高含CO2天然氣運輸管道緩蝕劑的篩選

張 宇

(中國石油管道公司管道工程建設項目經理部)

0 引 言

氣藏高溫、高壓、高含CO2(20%～80%)，氣井CO2腐蝕環境惡劣，在天然氣開發中，伴隨產生大量的CO2，CO2具有極強的腐蝕性[1]，天然氣或CO2氣體運輸過程中，對輸氣管材的要求極其嚴格，據有關文獻介紹，對于輸送高含CO2的管道在沒有采取保護措施的情況下，腐蝕井段占50%～85%，嚴重影響管材的壽命[2-3]，為此需要對管道采取必要的防范措施[4-6]。本文闡述CO2腐蝕規律，篩選評價咪唑啉為主劑抗CO2復合緩釋劑，評價緩釋性能及其加注方式，現場設計加藥工藝及其制度，通過現場試驗監測，咪唑啉類的復合緩釋劑，適合CO2輸送管材的防護，降低了管道的腐蝕狀況，延長了管道的使用周期，降低了漏氣的風險。

1 CO2緩蝕劑的研究與評價

1.1 緩釋劑類型的確定

緩蝕劑的種類包括有機類和無機類緩蝕劑，其中無機類緩蝕劑，主要是氧化金屬表面形成鈍化膜或在陰極區形成沉淀膜，對管材進行防護，起到緩釋作用。

有機類緩蝕劑分以下4種，含P類，對金屬有很強的吸附性，用于抑制CO2、H2S、O2、SRB的腐蝕。含S類，通過S原子吸附金屬表面，主要抑制CO2、H2S的腐蝕，因受環境影響較大，現場很少單獨使用。含O類，主要為炔醇類、醛類、脂肪羧酸類，用于油氣井高溫高壓及酸化環境下。含N類，是用量最大的一類緩蝕劑，包括有機胺類、咪唑啉類、銨鹽、季銨鹽類、酰胺類。其中咪唑啉類因具有低毒、高效、易降解等特點，應用最廣泛。不同類型緩蝕劑的緩釋性能評價見圖1。

圖1 不同類型緩蝕劑的緩釋性能評價

1.2 不同材質的緩釋效果

實驗條件：現場模擬水，CO2除氧60 min，藥劑濃度為0.2 g/L，室溫。

實驗結果：針對輸送高含CO2天然氣的管道腐蝕情況，選擇不同類型的材質進行評價，主要優選咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時配伍增效劑、促進劑等多項添加劑，適合范圍在CO2分壓5 MPa、溫度小于95℃，礦場腐蝕速率小于0.076 mm/a，緩蝕效率95%以上。緩蝕劑緩蝕性能評價如圖2所示，具有超強吸附性和預膜性；與國內同類緩蝕劑和國外緩蝕劑對比，該緩蝕劑具有抗CO2腐蝕性能優良，成本低的特性。

注：實驗條件均為“70℃、3 MPa”圖2 緩蝕劑緩蝕性能評價

1.3 緩蝕劑濃度確定

通過電化學實驗進行緩蝕效果評價和形貌分析，綜合考慮緩蝕效果和成本，主劑從0.1%到1%都具有良好的緩蝕效果，0.4%以后緩蝕效果平緩。從電極表面形貌觀察，當主劑為0.1%時，出現明顯的點蝕現象，確定緩蝕劑濃度0.2%。不同濃度緩蝕劑的效果見圖3。

圖3 不同濃度對緩釋效果的影響

2 緩蝕劑加注工藝設計

根據緩蝕劑加注需求及天然氣中CO2含量的變化情況，設計了不同類型的加藥裝置，一是柱塞恒流緩蝕劑加注裝置，針對柱塞恒流裝置，形成了連續加藥工藝，可根據加藥量調整注入量的大小。二是針對首次或間隔加藥井，形成了沖擊式預膜加藥工藝，提高了藥劑利用率和現場緩蝕劑防腐效果，為有效防止CO2腐蝕及其安全運行提供了技術保障。

連續加藥：將藥劑按一定濃度連續均勻注入管道，在井筒中維持成膜濃度達到緩蝕劑膜的動態修復平衡。

間歇加藥：將藥劑按周期一次投加，緩蝕劑的膜維持的時間決定了加藥周期。

沖擊式預膜：將高濃度藥劑(吸附性型、成膜型緩蝕劑)沖擊加藥，使緩蝕劑在管柱表面吸附，形成藥劑保護膜。

3 監測評價

現場連續測試運輸管線的腐蝕狀況，根據管道返出藥劑殘余濃度在40～90 mg/L，以及中試試驗結果與礦場取樣分析來看，可以達到防腐要求，優選的以咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時配伍增效劑、促進劑等多項添加劑適合高含CO2運輸管道的腐蝕防護。間歇加藥井緩蝕劑殘余濃度變化見圖4，緩蝕劑現場監測評價結果見表1。

圖4 間歇加藥井緩蝕劑殘余濃度變化

表1 緩蝕劑現場監測評價結果

4 結 論

1)針對地面集輸的環境情況，篩選以咪唑啉為主劑抗CO2緩蝕劑YQY-HS-1，同時配伍增效劑、促進劑等多項添加劑、適合范圍在CO2分壓5 MPa、溫度小于95℃，礦場腐蝕速率小于0.076 mm/a，緩蝕效率95%以上。

2)設計現場加入工藝及制度，設計加藥工藝及制度，現場監測評價緩蝕劑緩釋效果和腐蝕情況，可防止管道運輸過程中CO2腐蝕的侵害，長輸管線內腐蝕控制良好。