烟道气驱油过程中N80钢的腐蚀敏感性研究

周迎梅

(中国石油大学胜利学院，山东 东营 257601)

随着气驱提高采收率技术的发展以及天然气价格的上涨，注烟道气驱油技术有了很大的发展空间。特别是近年来，温室气体减排成为国家层面重大问题后，注烟道气驱油受到了空前的重视。烟道气主要成分为N2和CO2，同时还含有一定量的O2，因此驱油机理兼具CO2驱和N2驱。目前应用的烟道气采油工艺主要有烟道气吞吐、烟道气与含油污水交替注入、烟道气辅助蒸汽吞吐和烟道气辅助蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)等[1-3]。尽管注烟道气驱油技术已经取得了一定的发展，但其面临的严重问题是烟道气具有很强的腐蚀性，会对烟道气处理设备、输气管线、油气井管柱等造成严重腐蚀。烟道气处理设备及输气管线可以采用防腐材质，但出于经济方面考虑，油井管柱仍以碳钢为主。研究显示,对油井管柱腐蚀影响因素较多，温度、压力、流速、O2和SO2体积分数等对N80钢腐蚀速率都有影响[4-9]，基于此，本文利用灰色关联分析对烟道气驱油所涉及影响因素进行敏感性分析。

1 腐蚀实验

1.1 实验准备

烟道气成分多样，主要的腐蚀性气体有CO2、SO2、O2等，在烟道气压力较高的情况下，其中的CO2会对井筒产生严重的腐蚀，同时SO2、O2等也会加重腐蚀，因此有必要研究钢在CO2+O2+SO2+H2O腐蚀环境下的腐蚀规律。为了方便腐蚀规律的研究，本实验将采用JB/T 7901—1999金属材料实验室均匀腐蚀全浸实验方法[10]，进行腐蚀实验。试样材料为N80钢，化学成分见表1。

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

试样按标准加工成50 mm×10 mm×3 mm大小的腐蚀挂片，并留有直径为6 mm的孔以便固定在挂片架上，如图1所示。

图1 试样加工示意图Fig.1 Sketch map of corrosion coupons machining

图2 烟气腐蚀特性测试装置示意图Fig.2 Sketch map of flue gas corrosion properties test equipment

实验仪器主要包括烟道气腐蚀特性测试装置(P20-T150，海安石油科技有限公司)、扫描电子显微镜(S-4800，日本Hitachi)、X射线衍射仪(X’Pert PRO MPD，荷兰PANalytical)和X射线能谱分析仪(XM2-60S，美国Edax)。烟道气腐蚀特性测试装置(图2)具有控温和旋转动态模拟功能，可以根据实验条件设定。腐蚀实验烟道气N2和CO2体积分数分别为80%和18%。每组实验设置平行试样，一组用于称量酸洗去除腐蚀产物膜后试样质量，计算腐蚀速率；另一组用于进行腐蚀产物分析。实验步骤包括：(1)试样处理。将试样按脱脂去污、打磨、脱水、干燥的步骤进行预处理，同时对试样称重。(2)制备腐蚀介质。并按照设定的实验条件，计算所需各组分的量，进行配气。(3)进行周期腐蚀实验。(4)腐蚀后试样处理。对腐蚀后的试样清洗，并按照GB/T 16545—2015[11]规定的方法去除腐蚀产物，对试样干燥处理后称重。腐蚀速率计算公式为

(1)

式中，R为腐蚀速率，mm/a；m0为实验前试样质量，g；m1为实验后试样质量，g；s为试样的总面积，cm2；t为实验时间，h；ρ为材料的密度，kg/m3。

1.2 腐蚀实验结果

管材腐蚀的影响因素有很多，主要包括烟道气压力、温度、流速、烟道气成分、腐蚀液离子等。其中，烟道气成分主要考虑烟道气中所含O2、SO2和SO3的影响；腐蚀液的所含离子主要考虑不同地层的地层水的水型不同、可能在腐蚀环境中出现的离子，主要有HCO3-、CO32-和Cl-。因此，本实验中考虑的因素有温度、压力、流速、O2体积分数、SO2体积分数、NAHCO3质量分数和NaCl质量分数7个烟道气腐蚀影响因素。实验结果见表2。

表2 烟道气对N80钢腐蚀实验数据Table 2 The experiment results of N80 corrosion rate

从表2可以看出，N80钢在高温高压烟道气下的腐蚀速率随温度的升高而增大，在温度为60 ℃时，腐蚀速率达到最大，之后随着温度升高，腐蚀速率开始降低；随着压力的升高，腐蚀速率呈线性增加；随着介质流速和φ(O2)体积分数的增加，腐蚀速率加快；流速每增大1 m/s，腐蚀速率增加20%左右，随着φ(SO2)的增加，腐蚀速率呈现先下降后升高的趋势。盐粒子的微量存在会极大地促进腐蚀，必须进行烟道气干燥处理。

