地層水中CO2含量對(duì)海上平臺(tái)工程防腐設(shè)計(jì)的影響研究

楊澤軍 張 明 郝 蘊(yùn) 潘育明 胡葦瑋

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054；3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083)

油田勘探階段會(huì)對(duì)地層的油氣水進(jìn)行帶壓取樣分析，常規(guī)做法僅對(duì)原油進(jìn)行閃蒸分析，檢測(cè)原油和閃蒸氣的全組分；對(duì)于地層水，由于普遍認(rèn)為高溫高壓條件下水中僅溶解少量伴生氣，常規(guī)做法僅開(kāi)展離子含量分析，不進(jìn)行閃蒸組成分析。因此，在油田工程設(shè)計(jì)中通常也會(huì)忽視地層水中溶解的CO2的影響。但實(shí)際上，當(dāng)?shù)貙铀w積很大時(shí)溶解于水中的伴生氣相當(dāng)可觀(guān)[1-7]。楊勝來(lái)[1]指出了不同壓力、溫度下伴生氣在地層水中的溶解度，如在10 MPa壓力下地層水中溶解的伴生氣約1～2 Sm3/m3；張子樞[2]提出在正常地層壓力的含油氣盆地中，水中溶解的伴生氣量一般為1～5 Sm3/m3，且相比于甲烷，CO2更易溶解于地層水中；此外，地層水離子分析一般可檢測(cè)出HCO3-，根據(jù)化學(xué)平衡，地層水中存在離子態(tài)HCO3-和溶解態(tài)CO2[3-4]，在生產(chǎn)處理中壓力、溫度變化將破壞HCO3-和CO2平衡，解吸出一定量CO2進(jìn)入生產(chǎn)流程。此外，北海Buzzard油田工程設(shè)計(jì)(2004年)已明確要求將地層水組成和氣水比(氣水比=2.51 Sm3/m3)用于工藝模擬，以準(zhǔn)確評(píng)估井流物腐蝕性。此外，鄢晨、張強(qiáng) 等[4-5]在進(jìn)行油氣生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕研究中認(rèn)為地層水中的溶解CO2對(duì)管道腐蝕起著重要作用；侯大力 等[6]在進(jìn)行CO2地質(zhì)封存評(píng)價(jià)中也認(rèn)為CO2和地層水互溶的影響不容忽視。

中國(guó)南海東部的西江、惠州、番禺和恩平油田群處于生產(chǎn)中期高產(chǎn)水階段，多個(gè)平臺(tái)出現(xiàn)伴生氣中CO2遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)參數(shù)的情況[7]，設(shè)計(jì)中低估伴生氣中CO2含量會(huì)引起平臺(tái)處理設(shè)施和海底管道選材防腐等級(jí)偏低[8-9]，造成平臺(tái)設(shè)備、配管和海底管線(xiàn)過(guò)早消耗腐蝕余量，導(dǎo)致平臺(tái)設(shè)備、配管頻繁改造甚至海管更換[5,7,10-12]，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，地層水雖只溶解少量伴生氣，但對(duì)高產(chǎn)水、高含CO2油田的工程防腐設(shè)計(jì)，其中的CO2含量卻是不可忽視的。本文從工程設(shè)計(jì)角度分析地層水中的CO2含量對(duì)工程防腐設(shè)計(jì)的影響并給出了建議做法，以期在油田開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)中規(guī)避地層水中CO2含量造成的防腐設(shè)計(jì)偏差。

1 地層水中CO2對(duì)工程防腐設(shè)計(jì)的影響

油田地面工藝設(shè)計(jì)需要考慮地層中油、氣、水組成，利用C1～C36、CO2、H2S、H2O等組分表征油、氣、水物流后進(jìn)行混合和相平衡計(jì)算，再根據(jù)工程需要進(jìn)行加熱、閃蒸分離、增壓等處理流程設(shè)計(jì)。油田工藝設(shè)計(jì)主流采用HYSYS軟件進(jìn)行油、氣、水的氣液平衡和流程模擬，模擬中包括油藏平衡模塊和生產(chǎn)處理模塊，油藏平衡模塊定義油、氣、水組分并混合平衡，完成對(duì)地層流體的表征；生產(chǎn)處理模塊用于工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和材質(zhì)定級(jí)等工程設(shè)計(jì)(圖1)。

圖1 基于HYSYS軟件的油田油-氣-水工藝處理流程Fig.1 Oilfield oil-gas-water process simulation base on HYSYS

