автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.14, диссертация на тему:Противокоррозионная защита систем добычи, сбора и транспорта природного газа с применением ингибиторов

ОАО "ГАЗПРОМ

Всероссийский научно-исследовательский

институт природных газов и газовых технологий

(ВНИИГАЗ)

■93

На правах рукописи УДК 620.197.3.

^ <9 Г. ЛЕГтаИВДШКОЛАЙ ЕГОРОВИЧ

ПРОТИВОКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА СИСТЕМ ДОБЫЧИ, СБОРА И ТРАНСПОРТА ПРИРОДНОГО ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНГИБИТОРОВ

Специальность: 05.17.14 - Химическое сопротивление материалов и

защита от коррозии

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

.Ы

А л д

I /

I/ ; ¡'

У/

Ч/

Москва, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ХАРАКТЕРА КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ СИСТЕМ ДОБЫЧИ, СБОРА И ТРАНСПОРТА ПРИРОДНОГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕГО АГРЕССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ.............................................. 12

1.1. Характеристика месторождений природного газа, подверженного углекислотной коррозии оборудования. Анализ условий его эксплуатации. Характер и интенсивность коррозионных разрушений...................................... 12

1.2. Характеристика месторождений природного газа, содержащего сероводород и диоксид углерода. Особенности разрушения металла труб и газопромыслового оборудования в условиях сероводородной коррозии........................ 32

1.3. Изменение условий работы оборудования, скорости и характера его коррозионных разрушения, в процессе длительной эксплуатации газовых месторождений.................. 44

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОЦЕСС ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ ГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ....... 55

2.1. Коррозия металла в среде природного газа, содержащего диоксид углерода, механизм углекислотной коррозии..... 55

2.2. Коррозия металла в среде природного газа, содержащего сероводород. Особенности и механизм сероводородной коррозии.............................................. 59

2.3. Исследование влияния основных факторов, определяющих скорость и характер процесса коррозии............. 62

2.3.1. Зависимость скорости коррозии металла от концентрации СО2 в газе, его парциального давления, температуры, характера среды и общего давления газа в системе ШО-

со2-сн4............................................... 66

2.3.2. Влияние парциального давления на процессы коррозии в системе Н2О-СО2-СН4.......................... 72

2.3.3. Влияние пластовых вод и влажности газа на коррозию газопромыслового оборудования...................... 76

ГЛАВА 3. ИНГИБИТОРЫ - ОСНОВНОЕ СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОТ КОРРОЗИИ В ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ТРЕБОВАНИЯ К ИНГИБИТОРАМ И МЕТОДИКА ИХ ИСПЫТАНИЙ....................... 87

3.1. Технические требования к ингибиторам коррозии в газовой промышленности................................ 89

3.2. Методика испытаний ингибиторов коррозии, предназначенных для использования в газовой промышленности ... 96

3.2.1. Исследования физикохимических и технологических свойств ингибиторов коррозии в лабораторных условиях..... 97

3.2.2. Исследования защитных свойств ингибиторов коррозии в лабораторных условиях........................... 107

3.2.3. Автоклавные испытания........................ 125

3.2.4. Испытания ингибиторов в промышленных условиях ........................................................ 128

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ, ОТВЕЧАЮЩИХ ТРЕБОВАНИЯМ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ...................... 136

4.1. О механизме защитного действия ингибиторов коррозии ................................................... 136

4.2. Исследования ингибиторов, созданных на базе побочных продуктов химической и нефтехимической промышленности - первые ингибиторы коррозии в газовой отрасли ... 145

4.3. Разработка и исследование новых ингибиторов коррозии специально предназначенных для месторождений при-

родного газа, содержащего сероводород, диоксид углерода и другие коррозионноагрессивные компоненты............... 156

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ В ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ......... 194

5.1. Анализ различных методов ингибирования газовых скважин............................................... 194

