气液比对CO2驱集输管线腐蚀的影响规律*

韩霞 王子明 王田丽 中国石化石油工程设计有限公司

气液比对CO2驱集输管线腐蚀的影响规律*

韩霞 王子明 王田丽 中国石化石油工程设计有限公司

高气液比是CO2驱集输系统混输介质的重要特征之一。借助自主研发的多相流腐蚀模拟试验装置，开展不同气液流量、不同气液比条件下CO2驱集输系统管线腐蚀规律研究。研究表明，混输介质的气液比决定水平直管段及弯头等部位流型特征，进而影响腐蚀速率。通过对流型段塞频率的定量分析，认为高气液比条件有助于减缓管道腐蚀。该结论为CO2驱集输管线设计提供了新的腐蚀控制思路。

CO2驱；腐蚀；气液比；流型；段塞频率

1 CO2驱集输系统腐蚀问题

胜利油田自2007年开始在纯梁高89区块开展了CO2驱先导试验，已取得显著的增油效果。然而，CO2驱油技术的应用对采油系统、地面集输系统的安全生产提出了诸多新挑战。管线腐蚀是目前制约该技术推广应用的关键问题之一。前期先导试验表明，由于采出气中CO2含量的急剧攀升，导致部分区段集输管线腐蚀加剧，影响生产安全运行。高气液比是CO2驱集输系统混输介质的重要特征之一。因此，如何经济有效地控制CO2驱油系统的腐蚀已成为工程设计和生产运行中亟待解决的难题。

通过现场调研与对比，发现胜利油田CO2驱集输系统腐蚀环境最显著的特点为高CO2分压和超高气液比。毫无疑问，大量CO2气体随开采过程不断溢出，单井伴生气中CO2含量一般达到70%以上，CO2分压为0.4～1.0MPa，远高于普通油井或酸性油气田。

本文结合CO2驱集输系统环境特点，利用自主研发的多相流腐蚀模拟试验装置来认识不同气液比条件下多相混输介质的腐蚀规律，为CO2驱生产系统的腐蚀控制寻求新思路。

2 实验方法

为研究油气集输系统管线腐蚀规律，自主研发了一套多相流腐蚀模拟试验装置。该装置适用于多相流腐蚀机理、流型与腐蚀关系、管线全方位腐蚀性检测等研究工作，亦可为油田管线腐蚀评价、缓蚀剂筛选及防腐工艺优化等提供较好的试验研究平台。该装置具有独特的腐蚀测试功能，最大程度重现现场管线内腐蚀环境并全方位采集腐蚀信息。装置主要包括以下几个单元模块：①气液控制与计量系统；②油气水混合与流型观察系统；③腐蚀检测与评价系统；④气液分离系统。各部分之间的关联性及简易工作原理如图1所示。

实验过程中所用原油取自胜利纯梁CO2驱见效井；所用的溶液为纯梁CO2驱现场采出水的模拟液，气体为高纯CO2气体。多相流腐蚀模拟试验装置正式运行前，经过CO2及N2联合除氧，确保实验运行过程中系统处于无氧环境下，溶液中含氧量估算小于0.5mg/L。一般系统运行2天后开始记录腐蚀数据，此时由于CO2气体不断补充，含氧量会进一步降低，接近或达到油田集输现场管线内腐蚀环境。

图1 多相流腐蚀试验装置原理

3 实验结果与讨论

3.1 不同气液比水平直管段及弯头管段腐蚀

将管线内气体流量固定为60m3/h，分离器内压力保持在0.5MPa，工况下气体流量约为8.0m3/h，温度保持在60℃，变化液相流量以实现气液比的改变。对于DN40管线，该状态下气体折算流速约为1.77m/s。液体流量分别设定为2～7m3/h，对应折算流速为0.44～1.55m/s。实验中液相油含量约为100～500mg/L。水相溶液为按纯梁CO2驱采出水配置的腐蚀模拟液，CO2分压为0.5MPa。水平直管段内腐蚀速率与液相流速及气液比的关系如图2所示。经数学拟合，水平直管段内腐蚀速率（RC）与液相流速（VL）之间满足以下函数关系，即：RC=1.30-1.66VL+2.59VL2。本经验拟合规律仅适用于VL≥0.32m/s的情况。当VL=0.32m/s时，RC取得最小值为0.872mm/a。

图2 水平直管段内腐蚀速率与液相流速及气液比关系

从图2可知，当管线内液相流速大于1.0m/s时，腐蚀速率随液体流速急剧增加。在液体流速增加而气体流速不变的情况下，管线内多相流的气液比减小，意味着管内更多地被液相所占据，腐蚀探针与液相的接触时间及频率也增加。因此，除了液相流速的影响外，气液比变化导致的管壁与液相接触频次也起到了决定性的作用。

与水平直管段测试条件一致，利用腐蚀探针检测了180°弯头处腐蚀速率在不同气液比条件下的变化规律。

在较低液相流速下，液相流体主要处于管线底部，液相段塞流通过弯头时可能紧靠外侧，大多数液体可能绕过探针所处的管道中间位置，因此探针多数时间处于气相当中，腐蚀速率较低；当气液比减小时，液相流速增大，管道截面空间大多被液相填充，探针位置不断被液相直接冲刷，腐蚀量急剧增加。出现液相段塞直接冲蚀腐蚀探针位置对应的液相流速为VL=1.2～1.3m/s，对应气液比为10左右。可见，腐蚀速率在弯头处的跳跃性变化与液相流速和气液比同时相关。可以推断，在较高气液比下，即使液体流速较高，探针所处位置的腐蚀速率也可能保持较低水平，因为该处与液相直接接触的时间和频次较低。这一认识对于高气液比CO2驱腐蚀具有指导意义。但弯头外侧直接受液体冲击的部位腐蚀速率可能并不会遵循此规律，因为该部位即使在气液比较高时也会有较高频率与液相接触，且受冲蚀最严重，所以仍需考虑特殊防护。

3.2 腐蚀速率与段塞频率关系

为了更好地理解气液比影响管线腐蚀的规律，系统研究了气液流量与流型之间的定量关系及与腐蚀速率的关联性。所谓气液段塞频率，是指处于段塞流流型下的流体中气柱与液柱每秒钟交替的次数，实验中可由流型观测并实时录像获得。由气液段塞频率与气液流量的依赖关系可知，液体流量越大，气液段塞频率越高；气体流量大，气液段塞频率呈下降趋势。

由于实验是通过多相流腐蚀模拟试验装置连续运行获得不同条件下的腐蚀速率，需耗费大量时间和人力，鉴于此只选取部分气液比条件下实验结果进行统计分析。结合流型实验研究，可进一步推导出，随着气液比提高气液段塞流频率降低，多相流腐蚀速率下降。因此，高气液比的油气混输有利于减缓腐蚀。这一研究结论表明，较高的气液比将有益于管线腐蚀控制。

4 结论

借助多相流腐蚀模拟试验装置，开展了不同气液流量、不同气液比条件下CO2驱集输系统管线腐蚀规律研究。研究表明，混输介质的气液比决定水平直管段及弯头等部位流型特征，进而影响腐蚀速率。对于水平直管段，腐蚀速率随气液比减小、液体流速增大而增大；对于弯头部位，高气液比条件下会出现测得的腐蚀速率有跳跃式降低现象。通过对流型段塞频率的定量分析，发现腐蚀速率与段塞频率呈正相关的线性关系，由此认为高气液比条件有助于减缓管道腐蚀。该结论为CO2驱集输管线设计提供了新的腐蚀控制思路。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.014

基金论文：国家科技支撑计划项目（2012BAC24A04）。