周迎梅

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257601)

隨著氣驅(qū)提高采收率技術(shù)的發(fā)展以及天然氣價(jià)格的上漲，注煙道氣驅(qū)油技術(shù)有了很大的發(fā)展空間。特別是近年來(lái)，溫室氣體減排成為國(guó)家層面重大問題后，注煙道氣驅(qū)油受到了空前的重視。煙道氣主要成分為N2和CO2，同時(shí)還含有一定量的O2，因此驅(qū)油機(jī)理兼具CO2驅(qū)和N2驅(qū)。目前應(yīng)用的煙道氣采油工藝主要有煙道氣吞吐、煙道氣與含油污水交替注入、煙道氣輔助蒸汽吞吐和煙道氣輔助蒸汽輔助重力泄油技術(shù)(SAGD)等[1-3]。盡管注煙道氣驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，但其面臨的嚴(yán)重問題是煙道氣具有很強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)對(duì)煙道氣處理設(shè)備、輸氣管線、油氣井管柱等造成嚴(yán)重腐蝕。煙道氣處理設(shè)備及輸氣管線可以采用防腐材質(zhì)，但出于經(jīng)濟(jì)方面考慮，油井管柱仍以碳鋼為主。研究顯示,對(duì)油井管柱腐蝕影響因素較多，溫度、壓力、流速、O2和SO2體積分?jǐn)?shù)等對(duì)N80鋼腐蝕速率都有影響[4-9]，基于此，本文利用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)煙道氣驅(qū)油所涉及影響因素進(jìn)行敏感性分析。

1 腐蝕實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

煙道氣成分多樣，主要的腐蝕性氣體有CO2、SO2、O2等，在煙道氣壓力較高的情況下，其中的CO2會(huì)對(duì)井筒產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，同時(shí)SO2、O2等也會(huì)加重腐蝕，因此有必要研究鋼在CO2+O2+SO2+H2O腐蝕環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。為了方便腐蝕規(guī)律的研究，本實(shí)驗(yàn)將采用JB/T 7901—1999金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸實(shí)驗(yàn)方法[10]，進(jìn)行腐蝕實(shí)驗(yàn)。試樣材料為N80鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 N80成分含量Table 1 The chemical element of N80

試樣按標(biāo)準(zhǔn)加工成50 mm×10 mm×3 mm大小的腐蝕掛片，并留有直徑為6 mm的孔以便固定在掛片架上，如圖1所示。

圖1 試樣加工示意圖Fig.1 Sketch map of corrosion coupons machining

圖2 煙氣腐蝕特性測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Sketch map of flue gas corrosion properties test equipment

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括煙道氣腐蝕特性測(cè)試裝置(P20-T150，海安石油科技有限公司)、掃描電子顯微鏡(S-4800，日本Hitachi)、X射線衍射儀(X’Pert PRO MPD，荷蘭PANalytical)和X射線能譜分析儀(XM2-60S，美國(guó)Edax)。煙道氣腐蝕特性測(cè)試裝置(圖2)具有控溫和旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)模擬功能，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定。腐蝕實(shí)驗(yàn)煙道氣N2和CO2體積分?jǐn)?shù)分別為80%和18%。每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置平行試樣，一組用于稱量酸洗去除腐蝕產(chǎn)物膜后試樣質(zhì)量，計(jì)算腐蝕速率；另一組用于進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物分析。實(shí)驗(yàn)步驟包括：(1)試樣處理。將試樣按脫脂去污、打磨、脫水、干燥的步驟進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)對(duì)試樣稱重。(2)制備腐蝕介質(zhì)。并按照設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件，計(jì)算所需各組分的量，進(jìn)行配氣。(3)進(jìn)行周期腐蝕實(shí)驗(yàn)。(4)腐蝕后試樣處理。對(duì)腐蝕后的試樣清洗，并按照GB/T 16545—2015[11]規(guī)定的方法去除腐蝕產(chǎn)物，對(duì)試樣干燥處理后稱重。腐蝕速率計(jì)算公式為

