CO2驅油集輸系統管線腐蝕特性及選材技術研究

殷宏

長慶油田公司第六采油廠

CO2驅是當今國際上應用較為廣泛的三次采油技術之一，也是提高低滲透油藏采收率的重要技術手段[1]。截至目前，大慶油田已先后在多個實驗區采用CO2驅油技術進行了開采。雖然油藏采收率較為可觀，但由于CO2驅油技術的特殊性，在低滲透油層中注入液態CO2驅替原油時，油井采出液中會上返大量CO2氣體，導致集輸系統各工藝段管道、設備出現不同程度的腐蝕問題[2-3]。尤其溫度在60～70 ℃范圍區間內時，閥門和管體的均勻腐蝕速率和點蝕速率均高于1 mm/a[4]，達到國際上公認的極嚴重腐蝕標準的水平，對油氣的安全生產產生了巨大威脅。

CO2驅集輸系統內介質腐蝕性強、破壞性大，碳鋼管道內防腐體系失效事故頻發，說明目前對CO2驅集輸系統腐蝕機理及主控因素的研究認識尚不明確，難以預測集輸系統的腐蝕風險。此外，國內外可借鑒的雙金屬復合材質（20#碳鋼內襯316L不銹鋼）、非金屬材質胺固化玻璃鋼、316L 不銹鋼等，存在造價較高及在大慶油田集輸系統介質環境適應性差等問題。因此，有必要開展研究，明確CO2驅集輸系統腐蝕特性及主控因素，進而優選出技術可行、經濟合理的耐蝕金屬，以解決CO2驅集輸系統腐蝕問題并降低工程投資。

本文通過對大慶油田某CO2驅油集輸系統內閥門和管道的失效分析，結合腐蝕模擬，探討了CO2驅集輸系統的腐蝕特性，明確了CO2驅油集輸系統出現極嚴重腐蝕的原因，并提出了配套防治措施，可為CO2驅集輸系統的腐蝕控制提供借鑒。

1 現場管段失效分析

對大慶油田某CO2驅集輸系統管道及設備的腐蝕狀況進行了現場調研和失效分析，發現摻水工藝段和集油環線工藝段泵閥和管體等設備的腐蝕較嚴重。各工藝段的運行參數及腐蝕情況如表1 所示，從表1 中可以看出，摻水介質內的溫度高于集油介質，并且摻水介質內管體和閥門的腐蝕程度也比集油介質內的管體和閥門的腐蝕程度更嚴重。

表1 摻水介質和集油介質設備及管線的運行參數條件及腐蝕程度Tab.1 Operating parametery conditions and corrosion degree of equipment and pipelines in water-mixed medium and oil-collecting medium

進一步對摻水介質閥門和管體的腐蝕形貌進行分析，結果如圖1 所示。從圖1a 中可以看出，閥門凹槽處由于流體流型、流態的改變，腐蝕較為嚴重；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境的作用下，閥門處形成了大面積的腐蝕坑，介質流向清晰可見，呈現沖刷腐蝕的腐蝕形態[5]。對管體的腐蝕形貌進行分析，結果如圖1c 所示，管體內部存在大量點蝕并且點蝕密度高達200 m-2。進一步對閥門和管體處腐蝕產物的晶體結構進行分析，結果表明：腐蝕產物主要為FeCO3。因此，可以判斷閥門和管體處的腐蝕主要是由CO2導致。

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

2 腐蝕與選材模擬實驗

2.1 試樣及溶液

選取油氣田失效管材20#鋼作為正交實驗材料，實驗溶液為蒸餾水，進行腐蝕實驗前持續通入N22 h 對蒸餾水進行除氧處理。

選材測試實驗分別在大慶某CO2驅集輸系統摻水介質和集油介質內進行，介質中各離子成分如表2 所示。分別對20#鋼、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo、Cr9Mo、Cr13 六種材料進行了篩選，腐蝕實驗前在高壓釜內持續通入N22 h 對集輸系統水樣進行除氧處理。

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

2.2 實驗條件及方法

利用高壓釜進行正交腐蝕模擬實驗。實驗過程中CO2分壓分別為0.1、0.2、0.5、1 MPa；實驗溫度分別為30、45、60、80 ℃，控制釜內流體流速分別為0.5、1、1.5、2 m/s，實驗周期分別為3、7、14、29 d。

利用高壓釜依據現場環境進行選材模擬實驗，摻水介質中的實驗溫度控制在60 ℃，釜內介質流速為1 m/s，CO2分壓分別為0.1、0.2、0.5 MPa；實驗周期均為7 d。集油介質中的實驗溫度為35 ℃，釜內介質流速為1 m/s，CO2分壓分別為0、0.5、1.0、1.5 MPa，實驗周期均為7 d。

利用Quanta200FEG 場發射環境掃描電鏡觀察腐蝕微觀形貌，利用Oxford X-MaxN 能譜儀分析腐蝕產物的元素成分，利用布魯克d8 advance X-射線衍射儀分析腐蝕產物的晶體結構。

