CO2驅(qū)油集輸系統(tǒng)管線腐蝕特性及選材技術(shù)研究

殷宏

長慶油田公司第六采油廠

CO2驅(qū)是當(dāng)今國際上應(yīng)用較為廣泛的三次采油技術(shù)之一，也是提高低滲透油藏采收率的重要技術(shù)手段[1]。截至目前，大慶油田已先后在多個實(shí)驗(yàn)區(qū)采用CO2驅(qū)油技術(shù)進(jìn)行了開采。雖然油藏采收率較為可觀，但由于CO2驅(qū)油技術(shù)的特殊性，在低滲透油層中注入液態(tài)CO2驅(qū)替原油時，油井采出液中會上返大量CO2氣體，導(dǎo)致集輸系統(tǒng)各工藝段管道、設(shè)備出現(xiàn)不同程度的腐蝕問題[2-3]。尤其溫度在60～70 ℃范圍區(qū)間內(nèi)時，閥門和管體的均勻腐蝕速率和點(diǎn)蝕速率均高于1 mm/a[4]，達(dá)到國際上公認(rèn)的極嚴(yán)重腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的水平，對油氣的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大威脅。

CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、破壞性大，碳鋼管道內(nèi)防腐體系失效事故頻發(fā)，說明目前對CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)腐蝕機(jī)理及主控因素的研究認(rèn)識尚不明確，難以預(yù)測集輸系統(tǒng)的腐蝕風(fēng)險。此外，國內(nèi)外可借鑒的雙金屬復(fù)合材質(zhì)（20#碳鋼內(nèi)襯316L不銹鋼）、非金屬材質(zhì)胺固化玻璃鋼、316L 不銹鋼等，存在造價較高及在大慶油田集輸系統(tǒng)介質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性差等問題。因此，有必要開展研究，明確CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)腐蝕特性及主控因素，進(jìn)而優(yōu)選出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的耐蝕金屬，以解決CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)腐蝕問題并降低工程投資。

本文通過對大慶油田某CO2驅(qū)油集輸系統(tǒng)內(nèi)閥門和管道的失效分析，結(jié)合腐蝕模擬，探討了CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的腐蝕特性，明確了CO2驅(qū)油集輸系統(tǒng)出現(xiàn)極嚴(yán)重腐蝕的原因，并提出了配套防治措施，可為CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的腐蝕控制提供借鑒。

1 現(xiàn)場管段失效分析

對大慶油田某CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)管道及設(shè)備的腐蝕狀況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和失效分析，發(fā)現(xiàn)摻水工藝段和集油環(huán)線工藝段泵閥和管體等設(shè)備的腐蝕較嚴(yán)重。各工藝段的運(yùn)行參數(shù)及腐蝕情況如表1 所示，從表1 中可以看出，摻水介質(zhì)內(nèi)的溫度高于集油介質(zhì)，并且摻水介質(zhì)內(nèi)管體和閥門的腐蝕程度也比集油介質(zhì)內(nèi)的管體和閥門的腐蝕程度更嚴(yán)重。

表1 摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)設(shè)備及管線的運(yùn)行參數(shù)條件及腐蝕程度Tab.1 Operating parametery conditions and corrosion degree of equipment and pipelines in water-mixed medium and oil-collecting medium

進(jìn)一步對摻水介質(zhì)閥門和管體的腐蝕形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1 所示。從圖1a 中可以看出，閥門凹槽處由于流體流型、流態(tài)的改變，腐蝕較為嚴(yán)重；從圖1b 的微觀腐蝕形貌上也可以看出，在流體高流速沖刷環(huán)境的作用下，閥門處形成了大面積的腐蝕坑，介質(zhì)流向清晰可見，呈現(xiàn)沖刷腐蝕的腐蝕形態(tài)[5]。對管體的腐蝕形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1c 所示，管體內(nèi)部存在大量點(diǎn)蝕并且點(diǎn)蝕密度高達(dá)200 m-2。進(jìn)一步對閥門和管體處腐蝕產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3。因此，可以判斷閥門和管體處的腐蝕主要是由CO2導(dǎo)致。

圖1 摻水介質(zhì)閥門內(nèi)的宏觀、微觀腐蝕形貌以及管體內(nèi)的宏觀腐蝕形貌Fig.1 Corrosion morphology of the valve（macro and micro ）and macro-corrosion morphology of the pipe in the water-mixed medium

2 腐蝕與選材模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣及溶液

選取油氣田失效管材20#鋼作為正交實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)溶液為蒸餾水，進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)前持續(xù)通入N22 h 對蒸餾水進(jìn)行除氧處理。