(1)

式中，R為腐蝕速率，mm/a；m0為實(shí)驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g；m1為實(shí)驗(yàn)后試樣質(zhì)量，g；s為試樣的總面積，cm2；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h；ρ為材料的密度，kg/m3。

1.2 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

管材腐蝕的影響因素有很多，主要包括煙道氣壓力、溫度、流速、煙道氣成分、腐蝕液離子等。其中，煙道氣成分主要考慮煙道氣中所含O2、SO2和SO3的影響；腐蝕液的所含離子主要考慮不同地層的地層水的水型不同、可能在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)的離子，主要有HCO3-、CO32-和Cl-。因此，本實(shí)驗(yàn)中考慮的因素有溫度、壓力、流速、O2體積分?jǐn)?shù)、SO2體積分?jǐn)?shù)、NAHCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)7個(gè)煙道氣腐蝕影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 煙道氣對(duì)N80鋼腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 The experiment results of N80 corrosion rate

從表2可以看出，N80鋼在高溫高壓煙道氣下的腐蝕速率隨溫度的升高而增大，在溫度為60 ℃時(shí)，腐蝕速率達(dá)到最大，之后隨著溫度升高，腐蝕速率開始降低；隨著壓力的升高，腐蝕速率呈線性增加；隨著介質(zhì)流速和φ(O2)體積分?jǐn)?shù)的增加，腐蝕速率加快；流速每增大1 m/s，腐蝕速率增加20%左右，隨著φ(SO2)的增加，腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。鹽粒子的微量存在會(huì)極大地促進(jìn)腐蝕，必須進(jìn)行煙道氣干燥處理。

2 腐蝕影響因素敏感性分析

根據(jù)表2可以大體看出各因素發(fā)生變化時(shí)，腐蝕速率均發(fā)生一定變化，但是各因素變量的單位和變化幅度不同，因而各因素對(duì)其腐蝕速率的影響程度，該因素和腐蝕速率之間的關(guān)系是否密切，需要進(jìn)行分析?；疑P(guān)聯(lián)分析提供了一種結(jié)果的影響因素分析方法，通過灰色關(guān)聯(lián)度，可以求得煙道氣腐蝕的各影響因素與腐蝕速率間的關(guān)聯(lián)度，以判斷兩者的相關(guān)程度。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析原理

灰色關(guān)聯(lián)分析，是一種從思想方法劃分屬于幾何處理的分支，實(shí)質(zhì)是各因素的變化特征數(shù)據(jù)系列的集合比較。關(guān)聯(lián)度用來(lái)表示各因素之間的關(guān)聯(lián)程度，可以由比較各因素間的關(guān)聯(lián)曲線求得[12]。

2.1.1 灰色關(guān)聯(lián)因子空間

選取的腐蝕速率作為因變量，設(shè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的組數(shù)為m，則因變量可以表示為：

(x01,x02,x03，…，x0m)T。

(2)

選取影響煙道氣腐蝕速率的影響因素為自變量：溫度、壓力、流速以及φ(O2)、φ(SO2)、φ(SO3)、w(NaHCO3)、w(Na2CO3)和w(Nacl)。假設(shè)有n個(gè)自變量，進(jìn)行了m次實(shí)驗(yàn)，則可以表示為：

x11,x21,x31,…,xn1,x12,x22,x32,…,xn2,x13,x23,x33,…,xn3,
?
x1m,x2m,x3m,…,xnm。

(3)

因素i的數(shù)據(jù)系列可以表示為：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)T，i=1,2,3,…,n。

(4)

由于腐蝕速率和影響速率的量綱不同，所以要對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化方法有初值化、均值化、極值化。無(wú)量綱化得到的新的數(shù)據(jù)系列記為yi(k)，k=1,2,3,…，m。

(1)初值化

(5)

(2)均值化

(6)

其中

(7)

(3)極值化

(8)

