楊興國 王守峰 霍敏魁

（吉林油田公司采油工藝研究院，吉林松原 138000）

長春儲氣庫低含CO2條件下室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)研究

楊興國 王守峰 霍敏魁

（吉林油田公司采油工藝研究院，吉林松原 138000）

長春儲氣庫是為滿足長春、吉林等城市季節(jié)性調(diào)峰需求而即將建設(shè)的戰(zhàn)略性工程，是東北管網(wǎng)的重要組成部分。氣庫的注入氣CO2含量為2.91%，按照CO2分壓標(biāo)準(zhǔn)，井口管柱處于嚴(yán)重腐蝕工況范圍。為明確該CO2含量下井口管柱的腐蝕程度以及井口管柱材質(zhì)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，針對長春儲氣庫注入氣低含CO2的實(shí)際情況，模擬地層水組分及井筒壓力、溫度條件，利用高溫高壓釜開展了AA、BB、CC、DD、EE、FF等6種井口材質(zhì)及J55、N80、P110、3Cr、13Cr、13Cr等6種管柱材質(zhì)的室內(nèi)腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低材質(zhì)等級井口及管柱無法滿足長春儲氣庫2.91%CO2含量防腐蝕要求，該研究為長春儲氣庫建設(shè)井口、管柱材質(zhì)的選擇提供了依據(jù)，同時(shí)也明確了低含CO2同樣會對井口、管柱造成嚴(yán)重腐蝕。

長春儲氣庫；低含CO2；腐蝕機(jī)理；腐蝕評價(jià)

長春儲氣庫的注入氣氣源CO2含量為2.91%，根據(jù)目前國內(nèi)外開展的CO2腐蝕評價(jià)相關(guān)研究成果，CO2分壓是影響CO2腐蝕的主要因素，按照CO2分壓標(biāo)準(zhǔn)，長春儲氣庫井口、管柱均處于嚴(yán)重腐蝕工況范圍。目前國內(nèi)已建及在建儲氣庫注入氣均不同程度含有CO2，儲氣庫井口管柱均處于不同的腐蝕環(huán)境中，井口、管柱材質(zhì)的選擇存在較大的差異。為此，開展了低含CO2條件下腐蝕防護(hù)技術(shù)室內(nèi)研究，明確了長春儲氣庫腐蝕技術(shù)路線。

1 長春油田基本概況

長春油田自1988年投入開發(fā)，截至2012年12月，長春油田總井?dāng)?shù)38口，開井9口，斷塊日產(chǎn)油29 t，日產(chǎn)氣3.85×104m3，日產(chǎn)水281.6 m3，綜合含水89.6%，氣油比1 328 m3/t，年產(chǎn)油1.12×104t，年產(chǎn)氣2 000×104m3。累產(chǎn)油201.82×104t，采出程度20.71%，累產(chǎn)氣19.29×108m3，天然氣采出程度61.49%。

長春油田擬建設(shè)儲氣庫區(qū)塊為星6區(qū)塊雙二段儲層，原始地層壓力18.92～21.06 M，根據(jù)2012年最新測試結(jié)果，星6斷塊目前地層壓力系數(shù)為0.03～0.23，地層溫度90 ℃，屬于正常壓力、溫度系統(tǒng)。星6區(qū)塊地層水水型為NaHCO3型，K+、Na+含量1 787.5 mg/L，Mg2+含量3 mg/L，Ca2+含量30.1 mg/L，CL-含量584.9 mg/L，SO42-含量1 104.7 mg/L，HCO3-含量2 440.8 mg/L，總礦化度5 951 mg/L。

2 注入氣天然氣組成

長春儲氣庫是與哈沈管道及長長吉管道配套的儲氣庫，氣源主要為哈沈管道及長長吉管道的富裕氣。哈沈管道2013年～2016年由南向北輸送秦沈線轉(zhuǎn)供的華北管網(wǎng)天然氣，2017年引進(jìn)東部俄氣，天然氣流向?yàn)橛杀毕蚰?。華北管網(wǎng)天然氣甲烷含量94.7%、CO2含量2.71%、其他含量2.59%，相對密度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）為0.5925，發(fā)熱值32.063～35.590 MJ/ Nm3。俄氣甲烷含量91.41%、CO2含量0.06%、其他含量8.53%。當(dāng)長春儲氣庫注入長長吉管道來氣時(shí)，天然氣來自吉林油田自產(chǎn)氣，天然氣中甲烷含量89.69%、CO2含量2.91%、其他含量7.4%，分子量17.79 ，相對密度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）0.62。

因此長春儲氣庫除適應(yīng)哈沈管道天然氣組成外，還要適應(yīng)長長吉管道天然氣組成，本文論證以CO2含量較高（2.91%）的長長吉管道天然氣組分作為注入氣參數(shù)。

