高含CO2天然氣運(yùn)輸管道緩蝕劑的篩選

張 宇

(中國(guó)石油管道公司管道工程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部)

0 引 言

氣藏高溫、高壓、高含CO2(20%～80%)，氣井CO2腐蝕環(huán)境惡劣，在天然氣開發(fā)中，伴隨產(chǎn)生大量的CO2，CO2具有極強(qiáng)的腐蝕性[1]，天然氣或CO2氣體運(yùn)輸過程中，對(duì)輸氣管材的要求極其嚴(yán)格，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，對(duì)于輸送高含CO2的管道在沒有采取保護(hù)措施的情況下，腐蝕井段占50%～85%，嚴(yán)重影響管材的壽命[2-3]，為此需要對(duì)管道采取必要的防范措施[4-6]。本文闡述CO2腐蝕規(guī)律，篩選評(píng)價(jià)咪唑啉為主劑抗CO2復(fù)合緩釋劑，評(píng)價(jià)緩釋性能及其加注方式，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)加藥工藝及其制度，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，咪唑啉類的復(fù)合緩釋劑，適合CO2輸送管材的防護(hù)，降低了管道的腐蝕狀況，延長(zhǎng)了管道的使用周期，降低了漏氣的風(fēng)險(xiǎn)。

1 CO2緩蝕劑的研究與評(píng)價(jià)

1.1 緩釋劑類型的確定

緩蝕劑的種類包括有機(jī)類和無機(jī)類緩蝕劑，其中無機(jī)類緩蝕劑，主要是氧化金屬表面形成鈍化膜或在陰極區(qū)形成沉淀膜，對(duì)管材進(jìn)行防護(hù)，起到緩釋作用。

有機(jī)類緩蝕劑分以下4種，含P類，對(duì)金屬有很強(qiáng)的吸附性，用于抑制CO2、H2S、O2、SRB的腐蝕。含S類，通過S原子吸附金屬表面，主要抑制CO2、H2S的腐蝕，因受環(huán)境影響較大，現(xiàn)場(chǎng)很少單獨(dú)使用。含O類，主要為炔醇類、醛類、脂肪羧酸類，用于油氣井高溫高壓及酸化環(huán)境下。含N類，是用量最大的一類緩蝕劑，包括有機(jī)胺類、咪唑啉類、銨鹽、季銨鹽類、酰胺類。其中咪唑啉類因具有低毒、高效、易降解等特點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。不同類型緩蝕劑的緩釋性能評(píng)價(jià)見圖1。

圖1 不同類型緩蝕劑的緩釋性能評(píng)價(jià)

1.2 不同材質(zhì)的緩釋效果

實(shí)驗(yàn)條件：現(xiàn)場(chǎng)模擬水，CO2除氧60 min，藥劑濃度為0.2 g/L，室溫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：針對(duì)輸送高含CO2天然氣的管道腐蝕情況，選擇不同類型的材質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要優(yōu)選咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時(shí)配伍增效劑、促進(jìn)劑等多項(xiàng)添加劑，適合范圍在CO2分壓5 MPa、溫度小于95℃，礦場(chǎng)腐蝕速率小于0.076 mm/a，緩蝕效率95%以上。緩蝕劑緩蝕性能評(píng)價(jià)如圖2所示，具有超強(qiáng)吸附性和預(yù)膜性；與國(guó)內(nèi)同類緩蝕劑和國(guó)外緩蝕劑對(duì)比，該緩蝕劑具有抗CO2腐蝕性能優(yōu)良，成本低的特性。

注：實(shí)驗(yàn)條件均為“70℃、3 MPa”圖2 緩蝕劑緩蝕性能評(píng)價(jià)

1.3 緩蝕劑濃度確定

通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行緩蝕效果評(píng)價(jià)和形貌分析，綜合考慮緩蝕效果和成本，主劑從0.1%到1%都具有良好的緩蝕效果，0.4%以后緩蝕效果平緩。從電極表面形貌觀察，當(dāng)主劑為0.1%時(shí)，出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，確定緩蝕劑濃度0.2%。不同濃度緩蝕劑的效果見圖3。

圖3 不同濃度對(duì)緩釋效果的影響

2 緩蝕劑加注工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)緩蝕劑加注需求及天然氣中CO2含量的變化情況，設(shè)計(jì)了不同類型的加藥裝置，一是柱塞恒流緩蝕劑加注裝置，針對(duì)柱塞恒流裝置，形成了連續(xù)加藥工藝，可根據(jù)加藥量調(diào)整注入量的大小。二是針對(duì)首次或間隔加藥井，形成了沖擊式預(yù)膜加藥工藝，提高了藥劑利用率和現(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑防腐效果，為有效防止CO2腐蝕及其安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

連續(xù)加藥：將藥劑按一定濃度連續(xù)均勻注入管道，在井筒中維持成膜濃度達(dá)到緩蝕劑膜的動(dòng)態(tài)修復(fù)平衡。

間歇加藥：將藥劑按周期一次投加，緩蝕劑的膜維持的時(shí)間決定了加藥周期。

沖擊式預(yù)膜：將高濃度藥劑(吸附性型、成膜型緩蝕劑)沖擊加藥，使緩蝕劑在管柱表面吸附，形成藥劑保護(hù)膜。

3 監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)試運(yùn)輸管線的腐蝕狀況，根據(jù)管道返出藥劑殘余濃度在40～90 mg/L，以及中試試驗(yàn)結(jié)果與礦場(chǎng)取樣分析來看，可以達(dá)到防腐要求，優(yōu)選的以咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時(shí)配伍增效劑、促進(jìn)劑等多項(xiàng)添加劑適合高含CO2運(yùn)輸管道的腐蝕防護(hù)。間歇加藥井緩蝕劑殘余濃度變化見圖4，緩蝕劑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

圖4 間歇加藥井緩蝕劑殘余濃度變化

表1 緩蝕劑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)針對(duì)地面集輸?shù)沫h(huán)境情況，篩選以咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時(shí)配伍增效劑、促進(jìn)劑等多項(xiàng)添加劑、適合范圍在CO2分壓5 MPa、溫度小于95℃，礦場(chǎng)腐蝕速率小于0.076 mm/a，緩蝕效率95%以上。

2)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)加入工藝及制度，設(shè)計(jì)加藥工藝及制度，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)緩蝕劑緩釋效果和腐蝕情況，可防止管道運(yùn)輸過程中CO2腐蝕的侵害，長(zhǎng)輸管線內(nèi)腐蝕控制良好。