Y油田CO2驅(qū)區(qū)塊原油集輸工藝腐蝕防護(hù)技術(shù)應(yīng)用

唐靈箭 常聯(lián)東 叢林

大慶榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司

CCUS 技術(shù)是目前唯一可以在繼續(xù)使用化石能源的同時(shí)大規(guī)模實(shí)現(xiàn)減排的低碳技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域深度減排的關(guān)鍵，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑，該技術(shù)不僅是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措，也是低滲透油田大幅度提高采收率的戰(zhàn)略性接替技術(shù)[1]。但CO2驅(qū)地面集輸系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，由于采出液中的高含CO2與采出水，或者與北方寒冷地區(qū)主要采用的摻水集油工藝中的水結(jié)合，會(huì)對(duì)集輸系統(tǒng)的碳鋼管道、設(shè)備等造成一定的腐蝕，且隨著開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，CO2含量增加，腐蝕加劇，會(huì)減少管道和設(shè)備的使用壽命。為解決集輸系統(tǒng)腐蝕問題，可采用不銹鋼或非金屬材質(zhì)的工藝或管道，但不銹鋼材質(zhì)成本高、非金屬管道材質(zhì)在CO2驅(qū)集輸介質(zhì)中的適應(yīng)性有待驗(yàn)證，所以需要研究CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)防腐技術(shù)，以滿足生產(chǎn)需求，降低建設(shè)投資。Y 油田S16 區(qū)塊自2014 年開始進(jìn)行水驅(qū)轉(zhuǎn)CO2驅(qū)開發(fā)試驗(yàn)，對(duì)集輸系統(tǒng)防腐技術(shù)進(jìn)行了研究應(yīng)用。

1 CO2腐蝕特點(diǎn)

純凈的CO2無腐蝕性，但CO2在水介質(zhì)中能迅速地引起鋼鐵全面腐蝕和嚴(yán)重的局部腐蝕，CO2腐蝕典型的特征是呈現(xiàn)局部的點(diǎn)蝕、癬狀腐蝕和臺(tái)面狀腐蝕，臺(tái)面狀腐蝕是最嚴(yán)重的一種情況[2]。總的腐蝕反應(yīng)為：CO2+H2O+Fe→FeCO3+H2。

2 CO2腐蝕影響因素

CO2的腐蝕過程是一種復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，影響腐蝕速率的因素很多，主要包括CO2分壓、溫度、流速等。

（1）溫度的影響。大量研究結(jié)果表明：溫度是影響CO2腐蝕的重要因素。在一定的溫度范圍內(nèi)，碳鋼在CO2水溶液中的腐蝕速率隨溫度的升高而增大；當(dāng)碳鋼表面形成致密的腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3時(shí)，碳鋼的腐蝕速率隨溫度的升高而降低，此時(shí)減緩腐蝕。地面集輸系統(tǒng)中設(shè)備及管道屬于中溫環(huán)境，根據(jù)溫度對(duì)腐蝕特性的影響，把集輸系統(tǒng)中的CO2腐蝕劃分為兩類：溫度＜60 ℃時(shí)，腐蝕產(chǎn)物膜軟而無附著力，金屬表面光滑，均勻腐蝕，此種情況多存在于集輸管道中；溫度大于60 ℃小于100 ℃時(shí)，溫度越高腐蝕速率越大并將產(chǎn)生點(diǎn)蝕，腐蝕產(chǎn)物層為厚而松粗結(jié)晶的FeCO3，此種情況多存在于站內(nèi)容器及加熱爐中。

（2）CO2分壓的影響。一般情況下，鋼的腐蝕速率隨CO2分壓增加而增大。地面系統(tǒng)中CO2腐蝕多在中溫區(qū)，隨著CO2分壓的增大，腐蝕速度將加快，因?yàn)榇藭r(shí)雖然腐蝕產(chǎn)物膜形成，但膜疏而厚，無保護(hù)性。

（3）流速的影響。流速越大，越加速材料腐蝕。高流速易破壞腐蝕產(chǎn)物膜或防礙腐蝕產(chǎn)物膜的形成[3]，使鋼材表面始終處于裸露的初始腐蝕狀態(tài)下，腐蝕速率增快。

影響CO2腐蝕的因素很多，影響過程也較為復(fù)雜，除以上談到的影響因素外，pH 值、采出液成分、伴生氣中H2S 及O2含量等對(duì)CO2腐蝕的影響也不容忽視。

3 集輸系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)腐蝕程度分析

在北方寒冷地區(qū)，集油工藝主要是摻水集油，集輸系統(tǒng)的主要工藝流程為：油井→集油管道→計(jì)量間→轉(zhuǎn)油站（油、水、氣分離）→聯(lián)合站（脫水、污水處理）。采出液從井口進(jìn)入集油管線，所攜帶的CO2最多，腐蝕性最強(qiáng)；進(jìn)入轉(zhuǎn)油站進(jìn)行氣液分離以及油水初步分離后，液體中含有的CO2減少，腐蝕性降低。以摻水集輸工藝介質(zhì)變化特點(diǎn)劃分工藝段，以室內(nèi)模擬和在線腐蝕監(jiān)測(cè)為實(shí)驗(yàn)手段，研究了CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)典型介質(zhì)腐蝕變化規(guī)律。集輸工藝段和腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖1。

