氣液比對CO2驅集輸管線腐蝕的影響規律*

韓霞 王子明 王田麗 中國石化石油工程設計有限公司

氣液比對CO2驅集輸管線腐蝕的影響規律*

韓霞 王子明 王田麗 中國石化石油工程設計有限公司

高氣液比是CO2驅集輸系統混輸介質的重要特征之一。借助自主研發的多相流腐蝕模擬試驗裝置，開展不同氣液流量、不同氣液比條件下CO2驅集輸系統管線腐蝕規律研究。研究表明，混輸介質的氣液比決定水平直管段及彎頭等部位流型特征，進而影響腐蝕速率。通過對流型段塞頻率的定量分析，認為高氣液比條件有助于減緩管道腐蝕。該結論為CO2驅集輸管線設計提供了新的腐蝕控制思路。

CO2驅；腐蝕；氣液比；流型；段塞頻率

1 CO2驅集輸系統腐蝕問題

勝利油田自2007年開始在純梁高89區塊開展了CO2驅先導試驗，已取得顯著的增油效果。然而，CO2驅油技術的應用對采油系統、地面集輸系統的安全生產提出了諸多新挑戰。管線腐蝕是目前制約該技術推廣應用的關鍵問題之一。前期先導試驗表明，由于采出氣中CO2含量的急劇攀升，導致部分區段集輸管線腐蝕加劇，影響生產安全運行。高氣液比是CO2驅集輸系統混輸介質的重要特征之一。因此，如何經濟有效地控制CO2驅油系統的腐蝕已成為工程設計和生產運行中亟待解決的難題。

通過現場調研與對比，發現勝利油田CO2驅集輸系統腐蝕環境最顯著的特點為高CO2分壓和超高氣液比。毫無疑問，大量CO2氣體隨開采過程不斷溢出，單井伴生氣中CO2含量一般達到70%以上，CO2分壓為0.4～1.0MPa，遠高于普通油井或酸性油氣田。

本文結合CO2驅集輸系統環境特點，利用自主研發的多相流腐蝕模擬試驗裝置來認識不同氣液比條件下多相混輸介質的腐蝕規律，為CO2驅生產系統的腐蝕控制尋求新思路。

2 實驗方法

為研究油氣集輸系統管線腐蝕規律，自主研發了一套多相流腐蝕模擬試驗裝置。該裝置適用于多相流腐蝕機理、流型與腐蝕關系、管線全方位腐蝕性檢測等研究工作，亦可為油田管線腐蝕評價、緩蝕劑篩選及防腐工藝優化等提供較好的試驗研究平臺。該裝置具有獨特的腐蝕測試功能，最大程度重現現場管線內腐蝕環境并全方位采集腐蝕信息。裝置主要包括以下幾個單元模塊：①氣液控制與計量系統；②油氣水混合與流型觀察系統；③腐蝕檢測與評價系統；④氣液分離系統。各部分之間的關聯性及簡易工作原理如圖1所示。

實驗過程中所用原油取自勝利純梁CO2驅見效井；所用的溶液為純梁CO2驅現場采出水的模擬液，氣體為高純CO2氣體。多相流腐蝕模擬試驗裝置正式運行前，經過CO2及N2聯合除氧，確保實驗運行過程中系統處于無氧環境下，溶液中含氧量估算小于0.5mg/L。一般系統運行2天后開始記錄腐蝕數據，此時由于CO2氣體不斷補充，含氧量會進一步降低，接近或達到油田集輸現場管線內腐蝕環境。

圖1 多相流腐蝕試驗裝置原理

3 實驗結果與討論

3.1 不同氣液比水平直管段及彎頭管段腐蝕

將管線內氣體流量固定為60m3/h，分離器內壓力保持在0.5MPa，工況下氣體流量約為8.0m3/h，溫度保持在60℃，變化液相流量以實現氣液比的改變。對于DN40管線，該狀態下氣體折算流速約為1.77m/s。液體流量分別設定為2～7m3/h，對應折算流速為0.44～1.55m/s。實驗中液相油含量約為100～500mg/L。水相溶液為按純梁CO2驅采出水配置的腐蝕模擬液，CO2分壓為0.5MPa。水平直管段內腐蝕速率與液相流速及氣液比的關系如圖2所示。經數學擬合，水平直管段內腐蝕速率（RC）與液相流速（VL）之間滿足以下函數關系，即：RC=1.30-1.66VL+2.59VL2。本經驗擬合規律僅適用于VL≥0.32m/s的情況。當VL=0.32m/s時，RC取得最小值為0.872mm/a。

