普光氣田高含水期集輸系統防腐蝕技術研究及應用

吳 敏

（中國石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川達州635000）

普光氣田屬典型高含硫化氫天然氣田，集輸系統選用濕氣加熱保溫混輸工藝，因此對防腐蝕技術要求較高，集輸系統采用了“抗硫管材+緩蝕劑+陰極保護 +智能清管”立體防腐蝕技術［1］。井口采出的天然氣在集氣站內經加熱、節流、分離、計量后外輸，采用“加熱保溫+注緩蝕劑+水合物抑制劑”工藝經支線進入集氣干線，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”技術，內防腐采用“緩蝕劑連續加注+緩蝕劑批處理涂膜”技術，從而減緩惡劣工況下介質對設備和管道的腐蝕［2］。氣田產出水由投產初期的CaCl2水型逐漸轉變為NaHCO3水型。

1 高含水期對腐蝕的影響

（1）氣井產出水水型由凝析水轉變為地層水，腐蝕速率隨之增加。

對氣田產出水投產以來變化情況進行統計分析，結果表明：pH值呈逐漸升高的趨勢，由酸性變為堿性（pH值由5升高至9）；通過對比氣井產出水中各項離子濃度，碳酸氫根離子濃度與pH值變化呈正比，且變化趨勢一致，是pH值升高的主要原因。同時通過腐蝕掛片歷史監測數據對比分析，隨著氣井產水量增加，腐蝕速率明顯增加，并持續超過0.076 mm／a的控制標準。

（2）高含水期緩蝕劑性能降低，腐蝕速率增大。

隨著產出水pH值升高，緩蝕劑緩蝕性能下降。在體積分數為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。

2 緩蝕劑加注濃度調整

2.1 電化學法模擬試驗

采用極化電阻法對腐蝕速率進行評價。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系，通過極化電流密度與極化電位，推導出自然腐蝕電流密度方程和Tafel常數，從而擬合曲線求出平均腐蝕速率［3］。

在電化學測試三電極體系中工作電極為L360試樣，輔助電極為石墨棒，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。試驗在石英玻璃電解池中進行，使用某公司生產的Reference 600型電化學工作站，并用自制可控溫不銹鋼屏蔽箱進行屏蔽，試驗溫度為50℃。極化曲線測試范圍為-1.0～-0.3 V，掃描速率為2 mV／s。

2.1.1 試驗設計

（1）試驗方法

通過對不同水型（氯化鈣或碳酸氫鈉）的溶液進行動電位掃描測試，擬合計算平均腐蝕速率來總結其規律。

（2）試驗材料

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：電化學工作站，pH計；

藥劑：氫氧化鈉、鹽酸等。

（3）試驗步驟

①配液：根據氣田前期產出水物性，在實驗室內配制氯化鈣水型模擬溶液（見表1），碳酸氫鈉水型采用P103-1井現場產出水，配制成18組溶液（見表2）。

②電極準備：L360QS材質標準電極（面積為1 cm2、厚度大于2 mm）分別用360號、600號和800號砂紙打磨，然后用蒸餾水沖洗，再用無水乙醇擦拭，備用。

③電解池準備：將配好的溶液倒入電解池；連接好相應的電極，且電化學工作站與電腦通過USB接口相連，打開電化學工作站待開路電位穩定后開始測試。

④電化學測試：按儀器操作規程，設置好相關參數后進行動電位掃描。

⑤試驗完畢后，清理好現場，再進行擬合計算平均腐蝕速率。

表1 氯化鈣水型溶液模擬液配置

表2 電化學正交試驗溶液配置

2.1.2 試驗結果

（1）氯化鈣水型

溶液中緩蝕劑（CI-1204）的體積分數為1 000 μL／L時，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的體積分數為2 000μL／L時，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

2.2.1 氯化鈣水型

溶液中 CI-1204的體積分數為1 000μL／L時，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。趨勢與電化學結果一致（見圖3）。

2.2.2 碳酸氫鈉水型

溶液中 CI-1204的體積分數為1 000μL／L時，在pH值分別為8，9的條件下，腐蝕速率超標，遠高于 0.076 mm／a的控制標準（見圖4）。

圖3 氯化鈣條件下腐蝕速率對比

圖4 碳酸氫鈉條件下腐蝕速率對比

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環，生成產物為長鏈烷基酰胺，導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 緩蝕劑加注濃度優化

由于水型、pH值改變后，碳酸氫鈉水型在緩蝕劑體積分數為1 000μL／L時腐蝕速率嚴重超標，需要對緩蝕劑加注濃度進行優化［4］，試驗選用P103-1井產出水，緩蝕劑選用體積分數分別為2 000，3 000和4 000μL／L三種。

2.3.1 試驗設計

試驗條件：P103-1產出水1.5 L+CI-1204緩蝕劑體積分數分別為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；

時間：168 h；

速度：300 r／min；

溫度：40℃。

2.3.2 討 論

通過模擬現場生產工況，連續加注水溶型緩蝕劑體積分數提高到4 000μL／L，pH值為8和9時，試樣的平均腐蝕速率均低于0.076 mm／a標準要求（見圖5）。所以水溶型緩蝕劑在碳酸氫鈉水環境下最優理論加注體積分數為4 000μL／L。

圖5 不同緩蝕劑加注量下腐蝕速率對比

3 緩蝕劑連續加注量理論判斷標準

3.1 理論依據

以產出液為基準計算加熱爐進口緩蝕劑加注量：

依據產氣量、加注濃度18 nL／L計算加熱爐進口緩蝕劑加注量：

式中：Q表示日產氣量，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表示以產出液為基準時緩蝕劑加注量，L；L2表示以產氣量為基準時緩蝕劑加注量，L。

3.2 判斷標準

（1）CaCl2水型緩蝕劑加注量理論判斷

當L1＜L2時，即 I≤0.18時，應以產氣量為基準加注緩蝕劑；

當L1＞L2時，即 I＞0.18時，應以產液量為基準加注緩蝕劑。

（2）NaHCO3水型緩蝕劑加注量理論判斷

當L1＜L2時，即I≤0.045時，應以產氣量為基準加注緩蝕劑；

當L1＞L2時，即I＞0.045時，應以產液量為基準加注緩蝕劑。

4 工藝優化

（1）新增井口分水工藝

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

（2）去盲端，優化旁通

從工藝上消除不必要的盲端管段和旁通流程，消除積液死區工藝，減少局部腐蝕。

（3）優化積液管段

積液管采用偏心大小頭設計，優化變徑方式。間歇運行工藝增加吹掃環節，避免積液停留，預防腐蝕發生。

5 結 論

氣田高含水期產出水呈現產水量大、pH值高和礦化度高等特點，集輸系統腐蝕速率也超過相關標準要求，通過對高含水期集輸系統不同水型、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準，優化了緩蝕劑加注濃度，有效地控制了內腐蝕速率。

該技術已在普光氣田現場試驗及應用，局部超標部位腐蝕速率均已低于0.076 mm／a的標準要求，保障了集輸系統的安全、平穩運行。