紅河油田二氧化碳驅(qū)地面集輸管線腐蝕規(guī)律研究*

劉學(xué)全

(中石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006)

紅河油田長8油藏平均滲透率0.4×10-3μm2，平均孔隙度10.8%，平均孔隙半徑33.09 μm，喉道半徑0.31 μm，屬于典型的致密特低滲油藏。2010年以來，紅河油田在長8油藏開展了水平井先導(dǎo)試驗，水平井分段壓裂投用也獲得了高產(chǎn)。隨著水平井生產(chǎn)周期的延長，表現(xiàn)出地層能量嚴(yán)重不足、產(chǎn)量遞減快的問題，部分水平井自然遞減超過70%。因此,必須找到有效補充能量的方法，以提高采收率。

特低滲油藏采用CO2驅(qū)油能量補充，其效果遠好于水、氮氣、空氣及甲烷等驅(qū)替介質(zhì)，然而，CO2屬于酸性氣體,溶于水中會生成碳酸，在適宜的溫度及壓力條件下對地面管線、油套管等將造成不同程度的腐蝕，腐蝕后地面管線會產(chǎn)生點蝕甚至穿孔[1-3]。通過開展地面管線腐蝕測試研究，掌握不同工況條件下的腐蝕規(guī)律，從而設(shè)計安全、實用、經(jīng)濟的防腐工藝，為鄂爾多斯盆地致密低滲油氣藏注氣配套工藝提供技術(shù)支持。

1 CO2驅(qū)腐蝕機理及影響因素

CO2在水中溶解之后會促進鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕，按介質(zhì)溫度的差異將腐蝕分為三類：類型Ⅰ為低溫區(qū)，主要發(fā)生金屬的活性溶解，對于碳鋼來說主要是全面腐蝕，但是對于含鉻鋼則形成腐蝕產(chǎn)物膜；類型Ⅱ為中溫區(qū)，由于腐蝕產(chǎn)物在兩種金屬表面分布得不均勻，主要發(fā)生點蝕等局部腐蝕；類型Ⅲ為高溫區(qū)，腐蝕產(chǎn)物可以較好地覆蓋在兩種金屬表面，從而起到抑制腐蝕的作用[4-5]。

1.1 全面腐蝕機理

鋼鐵中的CO2腐蝕機理比較復(fù)雜，影響因素眾多，目前國內(nèi)外對于CO2腐蝕過程中的陰陽極反應(yīng)還存在一些爭議。

一般認為CO2腐蝕機理總反應(yīng)式為：

(1)

1.1.1 陽極反應(yīng)

陽極反應(yīng)認識分歧主要產(chǎn)生于對CO2腐蝕的中間產(chǎn)物了解較少。

1.1.2 陰極反應(yīng)

(2)

1.2 局部腐蝕機理

二氧化碳的腐蝕往往由局部腐蝕引起的，而對于局部腐蝕的機理仍然缺少深入的研究。總體來講，不同覆蓋度的區(qū)域之間會形成具有很強的自催化特性的腐蝕電偶或是閉塞電池，二氧化碳的局部腐蝕就是這種腐蝕電偶作用下的結(jié)果，這一機理可以很好地解釋電化學(xué)反應(yīng)在腐蝕發(fā)生和擴展過程中起到的作用。

1.3 影響二氧化碳驅(qū)腐蝕的主控因素

二氧化碳腐蝕的影響因素很多，總體概括可以分為三大類：

第一類是環(huán)境因素。包括介質(zhì)溫度(T)、二氧化碳分壓(PCO2)、介質(zhì)的化學(xué)特性、流速及流動狀態(tài)、幾何因素、介質(zhì)的pH值、金屬表面膜與表面垢層性質(zhì)以及外加載荷等。

第三類是材料因素。包括材料種類、材料中合金元素Cr,C,Ni,Si,Mo,Cu,Co等的含量、鋼材的熱處理狀態(tài)(即鋼材的顯微組織)等。

另外還有一些其他因素。比如即使是同一口井，也存在著由施工或陰陽極保護電流泄漏而引起的雜散電流腐蝕、由焊接引起的焊縫腐蝕、由材質(zhì)電位不同引起的管材電偶腐蝕。

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2 試驗條件

2.1 試驗材質(zhì)