常規(guī)油田開(kāi)發(fā)前期研究和工程設(shè)計(jì)中默認(rèn)地層水中不含溶解氣，油藏平衡模塊的水相輸入端為不含伴生氣的水(下稱(chēng)“純水”)。然而，在油田生產(chǎn)狀態(tài)下純水對(duì)CO2有一定溶解度，而工藝模擬中的油氣水平衡計(jì)算中僅將純水與含有CO2的伴生氣混合后經(jīng)相平衡計(jì)算，伴生氣將部分轉(zhuǎn)移到純水中，且由于純水對(duì)CO2的溶解性遠(yuǎn)大于烴類(lèi)氣體[2,13-14]，表現(xiàn)為生產(chǎn)處理流程中分離器的閃蒸氣體中CO2比例減少，流程中CO2腐蝕分壓減少，而工程防腐設(shè)計(jì)主要依據(jù)CO2分壓確定材質(zhì)等級(jí)[9]，因此極易導(dǎo)致平臺(tái)設(shè)施和海底管線(xiàn)腐蝕余量不足或防腐等級(jí)過(guò)低。

以南海某平臺(tái)為例，該平臺(tái)某日的高產(chǎn)水生產(chǎn)工況如下：油產(chǎn)量2 185 m3/d，水產(chǎn)量57 777 m3/d，氣產(chǎn)量2 099 Sm3/d，分離器操作壓力276 kPaA，操作溫度93.3 ℃；設(shè)計(jì)階段PVT(壓力-體積-溫度)報(bào)告中伴生氣CO2摩爾含量42.91%?；诘貙铀缓樯鷼?CO2)的模擬方法，油藏平衡模塊輸入端中僅氣相帶入CO2流量173.0 kg/h，水相中無(wú)CO2，但經(jīng)與油水混合平衡后，分離器氣相的閃蒸氣中CO2流量?jī)H11.3 kg/h，氣相摩爾比僅5.04%，遠(yuǎn)低于PVT報(bào)告的42.91%；另有14.7 kg/h溶于油中，147 kg/h溶于水中。由于忽視地層水中的CO2，導(dǎo)致純水對(duì)伴生氣中CO2的大幅稀釋?zhuān)斐砂樯鷼庵蠧O2比例偏低，而低估伴生氣中CO2含量將導(dǎo)致最終選用的防腐等級(jí)偏低。

2 地層水中CO2含量對(duì)工程防腐設(shè)計(jì)影響的敏感性分析

基于上述高產(chǎn)水工況，模擬分析地層水中不同CO2含量時(shí)的CO2腐蝕分壓和海底管線(xiàn)選材方案。在水相輸入端摻入摩爾比為0.001%～0.030%(體積比0.013～0.398 Sm3/m3)的CO2后進(jìn)入分離器閃蒸，根據(jù)氣相和水相的CO2摩爾比例、CO2腐蝕分壓，結(jié)合管線(xiàn)流速、溫度、生產(chǎn)年限等因素進(jìn)行海底管線(xiàn)選材，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地層水中不同CO2含量對(duì)腐蝕分壓和海底管選材的影響Table 1 Influence of CO2 content in formation water on CO2 corrosion partial pressure and pipeline material selection

由表1分析可知，隨著地層水中CO2含量的提高，生產(chǎn)分離器氣相CO2摩爾比例和CO2腐蝕分壓均提高，當(dāng)?shù)貙铀蠧O2含量超過(guò)0.159 Sm3/m3時(shí)，海底管線(xiàn)材質(zhì)即無(wú)法選用碳鋼，須升級(jí)到碳鋼內(nèi)襯316L，將造成工程投資(材料費(fèi)和鋪管費(fèi))大幅增加。

3 基于地層水中CO2影響分析的勘探與工程防腐設(shè)計(jì)工作建議

地層水中CO2將大幅提高海上平臺(tái)和海底管道的腐蝕，為盡可能規(guī)避設(shè)備管線(xiàn)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，避免經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于高含水、高含CO2油田開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)有如下建議：

1) 在勘探階段對(duì)水層進(jìn)行帶壓取樣，獲取溶解CO2含量。

基于上述分析，對(duì)于水層厚、伴生氣CO2含量高的油田，開(kāi)展相關(guān)工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視地層水中CO2含量對(duì)平臺(tái)設(shè)施和海底管線(xiàn)腐蝕的影響。直接有效的方法是在油田勘探階段對(duì)水層進(jìn)行帶壓取樣，參考GB/T 26981—2020《油氣藏流體物性分析方法》[15]、GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》[16]等進(jìn)行閃蒸分析和氣體全組分分析，重點(diǎn)檢測(cè)閃蒸氣中CO2、H2S、C1～C6組分和氣水比，閃蒸后水樣可繼續(xù)開(kāi)展常規(guī)離子分析。此方法可直接提供地層水中溶解氣組成和氣水比，能夠最大程度地完善油藏和工程方案。

然而，由于以往認(rèn)識(shí)不足、勘探取樣和測(cè)試費(fèi)用的限制，并非所有油田都有機(jī)會(huì)開(kāi)展地層水帶壓取樣閃蒸分析，工程設(shè)計(jì)時(shí)可基于在生產(chǎn)油田的檢測(cè)數(shù)據(jù)反推地層水中CO2含量或直接利用檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，借用在生產(chǎn)油田的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)規(guī)避工程設(shè)施的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，在工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)盡可能拔出井流物中的CO2(如降低最后一級(jí)分離器操作壓力)，以減少CO2對(duì)海底管道的腐蝕。

