内腐蚀监测与防护技术在延长气田的应用

高同福

摘 要：腐蚀作为石油管失效的三大主要形式之一，在“石油管工程”中占有十分重要的位置。失效统计结果表明，70%的失效和腐蚀有关。根据中国腐蚀协会、中国石油协会、中国化工协会发布的资料，在石油和石化行业，由腐蚀造成的损失约占行业总产值的6%，而且油气田的腐蚀事故经常造成重大经济损失，包括灾难性事故和环境污染。可见，加强腐蚀与防护研究可为石油工业带来巨大经济效益。目前，虽然H2S/CO2对集输管材腐蚀问题已经引起了各个油田以及研究院所的重视，并开展了相应的防腐蚀研究，但由于H2S/CO2腐蚀规律受环境条件影响较大，不同油气特性和集输工况会引发不同形式及程度的腐蚀破坏。因此，所采取的防护措施也往往因各油田的特定生产和集输条件的不同而存在较大差别。

关键词：内腐蚀监测；防护技术；气田

中图分类号：TE980 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0070-04

Application of Internal Corrosion Monitoring and Protection

Technology in Yanchang Gas Field

GAO Tongfu

（Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.， Ltd. Exploration Company，Yanan Shaanxi 716000）

Abstract： Corrosion， as one of the three main forms of oil pipe failure， plays a very important role in "oil pipe engineering". According to the failure statistics analysis， 70% failure is related to corrosion. According to the information issued by the China corrosion Association， the China Petroleum Association and the China Chemical Industry Association， in the petroleum and petrochemical industries， the losses caused by corrosion account for about 6% of the total output value of the industry， and the corrosion accidents in oil and gas fields often cause significant economic losses， including catastrophic and environmental pollution. It can be seen that strengthening the research of corrosion and protection can bring huge economic benefits for the petroleum industry. At present， although the corrosion problem of H2S/CO2 has aroused the attention of various oil fields and research institutes， and the corresponding corrosion prevention research has been carried out， but the corrosion law of H2S/CO2 is greatly influenced by the environmental conditions， and the different characteristics of oil and gas and the loading condition will lead to the different form and degree of corrosion damage. Therefore， the protective measures adopted are often different because of the specific production and gathering conditions in different oilfields.

Keywords： internal corrosion monitoring；protection technology；gas field

氣田采出水成分十分复杂，通常含有大量的残油、机杂、有机质、微生物、腐蚀成垢因子及其他无机离子，且矿化度很高，一般为8 000～100 000mg/L。尤其在酸性气田的采出地层水中，含有大量侵蚀性很强的离子，导致井筒和地面集输管线产生严重的腐蚀。由于这些油田采出水通常都在油气田集输管网及设备内流动存贮，油田采出水中的腐蚀和促进腐蚀性因子接触到的都是油田管网和设备内壁，因此会导致管网内壁腐蚀，致使管网从内向外发生腐蚀穿孔，使在役油田管网失效，造成重大经济损失和严重社会危害。

1 气田水样及气样分析

气井的腐蚀是一个电化学过程。天然气的开采过程中，H2S、CO2、有机硫化物、地层水和矿物质等介质均会对处于复杂环境中的气井井下管柱产生腐蚀。为了研究影响腐蚀的因素，需要对气田的水质和气体组成进行详细分析。

1.1 水型判断方法

油气田水样水型是根据水样中Cl-、Na+、Mg2+、SO42-含量（单位mmol/L）计算原生水型特性系数。依据苏林分类法，可以将油气田水样水型分为以下几类[1-3]。

①当Cl-浓度1]，水型为NaHCO3型；若[Na+-Cl-SO2-4<1]，水型为Na2SO4型；若[Na+-Cl-SO2-4=1]，水型为Na2SO4型。

②当Cl-浓度>Na+浓度时：若[Cl--Na+Mg2+<1]，水型为MgCl2型；若[Cl--Na+Mg2+>1]，水型為CaCl2型；若[Cl--Na+Mg2+=1]，水型为CaCl2型。

1.2 延长气田某采气厂部分气井水样分析结果

对某采气厂的部分气井取水样，分析结果如下。

①绝大多数水样具有“三高一低”的特点，即矿化度高、Ca2+、Mg2+离子含量高、水样中游离的Cl-、HCO3-离子含量较高，水样的pH值较低。

②产出水的矿化度及组成在一定范围内波动、变化。部分井矿化度大于1×105mg/L，水质极差，属于具有极强腐蚀性的体系。

③由于Fe2+、Fe3+的普遍存在，说明气井存在不同程度的腐蚀。

④目标气井产出水属于CaCl2水型，大部分气井具有碳酸钙和硫酸钡结垢趋势，少部分气井具有硫酸锶结垢趋势，无硫酸钙结垢趋势。

1.3 延长气田某采气厂部分气井气样分析结果

对现场采集的试验井的天然气气样，实验室参考标准《天然气的组成分析 气相色谱法》（GB/T 13610—2003），采用气相色谱法测定天然气组分，气样分析结果如表1所示。从气样分析表可看出，除常规天然气成分外，还含有少量CO2气体，CO2气体的含量为1.30%～4.62%（v/v）[4-6]。