5.2. Методика расчета оптимального количества ингибитора, рекомендации по совершенствованию монжусных технологий ингибирования газовых скважин..................... 206

5.3. Влияние ингибирования на производительность газовых скважин........................................... 214

5.4. Новые технологии подачи ингибитора в продуктивный пласт.............................................. 223

5.5. Методы ингибирования газопроводов различного диаметра.............................................. 229

5.5.1. Кольцевой режим ингибирования промысловых газопроводов ............................................ 229

5.5.2. Поршневые методы ингибирования газопроводов .. 239

5.5.3. Аэрозольный метод ингибирования газопроводов.. 246

5.5.4. Оптимизация противокоррозионной ингибиторной защиты газопроводов.................................... 251

ВЫВОДЫ...................................... 260

ЛИТЕРАТУРА................................ 263

ВВЕДЕНИЕ

Газовая промышленность России является основной составляющей топливно-энергетического комплекса страны. Удельный вес природного газа в топливном балансе продолжает увеличиваться. Доля газа среди различных видов котельного топлива в ряде регионов достигает 50%. Развитие газовой промышленности обеспечено надежной сырьевой базой. Однако, обращает на себя серьезное внимание то обстоятельство, что значительная часть вновь открытых и разрабатываемых в настоящее время месторождений содержит в составе природного газа весьма агрессивные в коррозионном отношении компоненты: сероводород, диоксид углерода и др. Добыча газа на таких месторождениях, связана с необходимостью решения сложных задач по защите газовых скважин, промыслового оборудования и газопроводов от внутреннего коррозионного разрушения, что, в свою очередь, является составной частью глобальной проблемы защиты металлов от коррозии. Этой проблеме были посвящены прошедшие в 1992 и 1995 годах Конгрессы "Защита-92" и "Загцита-95". Можно полностью согласиться с основным тезисом доклада, В.М. Новаковского, сделанного им на Конгрессе "Защита-95", который гласит: "Истинное место и значимость коррозионных процессов в прошлой и будущей истории человечества едва ли полностью представляют себе даже крупнейшие авторитеты противокоррозионной защиты" [ 105 ].

К середине 70-х годов коррозионные издержки оценивались в 4-5% Национального валового продукта и в дальнейшем продолжали возрастать. Это не считая косвенных и экологических потерь, учесть которые в полном объеме не представляется возможным. Именно коррозионные повреждения часто оказываются причиной крупномасштабных загрязнений окружающей среды. К числу, так называемых, лидеров в деле загрязнения окружающей среды В.А.Тимонин относит нефтедобычу, транспорт

5

нефтепродуктов, химическую и нефтехимическую промышленность [134 ]. В этом перечне нет объектов добычи сероводородсодержащего природного газа, только благодаря тому, что эксплуатация газовых месторождений, содержащих сероводород без применения средств защиты от коррозии и, в первую очередь, без ингибиторов коррозии чревато, как показал отечественный и зарубежный опыт, опасными последствиями, связанными с авариями, а во многих случаях вообще невозможна [2, 19, 72, 73, 170, 174].

Проблема внутренней коррозии скважин, промыслового оборудования и газопроводов в газовой промышленности имеет свои специфические особенности, заключающиеся прежде всего в том, что нет и, вероятно, не может быть хотя бы двух совершенно одинаковых в природе газовых месторождений, а, следовательно, и условия работы и коррозионного разрушения металла труб и оборудования на различных месторождениях будут отличаться. Значительно отличаются эти условия в зависимости и от места того или иного оборудования в технологической цепи: скважина-шлейф-установка комплексной подготовки газа (УКПГ) - газопроводы.

На всем протяжении этой большой технологической цепи непрерывно меняются параметры газа (давление, температура), содержание в газе воды и углеводородного конденсата и др. Наконец, по мере разработки и эксплуатации даже одного и того же месторождения для одних и тех же элементов оборудования, занимающих определенное место в указанной технологической цепи, условия их работы не будут оставаться постоянными, поскольку со временем неизбежно будет изменяться дебит газа, его давление, температура, количество и химический состав жидкости, соотношение водного и углеводородного конденсата.