試驗材質(zhì)為目前地面集輸管線常用材質(zhì)，選擇13Cr鋼、316L鋼、高壓玻璃鋼三種材料開展不同工況下的腐蝕規(guī)律研究。

2.2 試驗溫度

在模擬試驗中，測試在30 ℃,40 ℃,60 ℃不同鋼的腐蝕速率，明確溫度對鋼材腐蝕的影響。

2.3 試驗壓力

測試在不同分壓下鋼材腐蝕速率，明確注入壓力對不同鋼材的腐蝕規(guī)律。

2.4 試驗介質(zhì)

根據(jù)紅河油田地層水水樣分析結(jié)果，選用純NaCl,KCl,NaHCO3,CaCl2,MgCl2·6H2O 配制模擬地層水作為腐蝕介質(zhì)。

3 試驗裝置及方法

3.1 試驗裝置

試驗裝置采用高壓起伏管路模擬試驗裝置，試片若干、真空干燥器、超聲波清洗機、大小燒杯、水浴加熱器、高精度電子天平等部分組成。

3.2 試驗氣體及其他藥品

試驗所用氣體為高純氮氣(體積分?jǐn)?shù)超過99.999%)，高純氮氣用來去除試驗管路、反應(yīng)儀器以及腐蝕介質(zhì)中的氧氣。

試驗所用藥品種類主要包括：氯化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.5%)、無水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.7%)、有機酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%)、六次甲基四胺(質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99.0%)等。

3.3 腐蝕速率的計算方法

(3)

式中：Rcorr為腐蝕速率,mm/a；m0為試樣原始質(zhì)量,g；mt為試樣試驗后質(zhì)量,g；A為試樣總表面積,cm2；ρ為試樣材質(zhì)密度,g/cm3;t為測試時間,h。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同溫度對腐蝕的影響評價

表1至表3為在30 ℃,40 ℃,60 ℃不同溫度下，三種管材13Cr鋼、316L鋼和高壓玻璃鋼的腐蝕速率試驗數(shù)據(jù)。

表1 30 ℃CO2分壓不同時掛片腐蝕速率

由表1至表3數(shù)據(jù)可知，隨著測試溫度的升高， 三種管材腐蝕速率逐漸減少，呈現(xiàn)出以下規(guī)律： 13Cr鋼>316L鋼>高壓玻璃鋼。

4.2 不同壓力對腐蝕的影響評價

表4和表5為CO2總壓分別為0.3 MPa和0.5 MPa不同分壓條件下，三種管材13Cr鋼、316L鋼、高壓玻璃鋼的腐蝕試驗數(shù)據(jù)。

表2 40 ℃CO2分壓不同時掛片腐蝕速率

表3 60 ℃CO2分壓不同時掛片腐蝕速率

表4 CO2總壓為0.3 MPa時掛片腐蝕速率

表5 CO2總壓為0.5 MPa時掛片腐蝕速率

由表4至表5數(shù)據(jù)可知,在總壓一定的情況下，隨著CO2分壓升高三種管材13Cr鋼、316L鋼、高壓玻璃鋼的腐蝕速率沒有明顯的變化。

4.3 腐蝕形貌表征

以管材13Cr作為試片，采用聚焦顯微技術(shù)觀察溫度分別為30 ℃,40 ℃,60 ℃時試片表面腐蝕現(xiàn)象，見圖1。

圖1 腐蝕形貌隨溫度變化

由圖1可以看出,在溫度為30 ℃,40 ℃時腐蝕掛片表面出現(xiàn)明顯的均勻腐蝕，腐蝕掛片表面腐蝕點分布均勻，腐蝕深度分別為21 μm和23 μm；當(dāng)溫度升高到60 ℃時，腐蝕掛片表面出現(xiàn)明顯的點腐蝕，且點蝕坑的深度達到50 μm，由此可以判定為嚴(yán)重的點蝕，此處的點蝕坑極易進一步發(fā)展，造成管壁穿孔。

5 結(jié) 論

(1)腐蝕規(guī)律研究表明，溫度對CO2腐蝕速率影響較大，隨著溫度的升高腐蝕速率增大，在試驗條件下三種材料的耐蝕性排序為：高壓玻璃鋼>316L鋼>13Cr鋼。

(2)三種管材在總壓一定的情況下，腐蝕速率隨著CO2分壓的增大沒有明顯的變化。

(3)研究結(jié)果表明，玻璃鋼腐蝕速率最低，地面集輸管線推薦采用高壓玻璃鋼管道。