隨著我國碳達峰與碳中和“3060目標”的提出，煙道氣驅油技術重新引起了人們的關注。該技術最早發展于20世紀中葉，美國和加拿大相繼開展了煙道氣驅油試驗。國內遼河油田、新疆油田和勝利油田也陸續開展了煙道氣驅油試驗，結果都表明煙道氣驅油技術可以有效提高原油的采收率，同時減少環境污染，實現碳減排和氮減排。

煙道氣主要來源于油田的注汽鍋爐，主要成分為N2和CO2，在煙道氣回收及注入過程中可能會對設備設施造成腐蝕，影響生產平穩運行，降低生產效率。因此，中國石油大學（北京）克拉瑪依校區工學院和新疆油田公司采油二廠的研究人員對煙道氣回收及注入系統的腐蝕及防護進行了詳細地總結和分析，旨在降低或減輕此類有害影響，為煙道氣驅油技術的進一步推廣和大規模應用奠定基礎。

鍋爐煙道氣回收及注入流程

煙道氣驅油是將鍋爐煙道氣凈化、增壓后注入油層，使其與油層中的原油混溶成流體而驅替產出的一種采油方法，煙道氣回收及注入流程可以分為地面和地下兩部分。

地面部分指的是煙道氣從燃氣鍋爐到注入地層之前的流程，主要包含煙道氣的采集、凈化、脫水等工序，具體工序取決于煙道氣的組分。如果鍋爐燃氣中含S，那么煙道氣中會含有SO2。圖1為某油田含硫煙道氣的回收處理流程，將煙道氣凈化、脫硫和脫碳后，提取出CO2與N2，按比例混合后注入地層驅油。

圖1 某油田注煙道氣工藝流程圖

脫硫工序可采用干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫以及一系列新型脫硫方法；脫碳的方法較多，油田現場多采用醇胺溶液等吸收煙氣中的CO2，再對吸收液進行解吸，實現CO2分離。

此外，還可以采用煙道氣回收利用一體化技術，在實現煙道氣回收注入的同時，完成污水凈化處理及煙氣余熱利用。

圖2為煙道氣回收利用一體化技術流程及煙氣凈化污水處理裝置，首先利用油田污水吸收煙氣余熱及其中的SO2，將脫除SO2的煙氣降溫、干燥后與蒸汽混合注入地下，而吸收了SO2的污水經過處理后成為淡水可循環使用，實現節能減排的雙重目標。若鍋爐燃氣中不含硫，煙道氣回收過程可省略脫硫工序，直接將煙道氣進行降溫、除塵、脫水和增壓后，注入井下驅油。

（a）煙道氣回收利用一體化技術流程

（b）煙氣凈化污水處理裝置

圖2 煙道氣回收利用一體化技術流程及煙氣凈化污水處理裝置

煙道氣回收及注入系統腐蝕的影響因素

1 煙道氣組分

煙道氣組分是影響煙道氣回收及注入系統腐蝕的最重要因素，決定了腐蝕的類型及機理。若煙道氣中僅含有CO2、N2、O2和水蒸氣，那么該環境中的腐蝕主要受O2和CO2協同作用，O2的存在會使腐蝕產物由單一CO2腐蝕產物FeCO3轉為鐵的氧化物，導致腐蝕產物保護性降低，腐蝕速率增大。林海認為這是由于O2的強氧化性和陰極的吸氧反應加速了陽極金屬的溶解，同時Fe2+氧化為Fe2O3或Fe(OH)3，而易沉積的Fe(OH)3為疏松多孔結構，無法充分保護基體金屬。O2對CO2腐蝕產物膜的破壞機理見圖3。然而，部分研究者認為，O2、CO2共存時O2的影響程度取決于其相對含量。

圖3 O2對CO2產物膜破壞機理示意

另外，煙道氣注入地層后與地層水混合會形成含O2-CO2共存的鹽水環境，O2含量的增加也會加速該環境中的腐蝕過程。

此外，煙道氣中的S、水蒸氣和其他離子的含量也是影響腐蝕的重要因素。煙道氣經過換熱降溫后，其中的水蒸氣會凝結成液態水，煙氣中含有的SO3等腐蝕性介質溶入其中，會形成低pH的溶液，對設備造成露點腐蝕。

對于N2和CO2單獨捕集后注入的系統，煙道氣中不含O，若在注入過程中也無O2進入，則地下注入系統中的腐蝕主要是CO2腐蝕，關于CO2腐蝕方面的研究較多，在此不做贅述。

