(中國(guó)石油化工股份有限公司華北油氣分公司， 河南 鄭州 450006)

東勝氣田腐蝕評(píng)價(jià)與緩蝕劑研究*
——試驗(yàn)部分

周艦

(中國(guó)石油化工股份有限公司華北油氣分公司， 河南 鄭州 450006)

東勝氣田開發(fā)過程中氣井產(chǎn)出CO2氣體，且伴隨高礦化度地層水，從而造成井筒管柱和地面設(shè)備腐蝕。通過旋轉(zhuǎn)腐蝕掛片法，確定了腐蝕機(jī)理為高溫高壓下CO2與鋼材表面的鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕。結(jié)果表明:溫度和壓力越高，腐蝕越嚴(yán)重，且N80材質(zhì)油管抗腐蝕性能好于P110材質(zhì)。優(yōu)選出BHS和XY-Ⅱ兩種混合阻滯型緩蝕劑，通過改變金屬表面雙電層結(jié)構(gòu)和掩蔽活性位點(diǎn)來降低金屬溶解速率，保證腐蝕速率處于0.076 mm/a以內(nèi)，緩蝕率達(dá)到96.5%。

東勝氣田CO2緩蝕劑腐蝕速率

東勝氣田面積9 805 km2，天然氣資源量11 345×108m3，為中國(guó)石油化工股份有限公司華北油氣分公司天然氣產(chǎn)量主力接替區(qū)，具有良好的開發(fā)前景。自投入開發(fā)建產(chǎn)以來，目前水平井平均無阻流量24.34×104m3/d，開發(fā)潛力巨大。

但是，東勝氣田開發(fā)過程中氣井不同程度產(chǎn)出CO2氣體，且主力開發(fā)層位產(chǎn)出液礦化度較高，造成了井筒管柱和地面設(shè)備腐蝕。由于東勝氣田處于開發(fā)初期，對(duì)氣井井筒腐蝕規(guī)律認(rèn)識(shí)還不清楚，且目前防護(hù)工藝主要是借鑒相鄰氣田經(jīng)驗(yàn)[1-3]，缺乏有效防護(hù)措施，給氣田的安全、有效開發(fā)帶來了極大挑戰(zhàn)。

1 東勝氣田腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)

1.1產(chǎn)出流體性質(zhì)測(cè)試

東勝氣田主力開發(fā)層位為盒1層，通過DST測(cè)試地層溫度為90～100 ℃，壓力在28 MPa左右。取東勝氣田盒1氣井天然氣和產(chǎn)出液樣品，分別采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18340.1—2010《地質(zhì)樣品有機(jī)地球化學(xué)分析方法 第1部分：輕質(zhì)原油分析 氣相色譜法》、石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對(duì)天然氣組分、產(chǎn)出液性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果見表1和表2。

表1 東勝氣田盒1層天然氣性質(zhì)

表2 東勝氣田盒1層地層水性質(zhì)

從表1可看出，盒1層甲烷占總烴比例超過95%，屬于干氣氣藏，CO2體積分?jǐn)?shù)為0.371%，對(duì)應(yīng)分壓0.104 MPa；同時(shí)產(chǎn)出液的水為CaCl2型，平均礦化度為70 830.37 mg/L，存在一定程度的腐蝕。因此，氣田開發(fā)過程中需要考慮井筒和地面管線的防護(hù)措施，保證氣井安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.2腐蝕速率評(píng)價(jià)試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)設(shè)備及流程

試驗(yàn)設(shè)備主要為高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕結(jié)垢評(píng)價(jià)裝置，包括動(dòng)態(tài)腐蝕結(jié)垢評(píng)價(jià)儀、恒速恒壓泵、中間容器、抽空裝置、高壓氣瓶、增壓機(jī)和電子天平等，其流程見圖1。該設(shè)備可以控制反應(yīng)釜中掛片與試驗(yàn)介質(zhì)的接觸關(guān)系，使掛片在試驗(yàn)介質(zhì)中的懸掛位置分別處于完全浸沒、半浸沒和未浸沒狀態(tài)，同時(shí)保持氣體流動(dòng)狀態(tài)，以模擬氣井生產(chǎn)過程中井底存在積液的條件下井筒中不同部位鋼材的腐蝕情況。

圖1 動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)流程

(2)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)條件

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5273—2014《油田采出水處理用緩蝕劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》，采用旋轉(zhuǎn)腐蝕掛片法測(cè)定氣井不同溫度、壓力條件下井筒中不同部位不同鋼材掛片的動(dòng)態(tài)腐蝕速率。試驗(yàn)條件見表3。

