Y油田CO2驅區塊原油集輸工藝腐蝕防護技術應用

唐靈箭 常聯東 叢林

大慶榆樹林油田開發有限責任公司

CCUS 技術是目前唯一可以在繼續使用化石能源的同時大規模實現減排的低碳技術，是實現工業領域深度減排的關鍵，是中國實現“雙碳”目標的有效途徑，該技術不僅是我國實現碳達峰、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略性接替技術[1]。但CO2驅地面集輸系統生產過程中，由于采出液中的高含CO2與采出水，或者與北方寒冷地區主要采用的摻水集油工藝中的水結合，會對集輸系統的碳鋼管道、設備等造成一定的腐蝕，且隨著開發時間的延長，CO2含量增加，腐蝕加劇，會減少管道和設備的使用壽命。為解決集輸系統腐蝕問題，可采用不銹鋼或非金屬材質的工藝或管道，但不銹鋼材質成本高、非金屬管道材質在CO2驅集輸介質中的適應性有待驗證，所以需要研究CO2驅集輸系統防腐技術，以滿足生產需求，降低建設投資。Y 油田S16 區塊自2014 年開始進行水驅轉CO2驅開發試驗，對集輸系統防腐技術進行了研究應用。

1 CO2腐蝕特點

純凈的CO2無腐蝕性，但CO2在水介質中能迅速地引起鋼鐵全面腐蝕和嚴重的局部腐蝕，CO2腐蝕典型的特征是呈現局部的點蝕、癬狀腐蝕和臺面狀腐蝕，臺面狀腐蝕是最嚴重的一種情況[2]?？偟母g反應為：CO2+H2O+Fe→FeCO3+H2。

2 CO2腐蝕影響因素

CO2的腐蝕過程是一種復雜的電化學反應過程，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，碳鋼在CO2水溶液中的腐蝕速率隨溫度的升高而增大；當碳鋼表面形成致密的腐蝕產物膜FeCO3時，碳鋼的腐蝕速率隨溫度的升高而降低，此時減緩腐蝕。地面集輸系統中設備及管道屬于中溫環境，根據溫度對腐蝕特性的影響，把集輸系統中的CO2腐蝕劃分為兩類：溫度＜60 ℃時，腐蝕產物膜軟而無附著力，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，溫度越高腐蝕速率越大并將產生點蝕，腐蝕產物層為厚而松粗結晶的FeCO3，此種情況多存在于站內容器及加熱爐中。

（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。地面系統中CO2腐蝕多在中溫區，隨著CO2分壓的增大，腐蝕速度將加快，因為此時雖然腐蝕產物膜形成，但膜疏而厚，無保護性。

（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物膜或防礙腐蝕產物膜的形成[3]，使鋼材表面始終處于裸露的初始腐蝕狀態下，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CO2腐蝕的影響也不容忽視。

3 集輸系統各節點腐蝕程度分析

在北方寒冷地區，集油工藝主要是摻水集油，集輸系統的主要工藝流程為：油井→集油管道→計量間→轉油站（油、水、氣分離）→聯合站（脫水、污水處理）。采出液從井口進入集油管線，所攜帶的CO2最多，腐蝕性最強；進入轉油站進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變化特點劃分工藝段，以室內模擬和在線腐蝕監測為實驗手段，研究了CO2驅集輸系統典型介質腐蝕變化規律。集輸工藝段和腐蝕監測點見圖1。

圖1 集輸工藝段及腐蝕監測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of gathering and transportation process section and corrosion monitoring point

通過室內模擬實驗和現場腐蝕監測分析，摻水介質和集油介質為嚴重腐蝕等級（＞0.254 mm/a），油氣分離后油水介質和伴生氣介質為中度腐蝕等級（0.125～0.254 mm/a），具體參數見表1。

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

另外，對“四合一”（加熱、緩沖、沉降、分離設備簡稱）內部用20#鋼進行掛片，檢測容器內部存水、存油、存氣區腐蝕情況。檢測結果表明：存氣區腐蝕速率大于存油區腐蝕速率，存水區腐蝕速率最小[4]。

4 CO2驅地面防腐技術分析

CO2驅地面防腐技術主要有應用防腐材質、加防腐內涂層、加緩蝕劑等。常用的防腐組合方式有不同成分的不銹鋼、內襯不銹鋼的雙金屬復合材質、非金屬、碳鋼加緩蝕劑、碳鋼加內涂層等[5-7]。

防腐材質常見的有不銹鋼、非金屬等。不銹鋼管道設備成本高，但內襯不銹鋼的雙金屬復合材質能有效降低成本；非金屬管道防腐性能好，但對于CO2環境應用不一定適合。通過對非金屬管道材質的體積、拉伸強度、質量、模量變化率進行測試，交聯聚乙烯（PEX）、聚乙烯（PE）管道性能優于常規玻璃鋼等。對不同保護層的PEX、PE 管的密度、環剛度、彎曲強度等進行測試，發現具備PE/PEX 介質傳輸層+鋼絲/鋼骨架增強層+PE 外護層結構的鋼骨架增強塑料復合管及復合連續管適用于CO2驅集輸系統工藝介質條件。

