H2S与CO2共存条件下气田地面集输系统内腐蚀影响因素分析方法研究

李媛 刘世常 张寅晖

1.中国石油西南油气田公司重庆气矿 2.中国石油西南油气田公司天然气研究院

1 地面集输系统现状

根据生产气田的分布和建设发展影响，川东地区地面集输系统主要由重庆气矿管辖。截至2019年2月，共有生产井353口，各类生产站场587座，建成集、输气管道以卧龙河为中心，万卧线、讲渡线、沙卧线、龙忠线组成“三纵一横”的管道共857条，4 155.55 km。

2 腐蚀机理

目前，国内外对于CO2或H2S单独存在时的腐蚀机理研究较为完善。但是，在CO2和H2S共存的条件下，腐蚀影响因素众多，腐蚀过程复杂。一般认为，CO2和H2S相对含量的不同将直接决定腐蚀过程的主导因素。H2S含量较少时，以CO2腐蚀为主。此时，CO2分压越高，腐蚀介质的pH值越低，H+的去极化作用就越强，腐蚀速率也就越大，同时金属表面越易形成Fe2+过饱和的溶液层，从而促进 FeCO3等保护性腐蚀产物膜的形成，并有可能抵消CO2分压本身对腐蚀的推动力，使得腐蚀速率下降。当CO2分压继续增加，致使腐蚀产物膜因内应力过大而发生破坏时，腐蚀速率必将再次增大。若腐蚀介质中H2S含量较多时，一方面H2S能通过阴极反应加速腐蚀，另一方面也会通过腐蚀产物沉淀而抑制腐蚀；随着H2S含量的进一步增加，腐蚀转化为以H2S腐蚀为主；继续增大H2S含量，腐蚀产物变得致密而稳定，腐蚀速率开始受到抑制。

谷坛等[1-3]的研究表明，在CO2和H2S共存的条件下，腐蚀过程与CO2分压、H2S分压、温度、介质流速等因素有关。

3 正交实验研究腐蚀主导因素

根据已有的文献研究结果，针对川东气田地面集输系统，选取H2S及CO2分压、温度、流体流速等4大因素[1-3]，采用正交实验方法，设计了一个4因素3水平的实验方案，对酸性气田最常用的L245NCS钢进行电化学实验，通过分析获得不同因素对钢材腐蚀速率的影响规律，对腐蚀速率的影响规律和腐蚀主导因素进行研究[4]，达到以下目的：

(1) 分析各因素及其交互作用与腐蚀速率之间的关系，即找出腐蚀速率随实验考察因素变化的规律和趋势。

(2) 明确腐蚀主导因素，计算各影响因素的权重。

3.1 实验方案设计

实验采用线性极化电阻法，应用电化学原理通过对腐蚀测试电极的腐蚀电位附近进行弱极化，利用其腐蚀电流与极化曲线在腐蚀电位附近的斜率Rp成反比的关系，测量腐蚀电流，计算腐蚀速率。

3.2 因素水平值的设计

根据对川东气田生产参数监测情况，实验取压力高值7.5 MPa；单井气质组分中H2S、CO2含量基本稳定，H2S的体积分数为0.01%～9.12%，CO2体积分数为2%～15%，井口温度维持在0～60 ℃。

在考虑室内实验条件的基础上，H2S分压3个水平值分别取0.01 MPa、0.1 MPa和0.5 MPa。CO2分压实验条件合理扩大至0.6～2.4 MPa，水平值分别取0.6 MPa、1.8 MPa和2.4 MPa。温度范围取25～60 ℃，水平值分别取25 ℃、40 ℃和60 ℃。根据文献，当流体流速高于8 m/s时，缓蚀剂会被带走，从而失效。因此，实验流速范围取0～8 m/s，水平值分别为0 m/s、3 m/s和8 m/s。

实验考察因素的水平设置情况见表1。

表1 因素水平设置表因素水平ABCDH2S分压/MPaCO2分压/MPa介质流速/(m·s-1)温度/℃1水平0.010.60252水平0.101.83403水平0.502.4860

由于需要考虑H2S分压和CO2分压、H2S分压和流速、CO2分压和流速之间的交互作用，因此选用L27(313)正交表，表头设计见表2。

表2 正交实验表头设计项目A(H2S分压)/MPaB(CO2分压)/MPa)A×BA×BC(液体流速)/(m·s-1)A×CA×CB×CB×CD(温度)/ ℃空空空

