注采系統(tǒng)CO2腐蝕與防護研究進展

馬鋒，祝孝華(中國石油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

0 引言

腐蝕問題是威脅石油、天然氣工業(yè)安全與穩(wěn)定生產(chǎn)的重大問題，控制不好往往會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染等一系列問題。吉林油田自開發(fā)以來，注采集輸系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢逐年加劇，通過技術(shù)研究與應用，形成針對性防護技術(shù)，保障了注采集輸系統(tǒng)防腐效果[1]。

1 CO2驅(qū)腐蝕影響因素及規(guī)律研究

國內(nèi)外研究表明，影響腐蝕規(guī)律的因素眾多，其中，CO2分壓、溫度、流速、溶液pH值、Cl-、腐蝕產(chǎn)物膜等是腐蝕的主要因素[2], CO2與SRB的共同存在對集輸管線會產(chǎn)生嚴重的腐蝕，往往導致集輸管線的過早失效，給油田的安全生產(chǎn)造成很大的隱患，同時造成巨大的經(jīng)濟損失。近年來國內(nèi)外的事故分析和研究趨勢表明，CO2腐蝕成為油氣田生產(chǎn)的主要障礙。CO2遇到地層水后會水解形成H2CO3，H2CO3然后會解離成HCO3-和CO32-等陰離子，而解離成的陰離子和溶液中存在的H+等離子很容易在碳鋼表面發(fā)生還原反應，促使碳鋼陽極發(fā)生溶解反應。因此，碳鋼會在含CO2的水溶液中發(fā)生嚴重的腐蝕，其腐蝕程度比相同pH值條件下的強酸(如HCl)還要嚴重。因此，很有必要對CO2腐蝕影響因素及規(guī)律進行研究，本文詳細介紹CO2分壓、溫度、流速、SRB(硫酸鹽還原菌)等對腐蝕影響的研究進展。

1.1 CO2分壓的影響

CO2分壓是影響CO2腐蝕的一個重要參數(shù)。當CO2分壓高時，溶解的氫離子濃度升高，使腐蝕加速。隨著CO2分壓升高，P110、N80、3Cr、9Cr有類似的變化趨勢，腐蝕速率隨CO2分壓升高而增大，13Cr和S13Cr不銹鋼材料隨著CO2分壓升高腐蝕速率變化不大，22Cr幾乎沒有腐蝕。

1.2 溫度的影響

溫度對CO2腐蝕具有非常顯著的影響。隨著溫度的升高，不同類型的鋼材腐蝕速率先增大，而當溫度高于80 ℃后，腐蝕速率又呈現(xiàn)下降的趨勢[3-5]。隨著溫度的升高鋼材表面腐蝕膜呈現(xiàn)疏松的非晶態(tài)狀，當溫度高于80 ℃后，腐蝕膜呈現(xiàn)晶態(tài)特征，且溫度越高晶態(tài)越明顯、晶粒更細，這意味著腐蝕膜對基體的腐蝕保護作用先減弱而后又增強。在有CO2條件下，P110、N80、3Cr、9Cr隨溫度升高材料腐蝕具有增大趨勢，80～100 ℃出現(xiàn)腐蝕峰值點，13Cr和S13Cr在100～130 ℃腐蝕趨勢上升明顯，但具體的峰值隨著工況條件的不同而變化。

1.3 SRB對CO2腐蝕的影響

集輸管線含有CO2和較高的SRB, SRB的存在能夠?qū)⒘蛩岣x子還原成S2-，與 Fe反應生成鐵的硫合物，加速電化學腐蝕；副產(chǎn)物H2S是有毒有害氣體，會造成操作人員中毒，并且對生產(chǎn)管線腐蝕。CO2和細菌共同存在會加劇管道腐蝕。CO2和細菌協(xié)同作用下較單因素腐蝕加劇，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，二者相互促進腐蝕，產(chǎn)生協(xié)同腐蝕作用。50 ℃，CO2分壓0.5 MPa，100 r/min, N80試片如表1所示。

表1 50 ℃、CO2分壓0.5 MPa、100 r/min條件下N80試片腐蝕速率

2 注采集輸系統(tǒng)針對性防腐技術(shù)

除13Cr和S13C，其他材料的腐蝕性都處于嚴重區(qū)間，因此，從經(jīng)濟角度，考慮采用N80和P110作為首選材料，確定緩蝕劑防腐為主。根據(jù)腐蝕結(jié)垢規(guī)律及主控因素研究，研發(fā)形成了針對性抗CO2緩蝕劑JL-3體系，作為注采集輸系統(tǒng)的選用藥劑，進行現(xiàn)場試驗與應用[6]。模擬注采集輸工況下JL-3緩蝕劑評價如表2所示。

表2 模擬注采集輸工況下JL-3緩蝕劑評價

結(jié)合研究成果，形成了防腐技術(shù)路線。主體以碳鋼配合緩蝕劑防腐為主。通過現(xiàn)場掛片與探針的共同監(jiān)測，腐蝕速率低于0.076 mm/a，同時2020年吉林油田失效率降至400次/千千米·年以下，達到了396次/千千米·年管道失效率下降明顯，較2018年降幅達40%，綜合防腐技術(shù)初步見到較好的效果。吉林油田2018～2020年管道失效率情況表如表3所示。

表3 吉林油田2018—2020年管道失效率情況表

3 結(jié)語

(1)吉林油田開展了CO2腐蝕相關(guān)的研究與試驗，找出了注采集輸系統(tǒng)規(guī)律，并開發(fā)了腐蝕控制技術(shù)，有效保障了油田安全高效生產(chǎn)。

(2)在今后的腐蝕控制領(lǐng)域，在深化腐蝕規(guī)律認識的基礎上，研究耐腐蝕材料，延長管道、管柱服役壽命，保障站場、井筒、地面完整性。

(3)低成本、環(huán)保、安全、高性能是腐蝕防護技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。