圖2 水平直管段內腐蝕速率與液相流速及氣液比關系

從圖2可知，當管線內液相流速大于1.0m/s時，腐蝕速率隨液體流速急劇增加。在液體流速增加而氣體流速不變的情況下，管線內多相流的氣液比減小，意味著管內更多地被液相所占據，腐蝕探針與液相的接觸時間及頻率也增加。因此，除了液相流速的影響外，氣液比變化導致的管壁與液相接觸頻次也起到了決定性的作用。

與水平直管段測試條件一致，利用腐蝕探針檢測了180°彎頭處腐蝕速率在不同氣液比條件下的變化規律。

在較低液相流速下，液相流體主要處于管線底部，液相段塞流通過彎頭時可能緊靠外側，大多數液體可能繞過探針所處的管道中間位置，因此探針多數時間處于氣相當中，腐蝕速率較低；當氣液比減小時，液相流速增大，管道截面空間大多被液相填充，探針位置不斷被液相直接沖刷，腐蝕量急劇增加。出現液相段塞直接沖蝕腐蝕探針位置對應的液相流速為VL=1.2～1.3m/s，對應氣液比為10左右?？梢姡g速率在彎頭處的跳躍性變化與液相流速和氣液比同時相關?？梢酝茢啵谳^高氣液比下，即使液體流速較高，探針所處位置的腐蝕速率也可能保持較低水平，因為該處與液相直接接觸的時間和頻次較低。這一認識對于高氣液比CO2驅腐蝕具有指導意義。但彎頭外側直接受液體沖擊的部位腐蝕速率可能并不會遵循此規律，因為該部位即使在氣液比較高時也會有較高頻率與液相接觸，且受沖蝕最嚴重，所以仍需考慮特殊防護。

3.2 腐蝕速率與段塞頻率關系

為了更好地理解氣液比影響管線腐蝕的規律，系統研究了氣液流量與流型之間的定量關系及與腐蝕速率的關聯性。所謂氣液段塞頻率，是指處于段塞流流型下的流體中氣柱與液柱每秒鐘交替的次數，實驗中可由流型觀測并實時錄像獲得。由氣液段塞頻率與氣液流量的依賴關系可知，液體流量越大，氣液段塞頻率越高；氣體流量大，氣液段塞頻率呈下降趨勢。

由于實驗是通過多相流腐蝕模擬試驗裝置連續運行獲得不同條件下的腐蝕速率，需耗費大量時間和人力，鑒于此只選取部分氣液比條件下實驗結果進行統計分析。結合流型實驗研究，可進一步推導出，隨著氣液比提高氣液段塞流頻率降低，多相流腐蝕速率下降。因此，高氣液比的油氣混輸有利于減緩腐蝕。這一研究結論表明，較高的氣液比將有益于管線腐蝕控制。

4 結論

借助多相流腐蝕模擬試驗裝置，開展了不同氣液流量、不同氣液比條件下CO2驅集輸系統管線腐蝕規律研究。研究表明，混輸介質的氣液比決定水平直管段及彎頭等部位流型特征，進而影響腐蝕速率。對于水平直管段，腐蝕速率隨氣液比減小、液體流速增大而增大；對于彎頭部位，高氣液比條件下會出現測得的腐蝕速率有跳躍式降低現象。通過對流型段塞頻率的定量分析，發現腐蝕速率與段塞頻率呈正相關的線性關系，由此認為高氣液比條件有助于減緩管道腐蝕。該結論為CO2驅集輸管線設計提供了新的腐蝕控制思路。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.014

基金論文：國家科技支撐計劃項目（2012BAC24A04）。