選材測試實(shí)驗(yàn)分別在大慶某CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行，介質(zhì)中各離子成分如表2 所示。分別對20#鋼、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo、Cr9Mo、Cr13 六種材料進(jìn)行了篩選，腐蝕實(shí)驗(yàn)前在高壓釜內(nèi)持續(xù)通入N22 h 對集輸系統(tǒng)水樣進(jìn)行除氧處理。

表2 摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)的物質(zhì)成分分析Tab.2 Material composition analysis of water-mixed medium and oil-collecting medium

2.2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

利用高壓釜進(jìn)行正交腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中CO2分壓分別為0.1、0.2、0.5、1 MPa；實(shí)驗(yàn)溫度分別為30、45、60、80 ℃，控制釜內(nèi)流體流速分別為0.5、1、1.5、2 m/s，實(shí)驗(yàn)周期分別為3、7、14、29 d。

利用高壓釜依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行選材模擬實(shí)驗(yàn)，摻水介質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)溫度控制在60 ℃，釜內(nèi)介質(zhì)流速為1 m/s，CO2分壓分別為0.1、0.2、0.5 MPa；實(shí)驗(yàn)周期均為7 d。集油介質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)溫度為35 ℃，釜內(nèi)介質(zhì)流速為1 m/s，CO2分壓分別為0、0.5、1.0、1.5 MPa，實(shí)驗(yàn)周期均為7 d。

利用Quanta200FEG 場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察腐蝕微觀形貌，利用Oxford X-MaxN 能譜儀分析腐蝕產(chǎn)物的元素成分，利用布魯克d8 advance X-射線衍射儀分析腐蝕產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)

不考慮介質(zhì)成分影響的條件下，在高壓釜內(nèi)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，研究CO2分壓、流速、溫度、腐蝕周期四個因素對CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)鋼制材料的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

通過對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可以得出，影響腐蝕速率的因素由強(qiáng)到弱分別為：實(shí)驗(yàn)周期、實(shí)驗(yàn)溫度、CO2分壓、流速（表4）。此外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)周期為3 d、溫度為60 ℃時，隨CO2分壓的升高，腐蝕速率顯著增大，即使CO2分壓僅為0.1 MPa，其腐蝕狀況仍然可以達(dá)到嚴(yán)重腐蝕的等級（表3）。實(shí)驗(yàn)周期7 d 時的腐蝕速率與同溫度，同CO2分壓環(huán)境下長期服役管材的腐蝕速率相近。因此，對于CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)摻水介質(zhì)工藝處長期服役的閥門和管體，溫度和CO2分壓均是其發(fā)生極嚴(yán)重腐蝕的主控因素；而對于CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)集油介質(zhì)工藝處的閥門和管體，由于其服役溫度僅為35～45 ℃，所以僅CO2分壓是其發(fā)生極嚴(yán)重腐蝕的主控因素。

表4 實(shí)驗(yàn)因素的極差分析Tab.4 Range analysis of test factors

2.3.2 選材模擬實(shí)驗(yàn)

為了解決CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)鋼材的腐蝕問題，進(jìn)一步在該腐蝕環(huán)境下進(jìn)行了選材研究。結(jié)果表明：在介質(zhì)溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質(zhì)中，雖然鋼材的均勻腐蝕速率隨著CO2分壓的增大而增大，但是隨著鋼材中Cr 含量的增加，材質(zhì)的均勻腐蝕速率卻在顯著下降，其中20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 材質(zhì)的腐蝕速率仍相對較高，均勻腐蝕速率仍然可以達(dá)到0.25 mm/a，屬于嚴(yán)重腐蝕等級。而Cr9Mo、Cr13 材質(zhì)腐蝕速率相對較低，最大均勻腐蝕速率均小于0.03 mm/a，在此環(huán)境下表現(xiàn)出較好的耐蝕性能（圖2）。從圖3 中掛片的宏觀腐蝕形貌上同樣可以看出，20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 四種材質(zhì)表面均有較多的黑色腐蝕產(chǎn)物，而Cr9Mo、Cr13 材質(zhì)的腐蝕試片表面較光亮，腐蝕痕跡較輕。

圖2 介質(zhì)溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質(zhì)中各實(shí)驗(yàn)材質(zhì)在不同CO2分壓環(huán)境下的腐蝕速率Fig.2 Corrosion rate of the test materials in the water-mixed medium with temperature of 60 ℃and flow rate of 1 m/s under different CO2 partial pressure environment