表3 動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)條件

(3)試驗(yàn)結(jié)果

東勝氣田盒1層產(chǎn)出流體對(duì)不同類型鋼材掛片的動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試結(jié)果見圖2。從圖2可看出：盒1層存在一定腐蝕趨勢(shì)，溫度、壓力越高，CO2分壓越大，腐蝕越嚴(yán)重[4-6]；同一條件下不同位置處的掛片腐蝕程度也完全不一樣，全浸沒狀態(tài)下的掛片腐蝕速率最高，其次是半浸沒狀態(tài)，最小的是未浸沒狀態(tài)。N80型鋼的動(dòng)態(tài)腐蝕速率小于P110型鋼，說明鋼材的強(qiáng)度越大，其耐腐蝕性能越差，N80材質(zhì)油管抗腐蝕性能好于P110材質(zhì)油管[7]。

2 緩蝕劑評(píng)價(jià)與優(yōu)選

2.1試驗(yàn)藥品及方法

本次選用相鄰氣田在用的7種緩蝕劑作為試

圖2 掛片腐蝕速率與CO2分壓關(guān)系

驗(yàn)藥品，分別為BHS,UT2-1,UT2-2,GC-7,MJ-2,XY-Ⅱ和XY-Ⅰ。采用旋轉(zhuǎn)腐蝕掛片法分別測(cè)試加入7種緩蝕劑后不同部位掛片的動(dòng)態(tài)腐蝕速率。試驗(yàn)條件:壓力、溫度和CO2分壓分別為28.05 MPa,89.54 ℃和0.078 MPa。

2.2動(dòng)態(tài)緩蝕率試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

動(dòng)態(tài)緩蝕率試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表4。緩蝕劑對(duì)全浸沒狀態(tài)掛片的緩蝕效果最好，主要原因是處于未浸沒和半浸沒狀態(tài)的掛片沒有和地層水直接接觸或接觸面積小，造成緩蝕劑無法充分吸附在掛片表面上，少量的緩蝕劑分子只能依靠氣流攜帶到未浸沒狀態(tài)的掛片表面與其接觸，影響了緩蝕劑效果。因此，初步優(yōu)選出BHS和XY-Ⅱ兩種緩蝕劑作為防腐主劑，緩蝕率最高達(dá)到96.5%，保證盒1層產(chǎn)出水腐蝕速率小于0.076 mm/a。

表4 不同濃度不同緩蝕劑對(duì)N80鋼材緩蝕效果

2.3緩蝕劑性能評(píng)價(jià)

(1)試驗(yàn)方法

在室內(nèi)旋轉(zhuǎn)腐蝕掛片試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本次采用電化學(xué)緩蝕率來評(píng)價(jià)緩蝕劑性能[8-9]。電化學(xué)緩蝕率可用動(dòng)電位掃描法與極化電阻法測(cè)得。利用動(dòng)電位掃描法測(cè)試緩蝕劑加注前后產(chǎn)出液中腐蝕電流密度來計(jì)算緩蝕率(η1)；利用極化電阻法測(cè)試緩蝕劑加注前后產(chǎn)出液中極化電阻來計(jì)算緩蝕率(η2)，從而來綜合評(píng)價(jià)緩蝕劑綜合性能。

(2)試驗(yàn)裝置及條件

試驗(yàn)裝置采用CHI604D型電化學(xué)工作站，其流程見圖3。工作電極材質(zhì)采用N80鋼，試驗(yàn)溫度分別是30 ℃和60 ℃，試驗(yàn)電解池用氮?dú)獗Ｗo(hù)。

(3)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖4至圖7、表5和表6。BHS與XY-Ⅱ兩種緩蝕劑主要作為混合阻滯型緩蝕劑起到抑制金屬腐蝕的作用，在工作電極金屬表面腐蝕過程中，緩蝕劑通過對(duì)金屬表面的吸附改變金屬表面的雙電層結(jié)構(gòu)，降低陽極金屬溶解速率；而在陰極還原反應(yīng)中，緩蝕劑對(duì)活性位點(diǎn)的掩蔽減緩了去極化劑如O2的還原反應(yīng)，使得陰極析出電勢(shì)變小，減小了原電池的做功能力，使得金屬腐蝕速率大大下降。