2 煙道氣壓力

煙道氣注入壓力對腐蝕過程產生明顯影響。一般認為，隨著煙道氣壓力的升高，腐蝕介質的分壓升高，腐蝕過程加劇。

秦國順研究發現，在18% CO2+2% O2+80% N2+H2O環境中，煙道氣壓力的升高導致腐蝕性氣體（CO2、O2）分壓升高，從而使H+含量升高，在不同溫度下N80鋼的腐蝕速率均隨著壓力的升高而增大，如圖4所示。

圖4 不同溫度下壓力對N80鋼腐蝕速率的影響

張丁涌等針對注煙道氣稠油熱采過程中管道輸送煙道氣酸凝結的問題，分析了煙道氣入口壓力對煙道氣酸凝結點的影響。結果表明，入口煙道氣壓力降低，酸凝結點距離增大，管道腐蝕程度減輕。

3 溫度

煙道氣回收及注入系統的腐蝕程度也會受溫度影響，主要原因是氣體的溶解度和腐蝕產物膜會隨溫度發生變化。

陳龍俊研究發現，在O2+CO2環境中，溫度的升高會加速電化學、化學和傳質等與腐蝕相關的過程，同時會降低H2CO3和HCO3-的含量，在30~80 ℃條件下Q345R鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高而增大。

李威發現，在含80% N2、18% CO2、2% O2和0.0001% SO2的NaCl溶液中，在30~90 ℃條件下N80鋼的腐蝕速率隨溫度的升高先增大后迅速減小，在60 ℃時腐蝕速率達到最大。這主要與腐蝕產物膜有關，在30 ℃和60 ℃時腐蝕產物膜疏松多孔，在90 ℃時腐蝕產物膜較致密，對基體的保護作用也增強。

李臻等發現在含CO2和O2的模擬采出水環境中，在低溫（50 ℃）下N80鋼的腐蝕類型以均勻腐蝕為主，在100 ℃下N80鋼的局部腐蝕明顯加劇，而在高溫（150 ℃和200 ℃）下，局部腐蝕明顯減輕，以均勻腐蝕為主。

圖5為CO2和O2共存環境中不同溫度下N80鋼的平均腐蝕速率，可見N80的腐蝕速率隨著溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，并在100 ℃時腐蝕速率達到峰值，在200 ℃時腐蝕速率最小，分析認為這主要與不同溫度下腐蝕產物膜的結構有關。

圖5 在CO2和O2共存環境中不同溫度下N80鋼的腐蝕速率

秦國順發現，在CO2+N2+O2+H2O環境中，在30~90 ℃范圍內，受腐蝕化學反應速率和腐蝕產物膜性質的影響，N80鋼的腐蝕速率隨著溫度的升高先增大后減小，在60 ℃時達到最大，這與李威的研究結論一致。

4 流速

流速的增加會促進CO2和O2等從溶液向金屬表面擴散，增大腐蝕速率，同時也會對腐蝕產物膜產生一定的沖刷作用，使金屬表面重新裸露于腐蝕介質中，進一步增大腐蝕速率。

趙帥等發現，隨著流速的增加，L320鋼在CO2/O2共存條件下的均勻腐蝕速率逐漸增大。

秦國順發現，在CO2+N2+O2+H2O環境中，腐蝕介質與試樣表面的傳質速率隨著流速的增加而增大，N80鋼的腐蝕速率增大。

5 設備材料

受材料耐蝕性及腐蝕產物膜組織結構的影響，煙道氣對不同材料的腐蝕程度也不同。目前煙道氣回收及注入系統的設備及設施主要使用碳鋼或低合金鋼，添加Cr、Ni、Mo和Si等元素可以提高材料的耐蝕性。

在CO2、O2共存溶液中，隨著P110鋼中Cr含量的增加，材料的腐蝕速率逐漸減小，P110-7Cr鋼的腐蝕速率為0.898 mm/a，僅為P110鋼的1/6。

P110、P110-2Cr和P110-3Cr鋼會發生局部腐蝕，且隨著Cr含量的增加，蝕坑平均深度減小，平均面積增大；而P110-5Cr和P110-7Cr鋼表面呈現均勻腐蝕形貌，這主要是由于在CO2、O2共存環境中Fe和Cr元素均參與陽極反應，使得蝕坑內部局部區域pH降低，溶液中的HCO3-及CO32-擴散至蝕坑內部，增大了FeCO3過飽和度，FeCO3形核速率增大，蝕坑底部局部位置晶粒細化，這對腐蝕起到一定的抑制作用。隨著P110鋼中Cr含量的增加，晶粒尺寸逐漸增大，其演變機理如圖6所示。

圖6 不同Cr含量P110鋼的產物膜演變機理示意圖

里清揚研究發現，在pH為3.8的煙氣冷凝介質中，不銹鋼、黃銅及紫銅的耐蝕性較好，而碳鋼的耐蝕性較差。

根據遼河油田提供的條件，張貽剛發現，304不銹鋼在60 ℃煙氣脫硫環境中極易發生點蝕和縫隙腐蝕，不適合作為煙氣脫硫塔及其零部件材料，而2205雙相不銹鋼具有一定的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能，可用作煙氣脫硫塔裝置及其零部件材料。