圖3 介質(zhì)溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質(zhì)中各實(shí)驗(yàn)材質(zhì)在0.5 MPa 的CO2分壓環(huán)境下宏觀腐蝕形貌Fig.3 Macro-corrosion morphology of the test materials in the water-mixed medium with temperature of 60 ℃and flow rate of 1 m/s under 0.5 MPa CO2 partial pressure environment

在介質(zhì)溫度35 ℃，流速1 m/s 的集油介質(zhì)中，幾種材質(zhì)的腐蝕情況與摻水介質(zhì)類似，隨著CO2分壓的增加，20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 材質(zhì)的均勻腐蝕速率也較大，均勻腐蝕速率可超過0.25 mm/a，達(dá)到嚴(yán)重腐蝕的等級。而Cr9Mo、Cr13材質(zhì)腐蝕速率相對較低，即使CO2分壓達(dá)到1.5 MPa，仍能表現(xiàn)出較好的耐蝕性能（圖4）。從掛片的宏觀腐蝕形貌（圖5）上同樣可以看出，20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 四種材質(zhì)表面均有大量的腐蝕產(chǎn)物附著，而Cr9Mo、Cr13 材質(zhì)的腐蝕試片腐蝕痕跡較輕。因此，可以認(rèn)為只有合金鋼材質(zhì)Cr 含量超過9%以上時，才可在現(xiàn)有集輸系統(tǒng)腐蝕達(dá)到嚴(yán)重等級的摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)中腐蝕較輕，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕性能。

圖4 介質(zhì)溫度35 ℃、流速1 m/s 的集油介質(zhì)中各實(shí)驗(yàn)材質(zhì)在不同CO2分壓環(huán)境下的腐蝕速率Fig.4 Corrosion rate of the test materials in the oil-collecting medium with temperature of 35 ℃and flow rate of 1 m/s under different CO2 partial pressure environments

圖5 介質(zhì)溫度35 ℃、流速1 m/s 的集油介質(zhì)中各實(shí)驗(yàn)材質(zhì)在1.5 MPa 的CO2分壓環(huán)境下宏觀腐蝕形貌Fig.5 Macro-corrosion morphology of the test materials in the oil-collecting medium with temperature of 35 ℃and flow rate of 1 m/s under 1.5 MPa CO2 partial pressure environment

2.4 結(jié)果分析

研究表明：溫度為30 ℃時，僅0.03 MPa 的CO2就會使碳鋼表面發(fā)生極嚴(yán)重的均勻腐蝕[6]，而CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)內(nèi)的CO2分壓高達(dá)0.2～1 MPa，這說明CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)鋼制材料的腐蝕失效主要是由于CO2腐蝕造成的。

另外，由于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相同，可以認(rèn)為此溫度環(huán)境下鋼材的腐蝕失效是CO2分壓和溫度共同作用的結(jié)果。而集油介質(zhì)內(nèi)溫度僅為35～45 ℃，因此集油工藝段鋼材的腐蝕程度較摻水工藝段鋼材的腐蝕程度輕[7]，但由于集油介質(zhì)內(nèi)CO2分壓仍然較高，因此集油工藝段鋼材仍會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕[8-9]，此工藝段的腐蝕的主控因素僅為介質(zhì)中CO2的含量。

由于20#鋼在CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的鋼材使用中存在嚴(yán)重的失效風(fēng)險，而增加合金材料中的Cr 含量，可以顯著增加材料在CO2腐蝕環(huán)境下的耐蝕性能[10-12]；同時，考慮油田材料應(yīng)用上的經(jīng)濟(jì)適用性，在20#鋼、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo、Cr9Mo、Cr13 選定的六種鋼材中進(jìn)行了選材實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：在摻水工藝段和集油工藝段，Cr9Mo 材質(zhì)與Cr13 不銹鋼均能表現(xiàn)出良好的耐蝕性能。因此，可以認(rèn)為只有合金鋼材質(zhì)Cr 含量超過9%以上時，才可在現(xiàn)有集輸系統(tǒng)腐蝕達(dá)到嚴(yán)重等級的摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)中腐蝕較輕，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕性能。

3 結(jié)論

（1）CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的腐蝕主要為CO2腐蝕，集輸系統(tǒng)內(nèi)腐蝕速率影響因素由強(qiáng)到弱分別為：實(shí)驗(yàn)周期、實(shí)驗(yàn)溫度、CO2分壓、流速。

（2）CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)摻水段，溫度和CO2分壓均是管材長期服役發(fā)生極嚴(yán)重腐蝕的主控因素；而對于CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)集油段，僅CO2分壓是其發(fā)生極嚴(yán)重腐蝕的主控因素。

（3）使用的合金鋼材質(zhì)Cr 含量超過9%以上時，可以使CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的腐蝕速率始終處于非常低的水平。