2) 基于在生產(chǎn)油田檢測(cè)數(shù)據(jù)，反推地層水中CO2含量或直接利用檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。

在生產(chǎn)油田會(huì)定期對(duì)分離器的氣相和油相出口取樣進(jìn)行全組分測(cè)試，從而清晰獲取平臺(tái)伴生氣中CO2含量規(guī)律。因此，對(duì)于油田類(lèi)似或相近層位的后續(xù)開(kāi)發(fā)可借鑒已有生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，反推地層水中的CO2含量或直接利用檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。

對(duì)于上述某平臺(tái)高產(chǎn)水工況，當(dāng)天的分離器氣相取樣全組分分析得到CO2摩爾含量為22.33%。參考表1反推此層位地層水中CO2摩爾含量約為0.008%，可將油藏輸入模塊的水相定義為H2O摩爾含量99.992%，CO2摩爾含量0.008%，并基于此開(kāi)展工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和防腐定級(jí)。也可在工藝模擬中直接向生產(chǎn)模塊入口端補(bǔ)充CO2，調(diào)整CO2補(bǔ)充量使混合后的物流在取樣壓力、溫度(276 kPaA、93.3 ℃)下氣相CO2摩爾含量達(dá)到22.33%。直接利用檢測(cè)數(shù)據(jù)的工藝模擬示意圖見(jiàn)圖2，以此開(kāi)展生產(chǎn)處理模塊的設(shè)計(jì)。

圖2 油田工藝模擬(直接借用生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)摻CO2流程)Fig.2 Oilfield process simulation(CO2 blending process simulation with production test data)

在無(wú)地層水取樣閃蒸分析數(shù)據(jù)情況下，此方法適用于已具有一定量生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的在生產(chǎn)油田，通過(guò)反推地層水中的CO2含量或直接借用生產(chǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法完善油田相關(guān)工程設(shè)計(jì)，提高新油田的平臺(tái)設(shè)備、配管和海底管線(xiàn)的防腐等級(jí)，在一定程度上避免平臺(tái)設(shè)施和海底管線(xiàn)過(guò)早失效。

3) 在工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，原油處理系統(tǒng)采用低壓分離設(shè)計(jì)。

對(duì)于高產(chǎn)水、高含CO2油田，如無(wú)法開(kāi)展地層水取樣閃蒸分析獲得其中的CO2含量，建議在平臺(tái)工藝設(shè)計(jì)中盡可能降低最后一級(jí)分離器的操作壓力。經(jīng)分析，對(duì)于同一物流(如摻CO2達(dá)到生產(chǎn)檢測(cè)水平的物流)，隨著分離器操作壓力降低，氣相中CO2流量增大，即更多腐蝕介質(zhì)從氣相脫出，CO2在氣相中的摩爾占比增大，綜合下來(lái)，可使得CO2分壓降低(表2)。因此，可利用低壓閃蒸將井流物中的CO2盡可能多地拔出，減少進(jìn)入海底管道的CO2流量，盡可能降低CO2腐蝕對(duì)油田生產(chǎn)的損失，以保證海底管線(xiàn)的安全運(yùn)行。原油處理流程低壓分離做法在番禺[17]、陸豐、恩平等油田的新建和改造項(xiàng)目中起到了較好的效果，一定程度上減輕了CO2對(duì)海底管道的腐蝕。

表2 生產(chǎn)分離器不同操作壓力對(duì)CO2流量、摩爾含量和腐蝕分壓的影響Table 2 Influence of production separator pressure on CO2 flowrate，Molar ratio and CO2 corrosion partial pressure

4 結(jié)論

1) 高產(chǎn)水、高含CO2的油田工程設(shè)計(jì)中，忽視地層水中的CO2將導(dǎo)致在模擬計(jì)算時(shí)生產(chǎn)水稀釋伴生氣中CO2的設(shè)計(jì)偏差，造成平臺(tái)設(shè)施和海底管線(xiàn)的防腐設(shè)計(jì)等級(jí)選用過(guò)低。

2) 建議在油田勘探階段對(duì)水層開(kāi)展帶壓取樣閃蒸分析，提供地層水中溶解氣組成和氣水比；針對(duì)缺少地層水組分檢測(cè)數(shù)據(jù)的油田，可基于附近在生產(chǎn)油田的數(shù)據(jù)反推地層水中CO2含量或直接利用檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展相關(guān)工程設(shè)計(jì)；在工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用降低最后一級(jí)分離器操作壓力等相關(guān)方法，盡可能拔出進(jìn)海管流物中的CO2。