圖3 CHI604D型電化學(xué)工作站工作流程

因此，最終優(yōu)選出BHS和XY-Ⅱ兩種緩蝕劑作為東勝氣田盒1層防腐主劑，且最佳加注質(zhì)量濃度分別為2 000 mg/L和700 mg/L，滿足氣田安全生產(chǎn)要求。

圖4 30 ℃下BHS緩蝕劑電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖5 30 ℃下XY-Ⅱ緩蝕劑電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖6 60 ℃下BHS緩蝕劑電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖7 60 ℃下XY-Ⅱ緩蝕劑電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

表5 30 ℃條件下電化學(xué)緩蝕率評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 60 ℃條件下電化學(xué)緩蝕率評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明:東勝氣田盒1層腐蝕機(jī)理為CO2電化學(xué)腐蝕;溫度和壓力越高，CO2分壓越大，腐蝕越嚴(yán)重；N80材質(zhì)油管抗腐蝕性能好于P110材質(zhì)。

(2)優(yōu)選出BHS和XY-Ⅱ兩種緩蝕劑作為東勝氣田盒1層防腐劑，加注藥劑質(zhì)量濃度分別為2 000 mg/L和700 mg/L，緩蝕率最高達(dá)到96.5%，腐蝕速率小于0.076 mm/a，滿足氣田安全穩(wěn)定生產(chǎn)要求。

(3)混合阻滯型緩蝕劑BHS與XY-Ⅱ能夠改變金屬表面雙電層結(jié)構(gòu)，降低陽極金屬溶解速率，且通過對(duì)活性位點(diǎn)的掩蔽作用減緩陰極還原反應(yīng)，減小陰極析出電勢(shì)，降低原電池做功能力，使得金屬腐蝕速率大大下降。

[1] 張書平，趙文，張宏福，等.長(zhǎng)慶氣田氣井腐蝕因素及防腐對(duì)策[J].天然氣工業(yè)，2002，22(6)：112-113.

[2] 李鷺光，黃黎明，谷壇，等.四川氣田腐蝕特征及防腐措施[J].石油與天然氣化工，2007，36(1)：46-54.

[3] 楊全安，李瓊瑋，姜毅，等.靖邊氣田井筒腐蝕預(yù)測(cè)及緩蝕劑加注研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(4)：68-70.

[4] 熊穎，陳大鈞，王君，等.模擬油氣田采出水的腐蝕性實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆采工藝，2008，31(4)：118-121.

[5] 吳晗，汪益寧，王暉，等.油氣管道CO2腐蝕影響因素及防腐實(shí)驗(yàn)[J].油氣田地面工程，2004，33(11)：44-45.

[6] 鄭家森，呂戰(zhàn)鵬.二氧化碳腐蝕機(jī)理及影響因素[J].石油學(xué)報(bào)，1995，16(3)：134-139.

[7] 白真權(quán)，任呈強(qiáng)，劉道新，等.N80鋼在CO2/H2S高溫高壓環(huán)境中的腐蝕行為[J].石油機(jī)械，2004，32(2)：14-18.

[8] 劉清云，熊新民，何鳴鳳，等.天然氣腐蝕動(dòng)態(tài)模擬與緩釋劑評(píng)價(jià)方法研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2010，27(12)：225-226.

[9] 何新快，陳白珍，張欽發(fā)，等.氣相緩蝕劑的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2004，24(4)：246-247.

(編輯 張向陽)

EvaluationandInhibitorStudyofCorrosioninDongshengGasField

ZhouJian
(SINOPECNorthChinaBranch,Zhengzhou450006,China)

Carbon dioxide was discharged from gas well, accompanied by formation water with high salinity during the development of Dongsheng gas field, which led to corrosion of wellbore string and ground equipment. The corrosion was investigated by rotating corrosion blade method, which confirmed that the main cause was electrochemical corrosion between

carbon dioxide and iron on the steel surface at high temperature and pressure. The results showed that the corrosion would become worse at higher temperature and pressure. Moreover, anti-corrosion of oil tube with N80 material was better than that with P110 material. Two kinds of mixed blocking inhibitor, BHS and XY-Ⅱ, were selected to reduce metal dissolution rate by changing electric double layer structure and masking active site on metal surface, which could keep corrosion rate within 0.076 mm/a, and inhibition rate beyond 96.5%.

Dongsheng gas field, carbon dioxide, corrosion inhibitor, corrosion rate

2017-03-06；修改稿收到日期：2017-05-17。

周艦(1989—)，工程師，在該公司石油工程技術(shù)研究院從事采油氣工藝技術(shù)研究。E-mail:zhoujian860810@126.com

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(2016ZX05048)。