Таким образом, рассматриваемая специфика коррозии заключается: в большом разнообразии условий для возникновения и развития процес-

6

са внутреннего коррозионного разрушения оборудования в газовой промышленности, в непостоянстве этих условий во времени и в тесной связи процесса коррозии с процессами разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений, с техникой и технологией добычи и транспорта газа.

Указанные специфические особенности проблемы коррозии в газовой промышленности требуют, чтобы их учитывали при составлении проектов разработки коррозионноопасных газовых месторождений, эксплуатация которых рассчитывается, как правило, на длительный период 25-30 лет и, что не менее важно, требуют чтобы мероприятия по защите оборудования от коррозии на весь период эксплуатации месторождения были бы разработаны с учетом изменяющихся во времени условий добычи природного газа.

Поднятые нами вопросы специфических особенностей проблемы коррозии и защиты оборудования и газопроводов в газовой промышленности являются в настоящее время наименее изученными и хотя, бесспорно, многие аспекты рассматриваемой в работе проблемы сероводородной и углекислотной коррозии газопромыслового оборудования являются общими и для некоторых других отраслей народного хозяйства (например нефтепеработки и нефтехимии) [ 25, 97 ], однако знание специфических особенностей их проявления в газовой промышленности, равно как и специфических особенностей применения в данной отрасли тех или иных средств защиты от коррозии (например ингибиторов), нельзя недооценивать, ибо от этого во многом зависит успех всех мероприятий по защите от внутреннего коррозионного разрушения газопромыслового оборудования и газопроводов в целом.

Проблема внутренней коррозии газопромыслового оборудования и газопроводов является на сегодня одной из наиболее серьезных проблем в газовой промышленности, причем под внутренней коррозией в данном

7

случае понимается разрушение металла труб и оборудования, развивающееся под действием агрессивных составляющих газожидкостного потока, движущегося внутри скважин, наземных промысловых установок и газопроводов. В этом заключается существенное различие данного вида коррозии от почвенной (подземной) коррозии трубопроводов, давно известной и сравнительно хорошо изученной. Актуальность проблемы особенно очевидна в свете того, что с каждым годом количество вступающих в разработку месторождений природного газа, содержащего агрессивные компоненты не только не уменьшается, а наоборот, значительно возрастает. Так, если ранее основными районами, где отмечалась интенсивная внутренняя коррозия газопромыслового оборудования, были месторождения Краснодарского края и Ставрополья, то на сегодня имеется целый ряд таких месторождений в Поволжье, среди них уникальные - Оренбургское и Астраханское, а также на Украине, в Узбекистане, Туркмении, Таджикистане и Казахстане. Открыты новые, опасные в коррозионном отношении, газовые месторождения в акватории Баренцева моря, на Севере России.

Все указанные месторождения, как мы увидим в работе, содержат в составе природного газа большие количества диоксида углерода (до 20% об.), а во многих, наиболее сложных случаях, в газе совместно представлены и диоксид углерода и сероводород (до 25% об.).

Известно [ 1, 13, 21, 27, 43, 75, 78 ], что при наличии в продукции газовых скважин таких агрессивных компонентов как сероводород или диоксид углерода, последние вступают (в присутствии воды) во взаимодействие с металлами, из которых изготовлены различные элементы оборудования скважин, арматура, аппаратура, трубы и т.д.

В результате этого взаимодействия и развиваются процессы коррозии внутренней поверхности указанного оборудования, вызывающие его преждевременный износ и разрушение. Как показал отечественный и за-

8

рубежный опыт эксплуатации газовых месторождений, выявление степени и характера агрессивности рабочей среды должно проводиться на самой ранней стадии разведки газового месторождения, уже в процессе испытания разведочных скважин, путем отбора проб газа, воды и углеводородного конденсата для их последующего анализа, а также посредством установки на скважинах контрольных образцов-свидетелей [ 57 ].