3 腐蝕機(jī)理認(rèn)識及腐蝕程度判斷

3.1 腐蝕機(jī)理認(rèn)識

伴生氣中的CO2溶解于水生成碳酸溶液，金屬在碳酸溶液中遭受腐蝕，鐵在碳酸溶液中發(fā)生溶解而腐蝕，溶解反應(yīng)包括：

CO2腐蝕過程中形成的FeCO3在鋼鐵表面沉積，形成一層腐蝕產(chǎn)物膜。不同區(qū)域腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋度不同，有的部位腐蝕產(chǎn)物膜較為致密，將金屬與環(huán)境腐蝕介質(zhì)隔開，阻礙腐蝕的發(fā)展；而腐蝕產(chǎn)物膜較為薄弱的區(qū)域會形成一些孔洞或裂紋，腐蝕溶液以此為通道與金屬接觸產(chǎn)生腐蝕坑。

溫度、壓力、CO2含量、pH值、流速等均會對腐蝕速率產(chǎn)生影響。研究表明，低合金鋼（3Cr、9Cr）以及普通碳鋼（N80、P110）在溫度為80 ℃時(shí)腐蝕速率達(dá)到最大，13Cr、S13Cr、22Cr等隨著溫度升高，腐蝕速率變大；隨著壓力、CO2含量、流速升高，腐蝕速率逐漸變大；隨著pH值增大，腐蝕速率逐漸變小。CO2分壓是造成腐蝕的主控因素。

3.2 腐蝕程度判斷

CO2對管材的腐蝕速率取決于CO2在水溶液中的含量，即CO2在系統(tǒng)中的分壓pCO2，故一般以CO2分壓作為預(yù)測系統(tǒng)腐蝕的主要判斷依據(jù)。

一般認(rèn)為，pCO2＞0.21 MPa，中度至高度腐蝕；pCO2= 0.05～0.21 MPa，輕度腐蝕；pCO2＜0.05MPa，無腐蝕。

由于儲氣庫運(yùn)行過程中的注入氣均為干氣，不會對井口及井內(nèi)管柱產(chǎn)生腐蝕，只需考慮采出過程中CO2的腐蝕。

長春儲氣庫星6區(qū)塊采氣過程中最高地層壓力為22 MPa，通過軟件模擬計(jì)算出運(yùn)行過程中最高井底壓力為18 MPa，注入氣CO2含量按照2.91%計(jì)算，CO2分壓為0.524 MPa，大于0.21 MPa，屬于中度至高度腐蝕，井筒處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。

因此按照CO2分壓標(biāo)準(zhǔn)判斷，長春儲氣庫儲層條件下井口、管柱均處于中度至高度腐蝕環(huán)境，需要開展相關(guān)技術(shù)研究工作以確定防腐技術(shù)路線。

4 低含CO2條件下腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)

為確定低含CO2、不同壓力及溫度條件下，不同井口及管柱材質(zhì)的腐蝕情況，室內(nèi)模擬地層水性質(zhì)、溫度及壓力條件開展了不同井口、管柱材質(zhì)的腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定了長春儲氣庫防CO2腐蝕技術(shù)路線。

4.1 不同井口材質(zhì)的腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)儲氣庫地層水性質(zhì)分別配制了模擬地層水，并按照儲氣庫地層條件開展了井口材質(zhì)腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力取采氣初期和采氣末期兩個(gè)壓力條件，并按照采氣期150 d計(jì)算出對應(yīng)的腐蝕速率。

4.1.1 實(shí)驗(yàn)條件 實(shí)驗(yàn)溫度50 ℃，CO2分壓0.12 MPa、0.47 MPa兩種工況條件，按地層水成分配制模

擬地層水。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)材料選用目前常用的AA、BB、CC、DD、EE、FF等6種井口材質(zhì)。4.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 采用SYJ26-87 《水腐蝕性測試方法》 中的靜態(tài)失重法計(jì)算試片的腐蝕速率。見表1、表2。

表1 室內(nèi)模擬長春儲氣庫采氣初期條件下井口材質(zhì)腐蝕速率

表2 室內(nèi)模擬長春儲氣庫采氣末期條件下井口材質(zhì)腐蝕速率

從室內(nèi)腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）除CC、FF級外，其他4種材質(zhì)的腐蝕速率均高于0.076 mm/a；

（2）AA、BB、DD、EE 4種材質(zhì)在150 d采氣期內(nèi)的腐蝕速率也高于0.076 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求；

（3）CC、FF兩種材質(zhì)在采氣初期和末期兩種條件下的腐蝕速率均低于0.076 mm/a的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿足儲氣庫井口防腐蝕的要求，并且CC級材質(zhì)腐蝕速率并不比FF級高。

4.2 不同管柱材質(zhì)的腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)兩個(gè)儲氣庫地層水性質(zhì)分別配制了模擬地層水，并按照兩個(gè)儲氣庫不同的地層條件開展了管柱材質(zhì)的腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)壓力條件取采氣初期和采氣末期壓力平均值，實(shí)驗(yàn)工況取氣相、液相兩種工況條件，并按照采氣期150 d計(jì)算出對應(yīng)的腐蝕速率。