2 腐蚀影响因素敏感性分析

根据表2可以大体看出各因素发生变化时，腐蚀速率均发生一定变化，但是各因素变量的单位和变化幅度不同，因而各因素对其腐蚀速率的影响程度，该因素和腐蚀速率之间的关系是否密切，需要进行分析。灰色关联分析提供了一种结果的影响因素分析方法，通过灰色关联度，可以求得烟道气腐蚀的各影响因素与腐蚀速率间的关联度，以判断两者的相关程度。

2.1 灰色关联分析原理

灰色关联分析，是一种从思想方法划分属于几何处理的分支，实质是各因素的变化特征数据系列的集合比较。关联度用来表示各因素之间的关联程度，可以由比较各因素间的关联曲线求得[12]。

2.1.1 灰色关联因子空间

选取的腐蚀速率作为因变量，设实验进行的组数为m，则因变量可以表示为：

(x01,x02,x03，…，x0m)T。

(2)

选取影响烟道气腐蚀速率的影响因素为自变量：温度、压力、流速以及φ(O2)、φ(SO2)、φ(SO3)、w(NaHCO3)、w(Na2CO3)和w(Nacl)。假设有n个自变量，进行了m次实验，则可以表示为：

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

(3)

因素i的数据系列可以表示为：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)T，i=1,2,3,…,n。

(4)

由于腐蚀速率和影响速率的量纲不同，所以要对数据无量纲化，数据的无量纲化方法有初值化、均值化、极值化。无量纲化得到的新的数据系列记为yi(k)，k=1,2,3,…，m。

(1)初值化

(5)

(2)均值化

(6)

其中

(7)

(3)极值化

(8)

2.1.2 灰色关联度

设因变量数据系列：

x0=(x01,x02,x03,…,x0m)T。

(9)

自变量数据系列：

xi=(xi1,xi2,xi3,…,xim)Ti=1,2,3,…,n。

(10)

则因素序列xi对于因变量x0在实验次数k的关联系数：

(11)

则因素序列xi对于因变量x0的关联度：

(12)

这种关联度的求法也称为邓氏关联度。式中ρ为分辨率系数，其范围ρ∈[0,1]，这里可以取0.5。

关联度的一般计算步骤：

(1)初始数据的处理，无量纲化和负相关关系的转化；

(2)求差数列：

Δ0,i(k)=|x0(k)-xi(k)|,k=1,2,…,m；

(13)

(3)计算两极最大差M和最小差m：

(14)

(4)求关联系数

(15)

(5)计算关联度

(16)

2.2 灰色关联分析结果

利用表2给出的实验数据，根据关联度的分析方法，对烟道气腐蚀的7种影响因素进行灰色关联分析，可以求得7种不同影响因素与腐蚀速率的关联度，通过对关联度排序，可以得到各种影响因素与腐蚀速率的相关度大小关系，结果见表3。

表3 烟道气对N80钢腐蚀影响因素关联度排序Table 3 The relational degree of flue gas corrosion influences

从表3可以看出，在影响烟道气腐蚀的7种影响因素中，关联度都较大，说明这几种影响因素都对腐蚀速率有很明显的影响关系。影响由大到小的排序为温度T、φ(O2)、压力P、φ(SO2)、w(NaCl)、流速V和w(NaHCO3)。温度上升使得腐蚀过程的阳极与阴极反应速度均增加，并且温度变化会改变其他影响因素的作用快慢，因此温度对腐蚀速率关联度最大；烟道气腐蚀以氧去极化反应为主，因此φ(O2)和压力对腐蚀速率影响较大；烟道气中φ(SO2)、w(NaCl)和w(NaHCO3)较小，在很小范围内变化，对腐蚀影响不太明显；流速变化在一定范围内变化时，主要是通过改变接触面φ(O2)来间接影响腐蚀的，因此关联度较小。

温度、φ(O2)和压力对腐蚀速率关联度都超过了0.9，因此在烟道气驱油过程中尤其要注意控制这三个值的大小。

3 结论

在模拟高温高压烟道气腐蚀条件下，N80钢腐蚀速率随温度的升高而增大，在温度为60 ℃时，腐蚀速率达到最大。之后随温度升高，腐蚀速率降低；压力升高，腐蚀速率呈线性增加；随着介质流速和φ(O2)的增加，腐蚀速率增长；随着φ(SO2)的增加，腐蚀速率呈现先下降后升高的趋势。

流速每增加1 m/s，腐蚀速率增加20%左右，随着SO2体积分数的增加，腐蚀速率呈现先下降后升高的趋势。盐粒子的微量存在会极大促进腐蚀，必须进行烟道气干燥处理。

采用灰色关联分析方法对烟道气腐蚀影响因素进行敏感性分析，得到各因素对腐蚀速率的影响由大到小的排序为温度、φ(O2)、压力、φ(SO2)、w(NaCl)、流速和w(NaHCO3)。