酸性氣田緩蝕劑現(xiàn)場效果評價(jià)技術(shù)及應(yīng)用

陳文 莫林 何益杉 陳力力

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中石油集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地 4.中國石油西南油氣田公司

評價(jià)緩蝕劑在現(xiàn)場應(yīng)用后的效果一方面可以指導(dǎo)緩蝕劑加量優(yōu)化，降低藥品投放的盲目性，另一方面還可指導(dǎo)和優(yōu)化氣田金屬設(shè)備防腐工作，起到節(jié)能增效的作用。

目前，針對氣田現(xiàn)場腐蝕的檢測手段有智能清管、檢修期打開觀察、射線探傷檢測等，但存在時(shí)間滯后[1-2]、手段單一、可靠性不足等問題[3-7]。本研究結(jié)合腐蝕監(jiān)測/檢測與化學(xué)分析方法建立了緩蝕劑現(xiàn)場效果評價(jià)技術(shù)，并在龍王廟現(xiàn)場開展了應(yīng)用，指導(dǎo)現(xiàn)場緩蝕劑加注的優(yōu)化。

1 緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)

酸性氣田開發(fā)通常在投產(chǎn)不久即會添加緩蝕劑以防止腐蝕，因此很難依靠現(xiàn)場腐蝕檢測的方式獲得空白腐蝕數(shù)據(jù)，導(dǎo)致難以在現(xiàn)場通過對比添加緩蝕劑前后的腐蝕情況來明確緩蝕劑應(yīng)用效果。緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)主要通過對氣田水進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測/檢測數(shù)據(jù)開展定性評價(jià)。

1.1 氣田水分析

分析氣田水中的緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度和鐵離子質(zhì)量濃度，以此判斷管線是否受到緩蝕劑保護(hù)、緩蝕劑用量是否足夠，從而對緩蝕劑防腐效果進(jìn)行初步分析。

1.1.1緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析

將氣田水中測得的緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度與推薦的緩蝕劑最低加量進(jìn)行對比，可以判斷緩蝕劑是否足量，以此定性判斷緩蝕劑防腐效果。緩蝕劑質(zhì)量濃度分析需要根據(jù)緩蝕劑分子結(jié)構(gòu)開展，目前關(guān)于不同類型的緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析方法已經(jīng)有一些研究報(bào)道可以借鑒和參考[8-11]。

在具體分析前需要先建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，再利用分析設(shè)備讀取的結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)曲線上對比得出具體數(shù)值。圖1是中國石油西南油氣田龍王廟組氣藏使用的緩蝕劑CT2-19C質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。從圖1可看出，擬合值相關(guān)系數(shù)在99.9%以上，說明線性關(guān)系較好，具有可信度。需要指出的是,每種緩蝕劑結(jié)構(gòu)不同，同時(shí)現(xiàn)場水的成分也不相同，因此某一條標(biāo)準(zhǔn)曲線只適用于其特定的環(huán)境。

1.1.2鐵離子質(zhì)量濃度分析

鐵離子質(zhì)量濃度主要用于定性分析緩蝕劑應(yīng)用效果，通過對比加注緩蝕劑前后氣田水中鐵離子質(zhì)量濃度變化情況進(jìn)行判斷。對一些無法取得空白水樣的管線，需要對鐵離子質(zhì)量濃度開展連續(xù)檢測以發(fā)現(xiàn)鐵離子變化趨勢，對比緩蝕劑殘質(zhì)量余濃度變化趨勢，以此說明緩蝕劑加注效果。常用的鐵離子質(zhì)量濃度分析方法有1,10-菲羅啉分光光度法、磺基水楊酸分光光度法、EDTA配位滴定法等。1,10-菲羅啉分光光度法是油田水中鐵含量推薦分析方法之一[12]，建議在現(xiàn)場使用該方法進(jìn)行分析。