圖1 集輸工藝段及腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gathering and transportation process section and corrosion monitoring point

通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)分析，摻水介質(zhì)和集油介質(zhì)為嚴(yán)重腐蝕等級(jí)（＞0.254 mm/a），油氣分離后油水介質(zhì)和伴生氣介質(zhì)為中度腐蝕等級(jí)（0.125～0.254 mm/a），具體參數(shù)見表1。

表1 集輸系統(tǒng)各工藝段腐蝕等級(jí)Tab.1 Corrosion level of each process section in the gathering and transportation system

另外，對(duì)“四合一”（加熱、緩沖、沉降、分離設(shè)備簡(jiǎn)稱）內(nèi)部用20#鋼進(jìn)行掛片，檢測(cè)容器內(nèi)部存水、存油、存氣區(qū)腐蝕情況。檢測(cè)結(jié)果表明：存氣區(qū)腐蝕速率大于存油區(qū)腐蝕速率，存水區(qū)腐蝕速率最小[4]。

4 CO2驅(qū)地面防腐技術(shù)分析

CO2驅(qū)地面防腐技術(shù)主要有應(yīng)用防腐材質(zhì)、加防腐內(nèi)涂層、加緩蝕劑等。常用的防腐組合方式有不同成分的不銹鋼、內(nèi)襯不銹鋼的雙金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)、非金屬、碳鋼加緩蝕劑、碳鋼加內(nèi)涂層等[5-7]。

防腐材質(zhì)常見的有不銹鋼、非金屬等。不銹鋼管道設(shè)備成本高，但內(nèi)襯不銹鋼的雙金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)能有效降低成本；非金屬管道防腐性能好，但對(duì)于CO2環(huán)境應(yīng)用不一定適合。通過對(duì)非金屬管道材質(zhì)的體積、拉伸強(qiáng)度、質(zhì)量、模量變化率進(jìn)行測(cè)試，交聯(lián)聚乙烯（PEX）、聚乙烯（PE）管道性能優(yōu)于常規(guī)玻璃鋼等。對(duì)不同保護(hù)層的PEX、PE 管的密度、環(huán)剛度、彎曲強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)具備PE/PEX 介質(zhì)傳輸層+鋼絲/鋼骨架增強(qiáng)層+PE 外護(hù)層結(jié)構(gòu)的鋼骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管及復(fù)合連續(xù)管適用于CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)工藝介質(zhì)條件。

對(duì)于涂層防腐技術(shù)，由于CO2的滲透作用，導(dǎo)致有些涂層易出現(xiàn)起泡、脫落等情況。以CO2驅(qū)摻水集輸系統(tǒng)處理設(shè)備工藝參數(shù)（溫度、CO2分壓、流速）為依據(jù)，以加速模擬試驗(yàn)和電化學(xué)分析為研究手段，深入研究涂層防腐技術(shù)適用性，優(yōu)選出適用于集輸系統(tǒng)的環(huán)氧酚醛內(nèi)防腐涂料，具有較好的防腐效果。

使用緩蝕劑是解決腐蝕問題最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的有效途徑。針對(duì)含CO2/H2S 的腐蝕環(huán)境，咪唑啉類緩蝕劑以其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)、低毒高效、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外各大油田和研究者的高度關(guān)注[8-9]。咪唑啉類緩蝕劑一般以有機(jī)多元胺和有機(jī)酸為原料合成咪唑啉環(huán)，然后通過多種方式對(duì)其進(jìn)行改性，最終得到所需要的緩蝕劑。

5 Y油田CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)防腐技術(shù)

根據(jù)對(duì)集輸系統(tǒng)各工藝節(jié)點(diǎn)腐蝕程度的分析，Y 油田S16 區(qū)塊集輸系統(tǒng)創(chuàng)新了集輸工藝，優(yōu)選了防腐技術(shù)。

5.1 集輸工藝

Y 油田S16 區(qū)塊站外創(chuàng)新采用“羊角環(huán)”摻水集油工藝，即在常規(guī)摻水集油環(huán)基礎(chǔ)上，將井口節(jié)流閥后60～100 m 范圍內(nèi)易發(fā)生凍堵的管道從集油環(huán)管道獨(dú)立出來，形成環(huán)狀摻水集油工藝中的“羊角段”，此段增加電加熱維溫，可解決集油環(huán)內(nèi)油井“一堵全堵”的問題。轉(zhuǎn)油站內(nèi)采用“雙氣-雙液”油氣處理工藝，設(shè)置油氣分離器+“四合一”，加強(qiáng)氣體緩沖能力，完成2 次氣相、液相高效分離，逐級(jí)減少系統(tǒng)內(nèi)CO2含量，降低CO2分壓及腐蝕強(qiáng)度，使下游工藝設(shè)備得到有效保護(hù)。轉(zhuǎn)油站后端的脫水站為游離水分離+電脫水處理工藝，污水站為曝氣+氣浮+流砂過濾+超濾的特低滲透油田處理工藝，CO2驅(qū)產(chǎn)液進(jìn)入水驅(qū)產(chǎn)液后混合處理。