4.2.1 實(shí)驗(yàn)條件 實(shí)驗(yàn)溫度70 ℃，CO2分壓0.49 MPa，按照地層水成分配制了模擬地層水。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)材料選用目前常用的N80、P110、3Cr、13Cr、S13Cr等5種管柱材質(zhì)。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 采用SYJ26-87 《水腐蝕性測試方法》中的靜態(tài)失重法計(jì)算試片的腐蝕速率。見表3。從室內(nèi)腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）N80、P110、3Cr 3種材質(zhì)在液相環(huán)境下的腐蝕速率均高于0.076 mm/a，腐蝕比較嚴(yán)重；（2）13Cr、S13Cr 2種材質(zhì)的耐腐蝕效果較好，在液相條件下的腐蝕速率均小于

0.076 mm/a。

表3 室內(nèi)模擬長春儲氣庫地層條件下管柱材質(zhì)腐蝕速率

5 防腐技術(shù)路線的確定

通過室內(nèi)腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在CO2分壓大于嚴(yán)重腐蝕的臨界值0.21 MPa時(shí)，J55、N80、P110、3Cr 4種管柱材質(zhì)，AA、BB、DD、EE 4種井口材質(zhì)在液相環(huán)境下的腐蝕速率均大于0.076 mm/a，腐蝕比較嚴(yán)重，不能滿足儲氣庫長期防CO2腐蝕要求，確定了長春儲氣庫采取“高等級材質(zhì)+加注油套環(huán)空緩蝕劑”，注采井口材質(zhì)選擇FF級、注采管柱材質(zhì)選擇L80-13Cr，同時(shí)油套環(huán)空加注緩蝕劑。

6 結(jié)論

（1）在模擬地層水組分及井筒壓力、溫度條件下，開展了2.91%CO2含量下不同井口、管柱材質(zhì)的腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，確定了長春儲氣庫“高等級材質(zhì)+加注油套環(huán)空緩蝕劑”防CO2腐蝕的技術(shù)路線，為井口、管柱材質(zhì)的選擇提供了依據(jù)。

（2）該實(shí)驗(yàn)技術(shù)雖然可以模擬地層水、壓力、溫度條件，但室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際情況還存在一定差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度還需要礦場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，現(xiàn)場實(shí)施過程中需要加強(qiáng)對井口、管柱的腐蝕監(jiān)測。

［1］申瑞臣，田中蘭，袁光杰.地下儲氣（油）庫工程技術(shù)研究與實(shí)踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［2］鐘志英，羅天雨，鄔國棟，等.新疆油田呼圖壁儲氣庫氣井管柱腐蝕實(shí)驗(yàn)研究［J］.新疆石油天然氣，2012，8（3）：82-86.

［3］陳卓元，張學(xué)元，王風(fēng)平，等.二氧化碳腐蝕機(jī)理及影響因素［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，1998（5）：34-40．

［4］王峰，尹國君，陳強(qiáng)，等.長嶺氣田高含CO2酸性氣藏采氣技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2010，32（S）：124-126.

［5］張學(xué)元，邸超，雷良才.二氧化碳腐蝕與控制 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000．

（修改稿收到日期 2013-11-06）

（編輯 景 暖）

Research on indoor anti-corrosion test under low CO2condition in Changchun Gas Storage

YANG Xingguo,WANG Shoufeng,HUO Minkui
（Petroleum Production Technology Research Institute of Jilin Oilfield,Songyuan138000,China）

Changchun Gas Storage is a strategic project to be constructed to meet the seasonal peak demands in Changchun,Jilin and other cities and also an important part of pipe network in northeast China.The carbon dioxide content of the input gas of gas storage is 2.91%.According to the differential pressure criterion of carbon dioxide,the well head pipe strings are seriously corroded.To define the corrosion degree of downhole pipe strings under such carbon dioxide content and selection criterion of materials of well head pipe strings,in the condition that the carbon dioxide content of the input gas of gas storage is low,the formation water composition,wellbore pressure and temperature are simulated to perform the indoor anticorrosion evaluation tests for AA,BB,CC,DD,EE,FF well head materials (six types) and J55,N80,P110,3Cr,13Cr,13Cr pipe string materials (six types) by using the high temperature autoclave.The test result shows that well head and pipe string made of low-grade material cannot meet the anti-corrosion requirement of Changchun gas storage where the CO2content is 2.91%.This research provides basis for the selection of materials of well head and pipe string for construction of Changchun Gas Storage,and also confirms that the low carbon dioxide content also will seriously corrode the well head and pipe string.

Changchun Gas Storage;low carbon dioxide content;corrosion mechanism;corrosion evaluation

楊興國，王守峰，霍敏魁.長春儲氣庫低含CO2條件下室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：112-115.

TE988.2

：A

1000-7393（2014）01-0112-04

10.13639/j.odpt.2014.01.030

楊興國，1982年生。2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事天然氣試采氣研究工作。電話：0438-6336809。E-mail：yangxg-jl@petrochina.com.cn。