1.2 腐蝕監(jiān)測/檢測

腐蝕監(jiān)測/檢測包括壁厚測試、腐蝕探針、腐蝕掛片等。為了保證得到的結(jié)果可靠，通常需要多種方法聯(lián)合使用，得到的數(shù)據(jù)可以直接用于分析現(xiàn)場腐蝕狀況或腐蝕速率。其與氣田水中的緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析結(jié)果相結(jié)合，可以用于評價(jià)緩蝕劑現(xiàn)場防腐效果。

1.2.1壁厚測試

目前壁厚測試手段的大多基于超聲波技術(shù)，通過定量測試管線設(shè)備壁厚情況，評價(jià)緩蝕劑防護(hù)效果。常見的測試手段見表1。

表1 常見壁厚測試手段序號腐蝕監(jiān)測/檢測數(shù)據(jù)類型1定點(diǎn)超聲波壁厚量2高精度在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)壁厚量3智能A/B/C型內(nèi)腐蝕掃描成像內(nèi)壁形貌圖像、壁厚

現(xiàn)場通常使用手持式超聲波測厚儀開展測量。在室內(nèi)選用某廠家的商品超聲波測厚儀，校準(zhǔn)后選用標(biāo)準(zhǔn)試塊(10.00 mm、7.00 mm、3.00 mm、1.00 mm)進(jìn)行測厚。該儀器分辨率為0.01 mm，分別進(jìn)行連續(xù)3次測試，結(jié)果見表2。

表2 其他腐蝕監(jiān)測/檢測手段標(biāo)準(zhǔn)試塊/mm第一次測厚/mm第二次測厚/mm第三次測厚/mm10.00 10.0010.0010.017.00 7.007.007.003.00 3.003.012.991.00 1.001.011.01

從表2可看出，測試結(jié)果相對誤差最高為0.67%，說明方法可靠性較好?？紤]到現(xiàn)場管線在生產(chǎn)過程中原始壁厚并不能完全等同于設(shè)計(jì)壁厚，因此該設(shè)備用作評價(jià)緩蝕劑防護(hù)效果時(shí)不應(yīng)使用原始設(shè)計(jì)壁厚減去單次測量壁厚進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)采用兩個(gè)檢測周期之間定點(diǎn)測量得到的差值進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2腐蝕探針

腐蝕探針通常通過記錄腐蝕過程中電信號的變化，轉(zhuǎn)化為腐蝕速率進(jìn)行記錄。常見的有電阻探針、電感探針等(見表3)。

表3 常見腐蝕探針序號腐蝕監(jiān)測/檢測數(shù)據(jù)類型1電阻探針腐蝕速率2電感探針內(nèi)部整體狀況,缺陷定位

現(xiàn)場最常安裝的探針是電阻探針，選擇某廠電阻探針在室內(nèi)開展了緩蝕劑加注前后的對比，結(jié)果見圖2。

從圖2可看出，電阻探針放入腐蝕液后主要有3個(gè)階段：電阻探針剛置入腐蝕液，此時(shí)探針表面處于活化狀態(tài)，探針本體金屬損失量處于最高水平；隨著探針在腐蝕液中的時(shí)間增加，腐蝕速率逐漸降低，趨于穩(wěn)定；當(dāng)注入緩蝕劑后，腐蝕速率呈斷崖式降低，最終趨于平穩(wěn)。這說明，探針作為評價(jià)緩蝕劑的手段具有相當(dāng)?shù)撵`敏性。

圖3所示為某氣田現(xiàn)場探針監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

從圖3可看出，由于電化學(xué)探針反應(yīng)靈敏，在現(xiàn)場生產(chǎn)中,探針表面環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)稍有變化時(shí)即可對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。因此，用于評價(jià)緩蝕劑應(yīng)用效果時(shí)需要結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行合理分析，且應(yīng)從整體結(jié)果的角度進(jìn)行評價(jià)，而不是截取某個(gè)特例的點(diǎn)進(jìn)行分析評價(jià)。