2.3 實驗結果與討論

2.3.1 腐蝕模擬實驗

不考慮介質成分影響的條件下，在高壓釜內進行正交實驗，研究CO2分壓、流速、溫度、腐蝕周期四個因素對CO2驅集輸系統鋼制材料的影響，實驗結果見表3。

表3 正交實驗設計及結果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

通過對正交實驗結果進行極差分析可以得出，影響腐蝕速率的因素由強到弱分別為：實驗周期、實驗溫度、CO2分壓、流速（表4）。此外，當實驗周期為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到嚴重腐蝕的等級（表3）。實驗周期7 d 時的腐蝕速率與同溫度，同CO2分壓環境下長期服役管材的腐蝕速率相近。因此，對于CO2驅集輸系統摻水介質工藝處長期服役的閥門和管體，溫度和CO2分壓均是其發生極嚴重腐蝕的主控因素；而對于CO2驅集輸系統集油介質工藝處的閥門和管體，由于其服役溫度僅為35～45 ℃，所以僅CO2分壓是其發生極嚴重腐蝕的主控因素。

表4 實驗因素的極差分析Tab.4 Range analysis of test factors

2.3.2 選材模擬實驗

為了解決CO2驅集輸系統鋼材的腐蝕問題，進一步在該腐蝕環境下進行了選材研究。結果表明：在介質溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質中，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，材質的均勻腐蝕速率卻在顯著下降，其中20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 材質的腐蝕速率仍相對較高，均勻腐蝕速率仍然可以達到0.25 mm/a，屬于嚴重腐蝕等級。而Cr9Mo、Cr13 材質腐蝕速率相對較低，最大均勻腐蝕速率均小于0.03 mm/a，在此環境下表現出較好的耐蝕性能（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 四種材質表面均有較多的黑色腐蝕產物，而Cr9Mo、Cr13 材質的腐蝕試片表面較光亮，腐蝕痕跡較輕。

圖2 介質溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質中各實驗材質在不同CO2分壓環境下的腐蝕速率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 介質溫度60 ℃、流速1 m/s 的摻水介質中各實驗材質在0.5 MPa 的CO2分壓環境下宏觀腐蝕形貌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

在介質溫度35 ℃，流速1 m/s 的集油介質中，幾種材質的腐蝕情況與摻水介質類似，隨著CO2分壓的增加，20#、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo 材質的均勻腐蝕速率也較大，均勻腐蝕速率可超過0.25 mm/a，達到嚴重腐蝕的等級。而Cr9Mo、Cr13材質腐蝕速率相對較低，即使CO2分壓達到1.5 MPa，仍能表現出較好的耐蝕性能（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 四種材質表面均有大量的腐蝕產物附著，而Cr9Mo、Cr13 材質的腐蝕試片腐蝕痕跡較輕。因此，可以認為只有合金鋼材質Cr 含量超過9%以上時，才可在現有集輸系統腐蝕達到嚴重等級的摻水介質和集油介質中腐蝕較輕，表現出優良的抗腐蝕性能。

圖4 介質溫度35 ℃、流速1 m/s 的集油介質中各實驗材質在不同CO2分壓環境下的腐蝕速率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 介質溫度35 ℃、流速1 m/s 的集油介質中各實驗材質在1.5 MPa 的CO2分壓環境下宏觀腐蝕形貌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就會使碳鋼表面發生極嚴重的均勻腐蝕[6]，而CO2驅集輸系統內的CO2分壓高達0.2～1 MPa，這說明CO2驅集輸系統鋼制材料的腐蝕失效主要是由于CO2腐蝕造成的。

另外，由于正交實驗結果與現場試驗結果相同，可以認為此溫度環境下鋼材的腐蝕失效是CO2分壓和溫度共同作用的結果。而集油介質內溫度僅為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]，但由于集油介質內CO2分壓仍然較高，因此集油工藝段鋼材仍會發生嚴重的腐蝕[8-9]，此工藝段的腐蝕的主控因素僅為介質中CO2的含量。

由于20#鋼在CO2驅集輸系統的鋼材使用中存在嚴重的失效風險，而增加合金材料中的Cr 含量，可以顯著增加材料在CO2腐蝕環境下的耐蝕性能[10-12]；同時，考慮油田材料應用上的經濟適用性，在20#鋼、12Cr1MoV、12Cr2Mo、Cr5Mo、Cr9Mo、Cr13 選定的六種鋼材中進行了選材實驗。結果表明：在摻水工藝段和集油工藝段，Cr9Mo 材質與Cr13 不銹鋼均能表現出良好的耐蝕性能。因此，可以認為只有合金鋼材質Cr 含量超過9%以上時，才可在現有集輸系統腐蝕達到嚴重等級的摻水介質和集油介質中腐蝕較輕，表現出優良的抗腐蝕性能。

3 結論

（1）CO2驅集輸系統的腐蝕主要為CO2腐蝕，集輸系統內腐蝕速率影響因素由強到弱分別為：實驗周期、實驗溫度、CO2分壓、流速。

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

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