對于涂層防腐技術，由于CO2的滲透作用，導致有些涂層易出現起泡、脫落等情況。以CO2驅摻水集輸系統處理設備工藝參數（溫度、CO2分壓、流速）為依據，以加速模擬試驗和電化學分析為研究手段，深入研究涂層防腐技術適用性，優選出適用于集輸系統的環氧酚醛內防腐涂料，具有較好的防腐效果。

使用緩蝕劑是解決腐蝕問題最為簡單、經濟的有效途徑。針對含CO2/H2S 的腐蝕環境，咪唑啉類緩蝕劑以其獨特的分子結構、低毒高效、熱穩定性好等特點，受到了國內外各大油田和研究者的高度關注[8-9]。咪唑啉類緩蝕劑一般以有機多元胺和有機酸為原料合成咪唑啉環，然后通過多種方式對其進行改性，最終得到所需要的緩蝕劑。

5 Y油田CO2驅集輸系統防腐技術

根據對集輸系統各工藝節點腐蝕程度的分析，Y 油田S16 區塊集輸系統創新了集輸工藝，優選了防腐技術。

5.1 集輸工藝

Y 油田S16 區塊站外創新采用“羊角環”摻水集油工藝，即在常規摻水集油環基礎上，將井口節流閥后60～100 m 范圍內易發生凍堵的管道從集油環管道獨立出來，形成環狀摻水集油工藝中的“羊角段”，此段增加電加熱維溫，可解決集油環內油井“一堵全堵”的問題。轉油站內采用“雙氣-雙液”油氣處理工藝，設置油氣分離器+“四合一”，加強氣體緩沖能力，完成2 次氣相、液相高效分離，逐級減少系統內CO2含量，降低CO2分壓及腐蝕強度，使下游工藝設備得到有效保護。轉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驅產液進入水驅產液后混合處理。

5.2 防腐技術

S16 集輸系統防腐以采出液中CO2分離前和分離后為節點，分離前加強防腐，分離后偏向常規防腐。

（1）“羊角環”摻水集油管道防腐。集油管道輸送井口產液含CO2高容易腐蝕，且工藝上容易凍堵，對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襯不銹鋼雙金屬復合管，集油環采用鋼絲增強PEX 塑料復合連續管，既能防腐，又可電解堵。

（2）轉油站內設備設施防腐。轉油站接收站外未經分離的含CO2產液，首先進入屬于壓力容器的油氣分離器，材質選用不銹鋼；之后進入的“四合一”殼體仍使用碳鋼，內加防腐涂層；煙火管溫度高，使用雙相不銹鋼。經“四合一”后CO2含量變少，去計量間的摻水、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。在轉油站內投加緩蝕劑，保護站內、站外整個集輸系統。

（3）站間管道防腐。站間管道包括計量間到轉油站的集油管道和轉油站到計量間的摻水管道。集油管道含有未分離的CO2，且所輸送產液對產量影響大，所以使用內襯不銹鋼雙金屬復合管，保證穩定生產。摻水管道使用了碳鋼材質輸送分離CO2后的含油水。

（4）脫水、污水站防腐。CO2驅產液目前與水驅產液混合處理，根據各節點腐蝕特點以及對脫水、污水站的腐蝕監測結果，未針對CO2驅產液做特殊防腐處理，仍為水驅工藝，脫水站內根據實際情況投加緩蝕劑。

6 結束語

（1）CO2驅集輸系統的防腐技術需根據工藝各節點的特點來制定。

（2）CO2腐蝕影響因素有溫度、CO2分壓等。

（3）轉油站“雙氣-雙液”集油工藝能較好地分離CO2，對后續工藝設備起到腐蝕防護作用。

（4）S16 區塊集輸系統中應用了材質+涂層+緩蝕劑的防腐技術，在近9 年的運行中防腐效果較好，同時降低了建設投資。其中“羊角段”、站間集油管道采用了內襯不銹鋼雙金屬復合管，集油環段采用鋼絲增強PEX 塑料復合連續管，轉油站的油氣分離器材質選用不銹鋼，“四合一”殼體使用碳鋼加內涂層，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 區塊集輸系統已運行近9 年，站內容器、站間線、“羊角段”未出現過腐蝕穿孔問題；鋼絲增強交聯聚乙烯塑料復合連續管集油環僅出現過機械損傷性穿孔，未出現過腐蝕穿孔；“四合一”內涂層無明顯脫落、起泡現象，集輸系統防腐技術滿足生產需求。與雙金屬復合材質相比，S16集輸系統集油環管道、“四合一”、天然氣除油器等共節約防腐工程投資1 500 萬元，具有較高的經濟效益，此技術在以后的CCUS建設中可推廣應用。