1.2.3腐蝕掛片

通過定量測試腐蝕掛片失重情況計(jì)算管線設(shè)備腐蝕速率是目前應(yīng)用最為廣泛和基礎(chǔ)的方法?？偟恼f來，腐蝕掛片結(jié)果直觀準(zhǔn)確，用于評價(jià)緩蝕劑應(yīng)用效果更具有說服力。但在應(yīng)用過程中，不能只關(guān)注整體失重情況，還應(yīng)關(guān)注是否有局部腐蝕發(fā)生。

1.2.4其他

隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新的技術(shù)也進(jìn)行了應(yīng)用(見表4)。有報(bào)道表明，氫通量測試技術(shù)可以用于含硫氣田緩蝕劑效果跟蹤評價(jià)[6]。

表4 其他腐蝕監(jiān)測/檢測手段序號腐蝕監(jiān)測/檢測數(shù)據(jù)類型1氫通量測試氫分子數(shù)量2電指紋監(jiān)測(FSM)內(nèi)壁形貌圖像3漏磁檢測內(nèi)部整體狀況,缺陷定位4電磁探傷檢測內(nèi)部整體狀況,缺陷定位5X射線探傷內(nèi)壁形貌圖像

在這些技術(shù)中，氫通量測試技術(shù)更便捷靈敏，可以通過檢測氫分子數(shù)量來定性說明緩蝕劑是否起到效果。但是，就最終緩蝕劑防腐效果而言，仍然需要結(jié)合壁厚測試、腐蝕掛片、缺陷檢測等一系列檢測手段予以證明。

1.3 緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)

結(jié)合氣田現(xiàn)場常見工藝和設(shè)備安裝情況，推薦的緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)組成見表5。

表5 緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)內(nèi)容手段目的水分析緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析明確氣田水中是否含有緩蝕劑,評價(jià)緩蝕劑濃度是否滿足控制要求,判斷緩蝕劑應(yīng)用情況鐵離子質(zhì)量濃度分析對比同管線或同區(qū)域加注緩蝕劑前后鐵離子的濃度,分析緩蝕劑應(yīng)用效果腐蝕監(jiān)測檢測腐蝕探針監(jiān)測腐蝕速率,明確緩蝕劑應(yīng)用后對腐蝕速率的控制效果腐蝕掛片計(jì)算腐蝕速率,觀察表面形貌,明確緩蝕劑應(yīng)用效果測厚檢測通過壁厚損失確認(rèn)緩蝕劑應(yīng)用效果氫通量測試對比含硫氣田管線設(shè)備緩蝕劑成膜前后滲氫量的變化,定性分析緩蝕劑應(yīng)用效果

緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)由多種手段組合而成，在具體應(yīng)用中不應(yīng)依靠某一單獨(dú)手段進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)綜合水分析和腐蝕監(jiān)測/檢測結(jié)果開展評價(jià)，才能得到真實(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果。

2 在龍王廟某原料氣管線的應(yīng)用

龍王廟組氣藏是典型的高產(chǎn)含硫氣田，該原料氣管線系統(tǒng)采用了碳鋼+緩蝕劑的防腐方案，管線材質(zhì)為L360NCS，設(shè)計(jì)壁厚12.5 mm，緩蝕劑加注工藝為預(yù)膜+連續(xù)加注工藝。

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

在龍王廟組氣藏現(xiàn)場開展緩蝕劑防腐后，根據(jù)建立的緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)技術(shù)對原料氣管線A開展了緩蝕劑應(yīng)用效果評價(jià)。

2.1.1水分析

在該管線末端連續(xù)取氣田水30天，經(jīng)分析緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度為513～833 mg/L，高于室內(nèi)推薦的緩蝕劑加注質(zhì)量濃度，說明管線整體處于緩蝕劑保護(hù)之中。

對水中鐵離子質(zhì)量濃度進(jìn)行了分析，并與同區(qū)塊相鄰兩條加注緩蝕劑前的管線B和管線C水樣進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。

從圖4可知，加注緩蝕劑管線的鐵離子質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于未加注緩蝕劑的管線。結(jié)合該分析結(jié)果，說明管線處于緩蝕劑保護(hù)之中，加注緩蝕劑后有明顯效果。