2.1.2 灰色關(guān)聯(lián)度

設(shè)因變量數(shù)據(jù)系列：

x0=(x01,x02,x03,…,x0m)T。

(9)

自變量數(shù)據(jù)系列：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)Ti=1,2,3,…,n。

(10)

則因素序列xi對(duì)于因變量x0在實(shí)驗(yàn)次數(shù)k的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(11)

則因素序列xi對(duì)于因變量x0的關(guān)聯(lián)度：

(12)

這種關(guān)聯(lián)度的求法也稱為鄧氏關(guān)聯(lián)度。式中ρ為分辨率系數(shù)，其范圍ρ∈[0,1]，這里可以取0.5。

關(guān)聯(lián)度的一般計(jì)算步驟：

(1)初始數(shù)據(jù)的處理，無(wú)量綱化和負(fù)相關(guān)關(guān)系的轉(zhuǎn)化；

(2)求差數(shù)列：

Δ0,i(k)=|x0(k)-xi(k)|,k=1,2,…,m；

(13)

(3)計(jì)算兩極最大差M和最小差m：

(14)

(4)求關(guān)聯(lián)系數(shù)

(15)

(5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度

(16)

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

利用表2給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)度的分析方法，對(duì)煙道氣腐蝕的7種影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，可以求得7種不同影響因素與腐蝕速率的關(guān)聯(lián)度，通過對(duì)關(guān)聯(lián)度排序，可以得到各種影響因素與腐蝕速率的相關(guān)度大小關(guān)系，結(jié)果見表3。

表3 煙道氣對(duì)N80鋼腐蝕影響因素關(guān)聯(lián)度排序Table 3 The relational degree of flue gas corrosion influences

從表3可以看出，在影響煙道氣腐蝕的7種影響因素中，關(guān)聯(lián)度都較大，說明這幾種影響因素都對(duì)腐蝕速率有很明顯的影響關(guān)系。影響由大到小的排序?yàn)闇囟萒、φ(O2)、壓力P、φ(SO2)、w(NaCl)、流速V和w(NaHCO3)。溫度上升使得腐蝕過程的陽(yáng)極與陰極反應(yīng)速度均增加，并且溫度變化會(huì)改變其他影響因素的作用快慢，因此溫度對(duì)腐蝕速率關(guān)聯(lián)度最大；煙道氣腐蝕以氧去極化反應(yīng)為主，因此φ(O2)和壓力對(duì)腐蝕速率影響較大；煙道氣中φ(SO2)、w(NaCl)和w(NaHCO3)較小，在很小范圍內(nèi)變化，對(duì)腐蝕影響不太明顯；流速變化在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，主要是通過改變接觸面φ(O2)來(lái)間接影響腐蝕的，因此關(guān)聯(lián)度較小。

溫度、φ(O2)和壓力對(duì)腐蝕速率關(guān)聯(lián)度都超過了0.9，因此在煙道氣驅(qū)油過程中尤其要注意控制這三個(gè)值的大小。

3 結(jié)論

在模擬高溫高壓煙道氣腐蝕條件下，N80鋼腐蝕速率隨溫度的升高而增大，在溫度為60 ℃時(shí)，腐蝕速率達(dá)到最大。之后隨溫度升高，腐蝕速率降低；壓力升高，腐蝕速率呈線性增加；隨著介質(zhì)流速和φ(O2)的增加，腐蝕速率增長(zhǎng)；隨著φ(SO2)的增加，腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。

流速每增加1 m/s，腐蝕速率增加20%左右，隨著SO2體積分?jǐn)?shù)的增加，腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。鹽粒子的微量存在會(huì)極大促進(jìn)腐蝕，必須進(jìn)行煙道氣干燥處理。

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)煙道氣腐蝕影響因素進(jìn)行敏感性分析，得到各因素對(duì)腐蝕速率的影響由大到小的排序?yàn)闇囟?、?O2)、壓力、φ(SO2)、w(NaCl)、流速和w(NaHCO3)。