李威發現，在O2+CO2+N2+SO2+H2O環境中，4種材料的腐蝕速率由小到大依次為超級13Cr不銹鋼、316L不銹鋼、825合金鋼和13Cr不銹鋼，其腐蝕速率遠低于相同環境中N80鋼的腐蝕速率，也低于相同試驗條件下添加緩蝕劑環境中N80鋼的腐蝕速率，采用材料升級的方法，其防腐蝕效果優于添加緩蝕劑。

6 地層水水質

煙道氣注入井下后會與地層水混合，因此地層水中的離子種類及含量會對腐蝕產生一定影響。一般認為，Cl-的存在會使溶液的導電性增加，Cl-會穿透腐蝕產物膜，導致鋼的腐蝕速率增大。

秦國順研究發現，在N2+CO2+O2環境中，隨著腐蝕介質中NaHCO3和Na2CO3含量的增大，不同溫度下N80鋼的腐蝕速率都出現降低趨勢，當NaHCO3和Na2CO3含量增加到一定程度后，N80鋼腐蝕速率的變化趨于平緩。添加少量NaCl，N80鋼的腐蝕速率會增大，但隨著NaCl添加量的繼續增加，腐蝕速率呈現先減小后逐漸增大的趨勢。

此外，地層水的pH會通過溶液中鐵的溶解反應和腐蝕產物的沉積過程影響腐蝕。在CO2+O2體系中，CO2的存在使溶液的pH降低，O2還原形成的OH-與H+發生中和反應，使溶液pH升高。pH升高會使FeCO3的溶解度降低，FeCO3易沉積，對基體起到保護作用。

陳龍俊研究發現，在O2+CO2模擬煙道氣環境中，pH對陽極反應幾乎沒有任何影響，但嚴重影響陰極反應過程，Q345R鋼的腐蝕速率隨著pH的升高而減小。

腐蝕防護措施

1 工藝控制

目前，主要通過脫硫和脫水等方式進行煙道氣回收系統的腐蝕控制。油田現場多采用濕法脫硫來降低煙道氣中的SO2含量，等離子技術、催化氧化法脫硫技術、催化還原脫硫技術、電化學脫硫技術和生物脫硫技術等新型脫硫技術也不斷得到優化和應用。其中，膜法脫硫技術可克服傳統脫硫技術存在的缺陷，實現高效脫硫，而催化氧化法脫硫技術適用于低含量SO2的脫除。

液態水會加速酸性氣體對管道和設備的腐蝕，因此一般需要對煙道氣進行脫水。降溫后的煙道氣在進入壓縮機增壓前，可根據對脫水深度的要求選擇分子篩脫水或冷干機脫水。分子篩脫水可以使煙道氣脫水深度達到常壓露點≤-40 ℃，冷干機脫水可以使煙道氣脫水深度達到常壓露點≤-20 ℃。一般煙道氣中的水含量應小于0.2%。

遼河油田錦45塊13-12井采用三級脫水冷凍干燥。一級脫水采用冷卻沉降方法初步脫水，在常壓下溫度由250 ℃下降到40 ℃，水含量由18％下降到5.5％；二級脫水采用氣體凈化器通過纖維過濾，脫除粒徑1～5 μm以上的水滴；三級脫水采用冷凍干燥法，相對濕度降至7％可有效防止煙道氣對設備的腐蝕。

遼河油田J33-31塊采用四級脫水技術（換熱器脫除游離水、沉降分離器脫除霧狀水、前置冷干機脫除常壓溶解水和后置冷干機脫除1.2 MPa溶解水）使煙氣露點降到-20 ℃。

此外，學者們對于煙道氣回收處理工藝及其參數也開展了很多研究。基于遼河油田稠油區塊開采情況，李金權提出了“一爐三注”的技術路線，將水蒸氣、CO2和N2分別提取后再混合注入，可以有效減緩系統腐蝕，實現資源的綜合利用和環保生產及效益的最大化。

通過預測煙道氣酸露點溫度及調整過量空氣系數、煙道氣注入溫度和壓力等工藝參數，將酸凝結位置控制在具有一定耐蝕性的設備或管線，這也是一種有效的腐蝕控制方法。

目前，關于酸露點溫度的預測主要集中在燃煤鍋爐煙氣系統，尚未充分開展針對天然氣鍋爐煙道氣中露點溫度的預測。

遼河油田采用富集煙道氣雙注采油工藝時，制定了煙道氣注入的主要技術指標：單井一次注入量（換算成地下體積）應大于3000 m3；煙道氣的注入速率大于600 m3/h；煙道氣注入的最高壓力為15 MPa；注入溫度大于140 ℃；注入煙道氣的體積分數要求有φCO2＞10％、φH2O＜0.1％、φO2＜2％、φN2≈88％、φSO2=0；進入壓縮機的煙氣的相對濕度＜40％。