2.1.2現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測/檢測

分別使用定點(diǎn)超聲波測厚、電阻探針、腐蝕掛片、氫通量測試對現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，并結(jié)合水分析結(jié)果對緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行了評價(jià)。

2.1.2.1 超聲波測厚

采用定點(diǎn)、定設(shè)備、定人員的原則在現(xiàn)場開展了超聲波測厚，間隔時(shí)間為3個(gè)月，結(jié)果見表6。

表6 超聲波測厚結(jié)果樣次壁厚/mm壁厚損失/mm壁厚損失率/%112.46212.440.020.16

根據(jù)SY/T 0087.2-2020《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第2部分：埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評價(jià)》腐蝕減薄等級劃分，表明該管線整體處于輕度減薄，說明緩蝕劑防腐效果較好。

2.1.2.2 電阻探針及腐蝕掛片

在該管線末端設(shè)置了腐蝕掛片和電阻探針，運(yùn)行3個(gè)月后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集分析，結(jié)果見表7。

表7 腐蝕速率計(jì)算結(jié)果計(jì)算方式腐蝕速率/(mm·a-1)腐蝕掛片計(jì)算結(jié)果0.002 3電阻探針計(jì)算結(jié)果0.000 1

從表7可看出，腐蝕速率整體很低。

2.1.2.3 氫通量測試

由于該管線設(shè)置的緩蝕劑加注方案為預(yù)膜+連續(xù)加注，因此在緩蝕劑預(yù)膜前后進(jìn)行了氫通量測試，結(jié)果見圖5。

從圖5可知：對比緩蝕劑預(yù)膜前后，可以看出緩蝕劑預(yù)膜后滲氫量明顯降低，說明緩蝕劑有效抑制了腐蝕發(fā)生；隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，緩蝕劑膜破裂失效，腐蝕再次加劇，因此滲氫量再次升高。

2.2 緩蝕劑現(xiàn)場效果評價(jià)

基于建立的評價(jià)技術(shù)體系，結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)，對緩蝕劑現(xiàn)場效果進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果見表8。

表8 緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)內(nèi)容項(xiàng)目現(xiàn)場數(shù)據(jù)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果水分析ρ(緩蝕劑殘余)/(mg·L-1)513～833≥200具備良好效果ρ(鐵離子)/(mg·L-1)7.8<33.5(低于加注緩蝕劑前)效果明顯腐蝕監(jiān)測檢測腐蝕速率(電阻探針)/(mm·a-1)0.000 1<0.1①防腐效果好腐蝕速率(腐蝕掛片)/(mm·a-1)0.002 3<0.10①防腐效果好測厚損失/%0.16<10防腐效果好氫通量(測試)/(pL·cm-2·S-1)最低降至0<7(低于加注緩蝕劑前)效果明顯評價(jià)結(jié)論緩蝕劑在該管線應(yīng)用效果優(yōu)異,可以控制整體腐蝕速率處于輕度腐蝕區(qū)間 注:①設(shè)置的控制目標(biāo),低于0.1 mm/a。

從表8可看出，利用這些方法評價(jià)的結(jié)果具備一致性，說明建立的評價(jià)體系具備可信性。同時(shí)，評價(jià)結(jié)果顯示緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果優(yōu)異，可以有效控制該管線的整體腐蝕。

3 結(jié)論

(1) 通過實(shí)內(nèi)實(shí)驗(yàn)對氣田水分析、超聲波測厚、電化學(xué)探針等方法進(jìn)行了分析，結(jié)果表明這些方法具備可靠性，可以用于緩蝕劑效果評價(jià)。

(2) 建立的酸性氣田緩蝕劑現(xiàn)場效果評價(jià)技術(shù)體系應(yīng)以緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析、鐵離子質(zhì)量濃度分析、腐蝕探針、腐蝕掛片、壁厚測試等為基礎(chǔ)，并相互補(bǔ)充驗(yàn)證。

(3) 在龍王廟組氣藏某原料氣管線開展的現(xiàn)場應(yīng)用表明，利用該技術(shù)可以評價(jià)緩蝕劑現(xiàn)場應(yīng)用效果。