表3 腐蚀实验结果数据及方差计算表序号123456789腐蚀速率/(mm·a-1)0.671 71.072 41.1090.9191.3211111序号101112131415161718腐蚀速率/(mm·a-1)11.2981.5141.0231.6411.9211.8172.4961.860序号192021222324252627腐蚀速率/(mm·a-1)1.4971.9421.9691.9811.4672.0391.8282.6092.624

表4 方差分析表方差来源离差平方和自由度平均离差平方和(均方)F值临界值显著性最严重方案A2.5421.2733.4B1.9220.9625.3C1.0720.5313.9D0.4120.205.26F0.05(2,6)=5.14显著A3显著B3显著C3显著D3A×B0.09140.0230.61F0.05(4,6)=4.53不显著A×C0.07040.0180.47不显著B×C0.1840.0451.18不显著误差E0.2360.038总和T26

3.3 实验结果分析

3.3.1 采用标准

国内外对腐蚀程度的评判一般都参考美国腐蚀工程师协会制定的NACE RP-00775-05标准进行。在本研究中，依然采用该标准。该标准规定均匀腐蚀速率小于0.025 mm/a为轻度腐蚀，0.025～0.12 mm/a为中度腐蚀，0.12～0.25 mm/a为严重腐蚀，大于0.25 mm/a为极严重腐蚀。

3.3.2 数据分析

本次实验数据分析采用方差分析法，该方法可以分析出实验误差的大小，从而知道实验精度；不仅可给出各因素及交互作用对实验指标影响的主次顺序，而且可分析出哪些因素影响显著，哪些影响不显著。对实验所得的腐蚀数据进行的方差分析结果见表3。分析方差计算结果，进行F值检验，结果见表4。

3.4 小结

(1) 川东气田地面集输系统腐蚀过程以H2S腐蚀为主，伴随有CO2降低溶液pH值后对腐蚀的进一步促进，使得腐蚀情况比单一酸性组分更为严重，需要采取严格的腐蚀控制措施。

(2) 各因素在考察范围内对腐蚀速率的影响均为单增函数。即，随着H2S分压增大而增大，随着CO2分压增大而增大，随着温度升高而增大，随着流速增大而增大。影响大小顺序为：H2S分压>CO2分压>流体流速>温度。而各因素之间的交互性对腐蚀速率影响并不大。

(3) 计算得到各因素对腐蚀影响的权重值。

4 内腐蚀与防护技术应用优化分析

根据川东地区地面集输系统实际工况条件，在实验考察的范围内，4个腐蚀关键影响因素与腐蚀速率的关系均为单增函数，故可用归一法对实验数据进一步处理，得出气井的腐蚀难易程度，对易腐蚀的气井给予更大的关注[10]。

4.1 归一化处理原理

所谓归一化法[5]，就是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式。为准确掌握腐蚀敏感气田气井及管线的腐蚀风险情况，对地面集输系统中影响腐蚀的4个主要影响参数(H2S含量、CO2含量、温度及流速)进行归一化处理，即气井取同一因素中最大值为1，其余按比例赋值。实验结果表明，各腐蚀影响因素对于内腐蚀影响具有不同的重要性，故在归一化过程中，以方差分析结果中代表显著性的F值为依据，为各影响因素的重要程度进行赋值。将运算后的值求均值得到腐蚀影响因素的权重，认为计算高于权重值平均值的气井及管线是需要重点关注的。采用的计算公式为：

(1)

T=(AiF1+BiF2+CiF3+DiF4)

(2)

式中：xi′表示某影响因素的无量纲赋值；xi表示某影响因素；T表示腐蚀难易程度；A表示H2S含量赋值；B表示CO2含量赋值；C表示温度赋值；D表示流速赋值；i表示井数；F表示方差分析结果(F1、F2、F3、F4分别表示H2S、CO2、介质流速和温度的方差分析结果，即这些因素对内腐蚀的影响因子)。