2 材料升級或涂覆涂層

目前，煙道氣回收注入系統中應用較多的材料是碳鋼或低合金鋼，為提高材料耐蝕性，可以采用高Cr合金、316L不銹鋼、非金屬材料和非金屬涂層等。

以遼河油田某套煙道氣蒸汽輔助重力驅（SAGD）地面裝置為例，冷卻器與螺桿機之間的管道材料采用鋼骨架增強聚乙烯復合管，煙道氣經壓縮機第一次增壓后的管道材料采用316L不銹鋼，煙道氣預分離器采用無溶劑環氧涂料加犧牲陽極保護，壓縮機關鍵的過流部件及空冷器管束材料采用不銹鋼，羅茨鼓風機的過流部件材料采用化學鍍鎳。

對于煙道氣脫硫除塵設備或管線材料，可以選用玻璃鋼或提高金屬焊接質量、優化結構設計等途徑來降低腐蝕發生的機率。

3 添加緩蝕劑

對于煙道氣注入系統，可采用加入緩蝕劑的方法控制腐蝕，但需要針對具體的環境條件進行緩蝕劑種類的篩選及緩蝕劑用量的評價。

李威將商用CO2緩蝕劑和O2緩蝕劑按1∶1體積比配制，研究發現在O2+CO2+N2+SO2環境中，N80鋼的腐蝕速率隨緩蝕劑用量的增加而減小，當緩蝕劑質量濃度為1000 mg/L時，緩蝕效率可達96.5%。

陳龍俊對Q345R鋼在加入多種緩蝕的O2+CO2+H2O環境中的腐蝕情況進行了研究，發現大多數緩蝕劑在加入后沒有達到理想的保護作用，均出現腐蝕速率增大的情況，只有加入大量的緩蝕劑才能起到效果；而在該環境中添加二（2-乙基己基）磷酸酯對Q345R鋼起到了有效的緩蝕作用。

尚洪帥以工業BM油酸和二乙烯三胺為主要原料，合成了一種酰胺類緩蝕劑BMIA，與除氧劑水合肼按2∶3體積比復配，得到適用于O2+CO2環境的新型緩蝕體系BMIA-H，當緩蝕劑質量濃度為500 mg/L時，緩蝕率可達98.32%。

4 腐蝕監測

在煙道氣回收及注入系統中，可以采取定點測厚、掛片監測及探針監測等方法進行腐蝕監測。定點測厚結合露點溫度可預測易發生露點腐蝕的位置，通過定期定點測厚，及時發現腐蝕減薄位置。掛片監測主要是通過測試不同材料在工藝介質中的腐蝕情況，可為現用材料的腐蝕預測及材料篩選提供數據支持。探針監測可以提供具體工況下某種材料的實際腐蝕速率，方便技術人員及時了解介質的腐蝕性和材料的耐蝕性。工作人員在遼河油田工藝參數管線上設置了腐蝕掛片監測，在匯管處設置了腐蝕掛片和腐蝕探針監測。

結束語

煙道氣回收及注入系統的腐蝕與煙道氣組分、壓力、溫度、流速、材料和地層水質等因素密切相關。

不同的煙道氣組分會形成不同的腐蝕環境，相同的組分、不同的組分占比也會影響腐蝕程度，O2、SO2和H2O含量的增加都會使金屬的腐蝕速率增大。

煙道氣壓力和流速的增大也會提高金屬材料在煙道氣中的腐蝕速率。而溫度的影響主要取決于腐蝕產物膜FeCO3的完整性和氧化膜的厚度及性質。在低pH和高Cl-含量的地層水中，金屬的腐蝕速率也會增大。

合金鋼在煙道氣環境中的耐蝕性明顯優于碳鋼，且隨著Cr含量的增加，材料的耐蝕性提高。

目前，常用的防腐蝕措施主要集中在工藝控制、添加緩蝕劑、材料升級和腐蝕監測方面。

考慮到O2及SO2的存在都會改變原CO2環境中的腐蝕產物膜，從而影響腐蝕速率，因此建議后期加強煙道氣環境中腐蝕產物膜原位電化學行為的研究，對不同煙道氣環境中腐蝕產物膜的形成機理及過程展開進一步研究。

另外，加強地層水中Cl-對不同煙道氣環境中腐蝕產物膜的作用機理研究以及與Ca2+、CO32-和HCO3-等其他離子的協同作用機理研究。