5.2 防腐技術(shù)

S16 集輸系統(tǒng)防腐以采出液中CO2分離前和分離后為節(jié)點(diǎn)，分離前加強(qiáng)防腐，分離后偏向常規(guī)防腐。

（1）“羊角環(huán)”摻水集油管道防腐。集油管道輸送井口產(chǎn)液含CO2高容易腐蝕，且工藝上容易凍堵，對(duì)管道有電熱解堵需求，所以“羊角段”采用比不銹鋼成本低的內(nèi)襯不銹鋼雙金屬?gòu)?fù)合管，集油環(huán)采用鋼絲增強(qiáng)PEX 塑料復(fù)合連續(xù)管，既能防腐，又可電解堵。

（2）轉(zhuǎn)油站內(nèi)設(shè)備設(shè)施防腐。轉(zhuǎn)油站接收站外未經(jīng)分離的含CO2產(chǎn)液，首先進(jìn)入屬于壓力容器的油氣分離器，材質(zhì)選用不銹鋼；之后進(jìn)入的“四合一”殼體仍使用碳鋼，內(nèi)加防腐涂層；煙火管溫度高，使用雙相不銹鋼。經(jīng)“四合一”后CO2含量變少，去計(jì)量間的摻水、去脫水站的含水油輸送管道以及天然氣除油器均為碳鋼材質(zhì)。在轉(zhuǎn)油站內(nèi)投加緩蝕劑，保護(hù)站內(nèi)、站外整個(gè)集輸系統(tǒng)。

（3）站間管道防腐。站間管道包括計(jì)量間到轉(zhuǎn)油站的集油管道和轉(zhuǎn)油站到計(jì)量間的摻水管道。集油管道含有未分離的CO2，且所輸送產(chǎn)液對(duì)產(chǎn)量影響大，所以使用內(nèi)襯不銹鋼雙金屬?gòu)?fù)合管，保證穩(wěn)定生產(chǎn)。摻水管道使用了碳鋼材質(zhì)輸送分離CO2后的含油水。

（4）脫水、污水站防腐。CO2驅(qū)產(chǎn)液目前與水驅(qū)產(chǎn)液混合處理，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)腐蝕特點(diǎn)以及對(duì)脫水、污水站的腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果，未針對(duì)CO2驅(qū)產(chǎn)液做特殊防腐處理，仍為水驅(qū)工藝，脫水站內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況投加緩蝕劑。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）CO2驅(qū)集輸系統(tǒng)的防腐技術(shù)需根據(jù)工藝各節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)來制定。

（2）CO2腐蝕影響因素有溫度、CO2分壓等。

（3）轉(zhuǎn)油站“雙氣-雙液”集油工藝能較好地分離CO2，對(duì)后續(xù)工藝設(shè)備起到腐蝕防護(hù)作用。

（4）S16 區(qū)塊集輸系統(tǒng)中應(yīng)用了材質(zhì)+涂層+緩蝕劑的防腐技術(shù)，在近9 年的運(yùn)行中防腐效果較好，同時(shí)降低了建設(shè)投資。其中“羊角段”、站間集油管道采用了內(nèi)襯不銹鋼雙金屬?gòu)?fù)合管，集油環(huán)段采用鋼絲增強(qiáng)PEX 塑料復(fù)合連續(xù)管，轉(zhuǎn)油站的油氣分離器材質(zhì)選用不銹鋼，“四合一”殼體使用碳鋼加內(nèi)涂層，煙火管使用雙相不銹鋼，天然氣除油器、站間摻水管道使用碳鋼，脫水、污水站防腐采用投加緩蝕劑。

目前S16 區(qū)塊集輸系統(tǒng)已運(yùn)行近9 年，站內(nèi)容器、站間線、“羊角段”未出現(xiàn)過腐蝕穿孔問題；鋼絲增強(qiáng)交聯(lián)聚乙烯塑料復(fù)合連續(xù)管集油環(huán)僅出現(xiàn)過機(jī)械損傷性穿孔，未出現(xiàn)過腐蝕穿孔；“四合一”內(nèi)涂層無明顯脫落、起泡現(xiàn)象，集輸系統(tǒng)防腐技術(shù)滿足生產(chǎn)需求。與雙金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)相比，S16集輸系統(tǒng)集油環(huán)管道、“四合一”、天然氣除油器等共節(jié)約防腐工程投資1 500 萬元，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，此技術(shù)在以后的CCUS建設(shè)中可推廣應(yīng)用。