普光氣田高含水期集輸系統(tǒng)防腐蝕技術(shù)研究及應(yīng)用

吳 敏

（中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川達(dá)州635000）

普光氣田屬典型高含硫化氫天然氣田，集輸系統(tǒng)選用濕氣加熱保溫混輸工藝，因此對(duì)防腐蝕技術(shù)要求較高，集輸系統(tǒng)采用了“抗硫管材+緩蝕劑+陰極保護(hù) +智能清管”立體防腐蝕技術(shù)［1］。井口采出的天然氣在集氣站內(nèi)經(jīng)加熱、節(jié)流、分離、計(jì)量后外輸，采用“加熱保溫+注緩蝕劑+水合物抑制劑”工藝經(jīng)支線進(jìn)入集氣干線，最后輸送至總站。站外集輸管線外防腐采用“防腐保溫層+陰極保護(hù)”技術(shù)，內(nèi)防腐采用“緩蝕劑連續(xù)加注+緩蝕劑批處理涂膜”技術(shù)，從而減緩惡劣工況下介質(zhì)對(duì)設(shè)備和管道的腐蝕［2］。氣田產(chǎn)出水由投產(chǎn)初期的CaCl2水型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹aHCO3水型。

1 高含水期對(duì)腐蝕的影響

（1）氣井產(chǎn)出水水型由凝析水轉(zhuǎn)變?yōu)榈貙铀g速率隨之增加。

對(duì)氣田產(chǎn)出水投產(chǎn)以來(lái)變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：pH值呈逐漸升高的趨勢(shì)，由酸性變?yōu)閴A性（pH值由5升高至9）；通過(guò)對(duì)比氣井產(chǎn)出水中各項(xiàng)離子濃度，碳酸氫根離子濃度與pH值變化呈正比，且變化趨勢(shì)一致，是pH值升高的主要原因。同時(shí)通過(guò)腐蝕掛片歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，隨著氣井產(chǎn)水量增加，腐蝕速率明顯增加，并持續(xù)超過(guò)0.076 mm／a的控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）高含水期緩蝕劑性能降低，腐蝕速率增大。

隨著產(chǎn)出水pH值升高，緩蝕劑緩蝕性能下降。在體積分?jǐn)?shù)為1 000μL／L的條件下，CaCl2水型腐蝕能夠得到有效抑制，但NaHCO3水型腐蝕超標(biāo)。

2 緩蝕劑加注濃度調(diào)整

2.1 電化學(xué)法模擬試驗(yàn)

采用極化電阻法對(duì)腐蝕速率進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用腐蝕電流與極化曲線在腐蝕電位附近的斜率成反比關(guān)系，通過(guò)極化電流密度與極化電位，推導(dǎo)出自然腐蝕電流密度方程和Tafel常數(shù)，從而擬合曲線求出平均腐蝕速率［3］。

在電化學(xué)測(cè)試三電極體系中工作電極為L(zhǎng)360試樣，輔助電極為石墨棒，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。試驗(yàn)在石英玻璃電解池中進(jìn)行，使用某公司生產(chǎn)的Reference 600型電化學(xué)工作站，并用自制可控溫不銹鋼屏蔽箱進(jìn)行屏蔽，試驗(yàn)溫度為50℃。極化曲線測(cè)試范圍為-1.0～-0.3 V，掃描速率為2 mV／s。

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)不同水型（氯化鈣或碳酸氫鈉）的溶液進(jìn)行動(dòng)電位掃描測(cè)試，擬合計(jì)算平均腐蝕速率來(lái)總結(jié)其規(guī)律。

（2）試驗(yàn)材料

器材：燒杯、玻璃棒、0.5 mL移液管、50 mL量筒、250 mL量筒、牛角藥勺等；

儀器：電化學(xué)工作站，pH計(jì)；

藥劑：氫氧化鈉、鹽酸等。

（3）試驗(yàn)步驟

①配液：根據(jù)氣田前期產(chǎn)出水物性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制氯化鈣水型模擬溶液（見(jiàn)表1），碳酸氫鈉水型采用P103-1井現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)出水，配制成18組溶液（見(jiàn)表2）。

②電極準(zhǔn)備：L360QS材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)電極（面積為1 cm2、厚度大于2 mm）分別用360號(hào)、600號(hào)和800號(hào)砂紙打磨，然后用蒸餾水沖洗，再用無(wú)水乙醇擦拭，備用。

③電解池準(zhǔn)備：將配好的溶液倒入電解池；連接好相應(yīng)的電極，且電化學(xué)工作站與電腦通過(guò)USB接口相連，打開(kāi)電化學(xué)工作站待開(kāi)路電位穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試。

④電化學(xué)測(cè)試：按儀器操作規(guī)程，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行動(dòng)電位掃描。

⑤試驗(yàn)完畢后，清理好現(xiàn)場(chǎng)，再進(jìn)行擬合計(jì)算平均腐蝕速率。

表1 氯化鈣水型溶液模擬液配置

表2 電化學(xué)正交試驗(yàn)溶液配置

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）氯化鈣水型

溶液中緩蝕劑（CI-1204）的體積分?jǐn)?shù)為1 000 μL／L時(shí)，在pH值分別為5，6和7的條件下，平均腐蝕速率均低于0.076 mm／a（見(jiàn)圖1）。

圖1 氯化鈣溶液平均腐蝕速率

（2）碳酸氫鈉水型

溶液中CI-1204的體積分?jǐn)?shù)為2 000μL／L時(shí)，在pH值分別為7，8和9的條件下，平均腐蝕速率均低于0.076 mm／a（見(jiàn)圖2）。

