0.101.83403水平0.502.4860

由于需要考慮H2S分壓和CO2分壓、H2S分壓和流速、CO2分壓和流速之間的交互作用，因此選用L27(313)正交表，表頭設(shè)計見表2。

表2 正交實驗表頭設(shè)計項目A(H2S分壓)/MPaB(CO2分壓)/MPa)A×BA×BC(液體流速)/(m·s-1)A×CA×CB×CB×CD(溫度)/ ℃空空空

表3 腐蝕實驗結(jié)果數(shù)據(jù)及方差計算表序號123456789腐蝕速率/(mm·a-1)0.671 71.072 41.1090.9191.3211111序號101112131415161718腐蝕速率/(mm·a-1)11.2981.5141.0231.6411.9211.8172.4961.860序號192021222324252627腐蝕速率/(mm·a-1)1.4971.9421.9691.9811.4672.0391.8282.6092.624

表4 方差分析表方差來源離差平方和自由度平均離差平方和(均方)F值臨界值顯著性最嚴(yán)重方案A2.5421.2733.4B1.9220.9625.3C1.0720.5313.9D0.4120.205.26F0.05(2,6)=5.14顯著A3顯著B3顯著C3顯著D3A×B0.09140.0230.61F0.05(4,6)=4.53不顯著A×C0.07040.0180.47不顯著B×C0.1840.0451.18不顯著誤差E0.2360.038總和T26

3.3 實驗結(jié)果分析

3.3.1 采用標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外對腐蝕程度的評判一般都參考美國腐蝕工程師協(xié)會制定的NACE RP-00775-05標(biāo)準(zhǔn)進行。在本研究中，依然采用該標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定均勻腐蝕速率小于0.025 mm/a為輕度腐蝕，0.025～0.12 mm/a為中度腐蝕，0.12～0.25 mm/a為嚴(yán)重腐蝕，大于0.25 mm/a為極嚴(yán)重腐蝕。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

本次實驗數(shù)據(jù)分析采用方差分析法，該方法可以分析出實驗誤差的大小，從而知道實驗精度；不僅可給出各因素及交互作用對實驗指標(biāo)影響的主次順序，而且可分析出哪些因素影響顯著，哪些影響不顯著。對實驗所得的腐蝕數(shù)據(jù)進行的方差分析結(jié)果見表3。分析方差計算結(jié)果，進行F值檢驗，結(jié)果見表4。

3.4 小結(jié)

(1) 川東氣田地面集輸系統(tǒng)腐蝕過程以H2S腐蝕為主，伴隨有CO2降低溶液pH值后對腐蝕的進一步促進，使得腐蝕情況比單一酸性組分更為嚴(yán)重，需要采取嚴(yán)格的腐蝕控制措施。

(2) 各因素在考察范圍內(nèi)對腐蝕速率的影響均為單增函數(shù)。即，隨著H2S分壓增大而增大，隨著CO2分壓增大而增大，隨著溫度升高而增大，隨著流速增大而增大。影響大小順序為：H2S分壓>CO2分壓>流體流速>溫度。而各因素之間的交互性對腐蝕速率影響并不大。

(3) 計算得到各因素對腐蝕影響的權(quán)重值。

4 內(nèi)腐蝕與防護技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化分析

根據(jù)川東地區(qū)地面集輸系統(tǒng)實際工況條件，在實驗考察的范圍內(nèi)，4個腐蝕關(guān)鍵影響因素與腐蝕速率的關(guān)系均為單增函數(shù)，故可用歸一法對實驗數(shù)據(jù)進一步處理，得出氣井的腐蝕難易程度，對易腐蝕的氣井給予更大的關(guān)注[10]。

4.1 歸一化處理原理

所謂歸一化法[5]，就是一種簡化計算的方式，即將有量綱的表達式，經(jīng)過變換，化為無量綱的表達式。為準(zhǔn)確掌握腐蝕敏感氣田氣井及管線的腐蝕風(fēng)險情況，對地面集輸系統(tǒng)中影響腐蝕的4個主要影響參數(shù)(H2S含量、CO2含量、溫度及流速)進行歸一化處理，即氣井取同一因素中最大值為1，其余按比例賦值。實驗結(jié)果表明，各腐蝕影響因素對于內(nèi)腐蝕影響具有不同的重要性，故在歸一化過程中，以方差分析結(jié)果中代表顯著性的F值為依據(jù)，為各影響因素的重要程度進行賦值。將運算后的值求均值得到腐蝕影響因素的權(quán)重，認為計算高于權(quán)重值平均值的氣井及管線是需要重點關(guān)注的。采用的計算公式為：

(1)

T=(AiF1+BiF2+CiF3+DiF4)

(2)

式中：xi′表示某影響因素的無量綱賦值；xi表示某影響因素；T表示腐蝕難易程度；A表示H2S含量賦值；B表示CO2含量賦值；C表示溫度賦值；D表示流速賦值；i表示井?dāng)?shù)；F表示方差分析結(jié)果(F1、F2、F3、F4分別表示H2S、CO2、介質(zhì)流速和溫度的方差分析結(jié)果，即這些因素對內(nèi)腐蝕的影響因子)。