Если полученные результаты будут указывать на коррозионную агрессивность среды, то их следует обязательно учитывать при выборе средств защиты от коррозии и, в частности, ингибиторов. Их необходимо принимать во внимание при составлении технологической схемы обустройства газового месторождения и создании проекта его разработки.

Опыт эксплуатации особо опасных в коррозионном отношении месторождений природного газа, приобретенный в нашей стране за последние десятилетия, хорошо согласующийся с данными, полученными при разработке аналогичных месторождений в США, Канаде, ФРГ и Франции. Этот опыт указывает на настоятельную необходимость широкого внедрения на таких месторождениях комплекса средств, обеспечивающих максимальную защиту труб и оборудования от внутренних коррозионных разрушений.

Среди противокоррозионных средств видное место принадлежит ингибиторам коррозии [6, 11, 20, 45, 65, 108, 118, 125 ]. Широкое применение ингибиторной защиты в газовой промышленности объясняется высокой эффективностью, технологичностью и экономичностью данного метода. Эффективность ингибиторной защиты зависит не только от типа ингибитора, но в большой мере от того насколько он отвечает требованиям газовой промышленности и технологии его использования, поэтому в настоящей работе особое внимание нами обращено на разработку отраслевых требований к ингибиторам, методику их испытаний, техно-

логию применения и, разумеется, на создание ингибиторов специально предназначенных для газовой промышленности.

На конкретных примерах Оренбургского, Астраханского и др. месторождений, рассмотрены различные системы ввода ингибиторов в газовые скважины и газопроводы, показана тесная связь той или иной технологии ингибирования со специфическими условиями работы газопромыслового оборудования.

Эффективность применения рекомендованных для промышленного внедрения ингибиторов коррозии предопределила их весьма широкое использование на газовых промыслах, особенно в последние годы. В настоящее время на Оренбургском, Астраханском и других, опасных в коррозионном отношении, месторождениях ингибируются уже тысячи газовых скважин [ 70, 93 ].

Значительное место в работе уделено исследованиям самого процесса коррозионного разрушения металла труб и промыслового оборудования под действием углекислоты и сероводорода. Показаны главные закономерности и специфические особенности данного процесса применительно к различным промысловым условиям и различным элементам газопромыслового оборудования. Знания этих закономерностей необходимо научным, проектным и производственным организациям газовой промышленности не только для своевременного прогнозирования опасности коррозионного разрушения на том или ином газовом месторождении, что само по себе чрезвычайно важно, но и для правильного, научно обоснованного и наиболее рационального выбора надлежащих средств защиты от коррозии.

Большинство исследований, результаты которых изложены на страницах настоящей диссертации, выполнялись нами в условиях максимально приближенных к реальным, имеющим место в газовой промышленности на стендах и в автоклавных установках. Кроме того, ис-

ю

следования ингибиторов коррозии в обязательном порядке проводились непосредственно на газовых скважинах и в газопроводах. Все это позволило своевременно и довольно оперативно выдать промышленности весьма необходимые ей рекомендации, разработать методическое руководство по испытанию ингибиторов в газовой промышленности и создать ингибиторы коррозии полностью удовлетворяющие требованиям отрасли и отвечающие мировому уровню.

Целью излагаемой ниже работы является создание научных основ выбора и применения ингибиторов коррозии в газовой промышленности.

Для достижения этой цели в работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- выявить характерные особенности проблемы внутренней коррозии скважин, газопромыслового оборудования и газопроводов, имеющие место в процессе эксплуатации месторождений природного газа, содержащего в своем составе сероводород, диоксид углерода и другие корро-зионно-агрессивные компоненты;

- разработать соответствующие технические требования к ингибиторам коррозии в газовой промышленности;

- создать научно обоснованную методологию применения ингибиторов коррозии �