4.2 处理结果

对川东气田常年处于开井生产状态的26口高含硫气井和40口中含硫气井采气管线腐蚀影响参数输压、产量、产水、H2S含量、CO2含量、井温等进行收集，并对以上参数采用归一化方法进行计算。由于站场内流速随着管径的变化而变化(并非定值)，取站内最高气流速度进行计算。计算得出各气井的腐蚀难易程度，高于权重平均值则为腐蚀敏感度较高、需要重点关注的气井和站场。

在气田开发过程中，随着气井产水量的提高，地面集输系统的腐蚀显著增加。目前，重庆气矿常年开井的66口含硫气井大多不产水，地面采气管线主要的腐蚀介质为湿天然气(管道中的液体为天然气凝析水)。因此在计算权重时，没有将气井产水量计算在内。

从表5的计算结果可以看出，易发生内腐蚀的气井以高含硫生产井为主，有24口F值高于平均值(均值为19.411)，其中云安厂气田4口气井F值远高于平均值，发生内腐蚀可能性最高，这与近年来重庆气矿腐蚀挂片监测的实际情况一致。重庆气矿近年来对这些气井加强腐蚀监测，在这4口气井的集输干线上安装高精度壁厚监测仪，同时采用腐蚀挂片+探针的方式监测腐蚀速率(每季度，其余管道腐蚀挂片监测与评价周期在6个月～2年)，并根据监测结果调整缓蚀剂加注量，有效控制该管道的内腐蚀速率(如图1和图2所示)。

表5 腐蚀影响因素归一化计算结果气田井号H2S(AiF1)CO2 (BiF2)井温(CiF3)流速(DiF4)腐蚀难易度F一、高含硫气井卧龙河卧370.405 608 0.009 778 0.433 962 2640.139 266 47120.559 31卧330.671 718 0.077 584 0.377 358 4910.091 866 74530.126 76卧500.387 087 0.002 376 0.396 226 4150.175 220 20719.418 03卧50.432 830 0.034 462 0.471 698 1130.314 657 73923.540 10卧410.381 514 0.001 486 0.415 094 3400.160 499 01719.394 20卧360.460 114 0.000 000 0.358 490 5660.051 363 92020.620 99卧170.356 557 0.378 590 0.377 358 4910.516 570 69729.449 77卧龙河卧290.644 197 0.094 944 0.471 698 1130.012 303 92430.539 56卧31井0.993 789 0.129 757 0.400 000 0000.100 769 14142.565 45卧7井0.674 197 0.065 585 0.400 000 0000.152 334 30230.538 76卧450.566 704 0.075 416 0.452 830 1890.065 765 47027.476 20卧120.510 328 0.030 620 0.433 962 2640.398 100 31025.945 74卧280.464 480 0.028 187 0.396 226 4150.113 096 67922.329 18卧1260.788 547 0.082 511 0.400 000 0000.171 594 96134.887 58卧1270.193 015 0.370 437 0.415 094 3400.071 881 61821.966 67云安厂云安012-20.568 380 0.625 562 0.883 018 8680.802 580 11251.306 15云安012-10.584 837 0.638 128 0.754 716 9810.999 991 47651.428 73云安012-60.596 240 0.673 685 0.611 320 7550.627 417 42748.756 21云安012-x80.189 575 1.000 000 0.584 905 660.539 657 98342.600 59石宝寨宝001-10.323 193 0.577 443 0.566 037 7360.325 893 49334.986 07五百梯天东720.424 736 0.527 066 0.579 245 2830.250 782 68936.891 57天东740.236 812 0.409 023 0.515 094 3400.213 103 40726.538 54天东021-X60.448 073 0.568 420 0.494 339 6230.400 982 02538.327 15龙门天东5-10.586 945 0.209 023 0.456 603 7740.122 656 06831.884 20二、中含硫气井五百梯天东100.149 093 0.255 639 0.660 377 3580.162 710 91721.482 48大天002-80.149 093 0.255 639 0.735 849 0570.222 651 81622.846 82

5 结论及建议

(1) 对重庆气矿气井的腐蚀影响因素进行了研究，考察了温度、酸性组分分压、流速、材质等因素对腐蚀速率的影响，得出各腐蚀影响因素的权重值。

(2) 针对重庆气矿中高含硫气井实际工况，采用归一化处理方法计算，得到易发生内腐蚀、需要重点关注的26口气井与管道。

(3) 计算结果与腐蚀监测结果一致，建议对高腐蚀风险气井采气管线采取腐蚀控制措施。