4.2 處理結(jié)果

對川東氣田常年處于開井生產(chǎn)狀態(tài)的26口高含硫氣井和40口中含硫氣井采氣管線腐蝕影響參數(shù)輸壓、產(chǎn)量、產(chǎn)水、H2S含量、CO2含量、井溫等進行收集，并對以上參數(shù)采用歸一化方法進行計算。由于站場內(nèi)流速隨著管徑的變化而變化(并非定值)，取站內(nèi)最高氣流速度進行計算。計算得出各氣井的腐蝕難易程度，高于權(quán)重平均值則為腐蝕敏感度較高、需要重點關(guān)注的氣井和站場。

在氣田開發(fā)過程中，隨著氣井產(chǎn)水量的提高，地面集輸系統(tǒng)的腐蝕顯著增加。目前，重慶氣礦常年開井的66口含硫氣井大多不產(chǎn)水，地面采氣管線主要的腐蝕介質(zhì)為濕天然氣(管道中的液體為天然氣凝析水)。因此在計算權(quán)重時，沒有將氣井產(chǎn)水量計算在內(nèi)。

從表5的計算結(jié)果可以看出，易發(fā)生內(nèi)腐蝕的氣井以高含硫生產(chǎn)井為主，有24口F值高于平均值(均值為19.411)，其中云安廠氣田4口氣井F值遠高于平均值，發(fā)生內(nèi)腐蝕可能性最高，這與近年來重慶氣礦腐蝕掛片監(jiān)測的實際情況一致。重慶氣礦近年來對這些氣井加強腐蝕監(jiān)測，在這4口氣井的集輸干線上安裝高精度壁厚監(jiān)測儀，同時采用腐蝕掛片+探針的方式監(jiān)測腐蝕速率(每季度，其余管道腐蝕掛片監(jiān)測與評價周期在6個月～2年)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整緩蝕劑加注量，有效控制該管道的內(nèi)腐蝕速率(如圖1和圖2所示)。

表5 腐蝕影響因素歸一化計算結(jié)果氣田井號H2S(AiF1)CO2 (BiF2)井溫(CiF3)流速(DiF4)腐蝕難易度F一、高含硫氣井臥龍河臥370.405 608 0.009 778 0.433 962 2640.139 266 47120.559 31臥330.671 718 0.077 584 0.377 358 4910.091 866 74530.126 76臥500.387 087 0.002 376 0.396 226 4150.175 220 20719.418 03臥50.432 830 0.034 462 0.471 698 1130.314 657 73923.540 10臥410.381 514 0.001 486 0.415 094 3400.160 499 01719.394 20臥360.460 114 0.000 000 0.358 490 5660.051 363 92020.620 99臥170.356 557 0.378 590 0.377 358 4910.516 570 69729.449 77臥龍河臥290.644 197 0.094 944 0.471 698 1130.012 303 92430.539 56臥31井0.993 789 0.129 757 0.400 000 0000.100 769 14142.565 45臥7井0.674 197 0.065 585 0.400 000 0000.152 334 30230.538 76臥450.566 704 0.075 416 0.452 830 1890.065 765 47027.476 20臥120.510 328 0.030 620 0.433 962 2640.398 100 31025.945 74臥280.464 480 0.028 187 0.396 226 4150.113 096 67922.329 18臥1260.788 547 0.082 511 0.400 000 0000.171 594 96134.887 58臥1270.193 015 0.370 437 0.415 094 3400.071 881 61821.966 67云安廠云安012-20.568 380 0.625 562 0.883 018 8680.802 580 11251.306 15云安012-10.584 837 0.638 128 0.754 716 9810.999 991 47651.428 73云安012-60.596 240 0.673 685 0.611 320 7550.627 417 42748.756 21云安012-x80.189 575 1.000 000 0.584 905 660.539 657 98342.600 59石寶寨寶001-10.323 193 0.577 443 0.566 037 7360.325 893 49334.986 07五百梯天東720.424 736 0.527 066 0.579 245 2830.250 782 68936.891 57天東740.236 812 0.409 023 0.515 094 3400.213 103 40726.538 54天東021-X60.448 073 0.568 420 0.494 339 6230.400 982 02538.327 15龍門天東5-10.586 945 0.209 023 0.456 603 7740.122 656 06831.884 20二、中含硫氣井五百梯天東100.149 093 0.255 639 0.660 377 3580.162 710 91721.482 48大天002-80.149 093 0.255 639 0.735 849 0570.222 651 81622.846 82

5 結(jié)論及建議

(1) 對重慶氣礦氣井的腐蝕影響因素進行了研究，考察了溫度、酸性組分分壓、流速、材質(zhì)等因素對腐蝕速率的影響，得出各腐蝕影響因素的權(quán)重值。

(2) 針對重慶氣礦中高含硫氣井實際工況，采用歸一化處理方法計算，得到易發(fā)生內(nèi)腐蝕、需要重點關(guān)注的26口氣井與管道。

(3) 計算結(jié)果與腐蝕監(jiān)測結(jié)果一致，建議對高腐蝕風(fēng)險氣井采氣管線采取腐蝕控制措施。