2 内腐蚀因素

延长气田某采气厂的腐蚀受到诸多因素的影响，具体包括：CO2分压，介质温度，水介质矿化度，pH值，水溶液中Cl-、HCO3-、Ca2+、Mg2+离子和溶解O2及细菌等。

2.1 CO2分压

在干燥条件下，虽然CO2对金属没有腐蚀性，但在潮湿环境中或者溶于水后，在相同pH值条件下，CO2对金属的腐蚀比盐酸还要严重。此外，气田生产过程中，环境的温度、压力常常高于常温常压。在这种环境条件下，腐蚀会进一步加剧，不仅会造成严重的经济损失，也可能引发安全事故，并对水资源和环境造成严重污染。CO2分压与其腐蚀性关系见表2。

按技术报表中各个气井的套压和表1，计算得到CO2分压，现场井口CO2分压为0.118 0～0.726 3MPa，绝大部分大于0.21MPa，会产生腐蚀。

2.2 介质的Cl-含量

在常温下，Cl-的加入使CO2在溶液中的溶解度减少，碳钢的腐蚀速率降低。在压力为5.5MPa、温度为150℃时，如果NaCl的含量低于10%，碳钢的腐蚀速率随着Cl-含量的增加而轻微地减小；但当NaCl的含量大于10%时，随着Cl-含量的增加，碳钢的腐蚀速率急剧增加。

从水样结果看出，气井的Cl-含量分布范围较广，最高可达2×105mg/L，绝大部分含量在1 000mg/L以上，对钝化膜的形成产生阻滞作用，增加了对管道点蚀、局部腐蚀的可能性。

3 内腐蚀监测技术

腐蚀速率决定了工艺管道、油套管安全运行的时间。内腐蚀监测及为降低腐蚀速率所采取的措施可以使管道运行达到最佳效益，并降低管道寿命周期内的运行成本。随时掌握管道、油套管的腐蚀情况，及时发现异常现象，防止出现突然的腐蚀破坏事故造成非计划停工，做到防患于未然。

3.1 挂片法

腐蚀挂片监测是在线内腐蚀监测的最基本方法之一，适用各种介质即电解质和非电解质，监测周期1月以上，利用前后质量的变化，分析腐蚀速率[7]。

2017年1月，选取了10气井，进行了空白挂片试验，监测时间4个月。其中，目前空白样片已取出，对挂片进行了称重对比（见表3）、腐蚀产物分析、扫描电镜分析、能谱分析和腐蚀状况分析，数据分析试验井已达到中度腐蚀。

3.2 在线电阻探针法

电阻探针技术是一种比较传统的在线内腐蚀监测方法。由于引进了电子技术，使连续在线监测成为现实，其适用于各种腐蚀介质，是一种比较常用的在线监测分析技术。电阻探针测量腐蚀速率主要利用电阻探针丝在长度不变、截面积均匀减小时电阻值增大的特性来测量探针电阻值的改变量，计算探针丝直径的变化，进而得到金属的腐蚀速率[8]。

某采气厂2016年在2座集气站外输管线处安装了在线电阻探针，对腐蚀速率进行实时监测。在线电阻探针监测数据见表4。

从表4的数据可以看出，某采气厂2座集气站外输管线属于轻度腐蚀。虽然在短时间内腐蚀较为缓慢，但随着生产开发的进行，伴生水及CO2、H2S等含量升高，腐蚀将逐步加剧。

4 内腐蚀防护技术

加注缓蚀剂是减缓油气采集输管线及油、套管腐蚀，延长使用寿命的有效方法。合理加注缓蚀剂是发挥其最佳防腐性能的保证。

空白挂片取出后，某采气厂进行了缓蚀剂加注作业，首次对试验井加注了120L水溶性缓蚀剂。3个月后，进行了第二次80L加注作业，再次挂入挂片，4月后取出，进行了对比分析试验。加注缓蚀剂后挂片分析结果见表5。

从表5可以看出，试验气井加注缓蚀剂后，腐蚀速率由中度腐蚀降至轻度腐蚀。

5 缓蚀剂加注制度

通过不断试验，确定了适合延长气田某采气厂的缓蚀剂加注频率。

①正常生产井：首次预膜120L缓蚀剂，日产水小于1m3的每6个月加注缓蚀剂80L；日产水大于1m3的每3个月加注缓蚀剂80L。

②长关井：首次预膜120L缓蚀剂，以后每6个月加注缓蚀剂40L。

③外输管线：每6个月注80L。

6 结语

在气田开发过程中，每一阶段都贯穿着腐蚀及防治。可以说，防腐是相对的，而腐蚀是绝对的。采取经济合理的腐蚀防护措施是确保气田高效开发的有效手段。同时，腐蚀监测能在整个过程中实时地提供大量的基础数据，这对于气田安全、经济、有效的生产将会起到重要作用。

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