圖2 碳酸氫鈉溶液平均腐蝕速率

2.2 高壓釜模擬試驗(yàn)

2.2.1 氯化鈣水型

溶液中 CI-1204的體積分?jǐn)?shù)為1 000μL／L時(shí)，在pH值分別為5，6和7的條件下，腐蝕速率受控，平均腐蝕速率均低于0.076 mm／a。趨勢(shì)與電化學(xué)結(jié)果一致（見(jiàn)圖3）。

2.2.2 碳酸氫鈉水型

溶液中 CI-1204的體積分?jǐn)?shù)為1 000μL／L時(shí)，在pH值分別為8，9的條件下，腐蝕速率超標(biāo)，遠(yuǎn)高于 0.076 mm／a的控制標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)圖4）。

圖3 氯化鈣條件下腐蝕速率對(duì)比

圖4 碳酸氫鈉條件下腐蝕速率對(duì)比

CI-1204緩蝕劑自身pH值為4.0～5.0，其主要組分咪唑啉類在偏堿性NaHCO3水型條件下易水解開(kāi)環(huán)，生成產(chǎn)物為長(zhǎng)鏈烷基酰胺，導(dǎo)致緩蝕劑在金屬表面的吸附、覆蓋作用減弱，緩蝕性能降低。

2.3 緩蝕劑加注濃度優(yōu)化

由于水型、pH值改變后，碳酸氫鈉水型在緩蝕劑體積分?jǐn)?shù)為1 000μL／L時(shí)腐蝕速率嚴(yán)重超標(biāo)，需要對(duì)緩蝕劑加注濃度進(jìn)行優(yōu)化［4］，試驗(yàn)選用P103-1井產(chǎn)出水，緩蝕劑選用體積分?jǐn)?shù)分別為2 000，3 000和4 000μL／L三種。

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)條件：P103-1產(chǎn)出水1.5 L+CI-1204緩蝕劑體積分?jǐn)?shù)分別為2 000，3 000和4 000μL／L；

掛片：L360QS掛片（液相8片）；

壓力：H2S1.5 MPa，CO21 MPa，N25.5 MPa；

時(shí)間：168 h；

速度：300 r／min；

溫度：40℃。

2.3.2 討 論

通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工況，連續(xù)加注水溶型緩蝕劑體積分?jǐn)?shù)提高到4 000μL／L，pH值為8和9時(shí)，試樣的平均腐蝕速率均低于0.076 mm／a標(biāo)準(zhǔn)要求（見(jiàn)圖5）。所以水溶型緩蝕劑在碳酸氫鈉水環(huán)境下最優(yōu)理論加注體積分?jǐn)?shù)為4 000μL／L。

圖5 不同緩蝕劑加注量下腐蝕速率對(duì)比

3 緩蝕劑連續(xù)加注量理論判斷標(biāo)準(zhǔn)

3.1 理論依據(jù)

以產(chǎn)出液為基準(zhǔn)計(jì)算加熱爐進(jìn)口緩蝕劑加注量：

依據(jù)產(chǎn)氣量、加注濃度18 nL／L計(jì)算加熱爐進(jìn)口緩蝕劑加注量：

式中：Q表示日產(chǎn)氣量，10 000 m3；I表示液氣比，1∶10 000；L表示液相理論緩蝕劑加注濃度，μL／L；L1表示以產(chǎn)出液為基準(zhǔn)時(shí)緩蝕劑加注量，L；L2表示以產(chǎn)氣量為基準(zhǔn)時(shí)緩蝕劑加注量，L。

3.2 判斷標(biāo)準(zhǔn)

（1）CaCl2水型緩蝕劑加注量理論判斷

當(dāng)L1＜L2時(shí)，即 I≤0.18時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)氣量為基準(zhǔn)加注緩蝕劑；

當(dāng)L1＞L2時(shí)，即 I＞0.18時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)液量為基準(zhǔn)加注緩蝕劑。

（2）NaHCO3水型緩蝕劑加注量理論判斷

當(dāng)L1＜L2時(shí)，即I≤0.045時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)氣量為基準(zhǔn)加注緩蝕劑；

當(dāng)L1＞L2時(shí)，即I＞0.045時(shí)，應(yīng)以產(chǎn)液量為基準(zhǔn)加注緩蝕劑。

4 工藝優(yōu)化

（1）新增井口分水工藝

產(chǎn)水氣井井口新增氣水分離工藝，產(chǎn)水全部外輸至污水處理站處理，從而降低系統(tǒng)內(nèi)水量，降低緩蝕劑投加總量，控制液相腐蝕。

（2）去盲端，優(yōu)化旁通

從工藝上消除不必要的盲端管段和旁通流程，消除積液死區(qū)工藝，減少局部腐蝕。

（3）優(yōu)化積液管段

積液管采用偏心大小頭設(shè)計(jì)，優(yōu)化變徑方式。間歇運(yùn)行工藝增加吹掃環(huán)節(jié)，避免積液停留，預(yù)防腐蝕發(fā)生。

5 結(jié) 論

氣田高含水期產(chǎn)出水呈現(xiàn)產(chǎn)水量大、pH值高和礦化度高等特點(diǎn)，集輸系統(tǒng)腐蝕速率也超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)對(duì)高含水期集輸系統(tǒng)不同水型、不同緩蝕劑濃度條件下腐蝕速率的模擬，建立了緩蝕劑加注判斷標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了緩蝕劑加注濃度，有效地控制了內(nèi)腐蝕速率。

該技術(shù)已在普光氣田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用，局部超標(biāo)部位腐蝕速率均已低于0.076 mm／a的標(biāo)準(zhǔn)要求，保障了集輸系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。