随着我国碳达峰与碳中和“3060目标”的提出，烟道气驱油技术重新引起了人们的关注。该技术最早发展于20世纪中叶，美国和加拿大相继开展了烟道气驱油试验。国内辽河油田、新疆油田和胜利油田也陆续开展了烟道气驱油试验，结果都表明烟道气驱油技术可以有效提高原油的采收率，同时减少环境污染，实现碳减排和氮减排。

烟道气主要来源于油田的注汽锅炉，主要成分为N2和CO2，在烟道气回收及注入过程中可能会对设备设施造成腐蚀，影响生产平稳运行，降低生产效率。因此，中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院和新疆油田公司采油二厂的研究人员对烟道气回收及注入系统的腐蚀及防护进行了详细地总结和分析，旨在降低或减轻此类有害影响，为烟道气驱油技术的进一步推广和大规模应用奠定基础。

锅炉烟道气回收及注入流程

烟道气驱油是将锅炉烟道气净化、增压后注入油层，使其与油层中的原油混溶成流体而驱替产出的一种采油方法，烟道气回收及注入流程可以分为地面和地下两部分。

地面部分指的是烟道气从燃气锅炉到注入地层之前的流程，主要包含烟道气的采集、净化、脱水等工序，具体工序取决于烟道气的组分。如果锅炉燃气中含S，那么烟道气中会含有SO2。图1为某油田含硫烟道气的回收处理流程，将烟道气净化、脱硫和脱碳后，提取出CO2与N2，按比例混合后注入地层驱油。

图1 某油田注烟道气工艺流程图

脱硫工序可采用干法脱硫、半干法脱硫、湿法脱硫以及一系列新型脱硫方法；脱碳的方法较多，油田现场多采用醇胺溶液等吸收烟气中的CO2，再对吸收液进行解吸，实现CO2分离。

此外，还可以采用烟道气回收利用一体化技术，在实现烟道气回收注入的同时，完成污水净化处理及烟气余热利用。

图2为烟道气回收利用一体化技术流程及烟气净化污水处理装置，首先利用油田污水吸收烟气余热及其中的SO2，将脱除SO2的烟气降温、干燥后与蒸汽混合注入地下，而吸收了SO2的污水经过处理后成为淡水可循环使用，实现节能减排的双重目标。若锅炉燃气中不含硫，烟道气回收过程可省略脱硫工序，直接将烟道气进行降温、除尘、脱水和增压后，注入井下驱油。

（a）烟道气回收利用一体化技术流程

（b）烟气净化污水处理装置

图2 烟道气回收利用一体化技术流程及烟气净化污水处理装置

烟道气回收及注入系统腐蚀的影响因素

1 烟道气组分

烟道气组分是影响烟道气回收及注入系统腐蚀的最重要因素，决定了腐蚀的类型及机理。若烟道气中仅含有CO2、N2、O2和水蒸气，那么该环境中的腐蚀主要受O2和CO2协同作用，O2的存在会使腐蚀产物由单一CO2腐蚀产物FeCO3转为铁的氧化物，导致腐蚀产物保护性降低，腐蚀速率增大。林海认为这是由于O2的强氧化性和阴极的吸氧反应加速了阳极金属的溶解，同时Fe2+氧化为Fe2O3或Fe(OH)3，而易沉积的Fe(OH)3为疏松多孔结构，无法充分保护基体金属。O2对CO2腐蚀产物膜的破坏机理见图3。然而，部分研究者认为，O2、CO2共存时O2的影响程度取决于其相对含量。

图3 O2对CO2产物膜破坏机理示意

另外，烟道气注入地层后与地层水混合会形成含O2-CO2共存的盐水环境，O2含量的增加也会加速该环境中的腐蚀过程。

此外，烟道气中的S、水蒸气和其他离子的含量也是影响腐蚀的重要因素。烟道气经过换热降温后，其中的水蒸气会凝结成液态水，烟气中含有的SO3等腐蚀性介质溶入其中，会形成低pH的溶液，对设备造成露点腐蚀。

对于N2和CO2单独捕集后注入的系统，烟道气中不含O，若在注入过程中也无O2进入，则地下注入系统中的腐蚀主要是CO2腐蚀，关于CO2腐蚀方面的研究较多，在此不做赘述。

2 烟道气压力

烟道气注入压力对腐蚀过程产生明显影响。一般认为，随着烟道气压力的升高，腐蚀介质的分压升高，腐蚀过程加剧。

秦国顺研究发现，在18% CO2+2% O2+80% N2+H2O环境中，烟道气压力的升高导致腐蚀性气体（CO2、O2）分压升高，从而使H+含量升高，在不同温度下N80钢的腐蚀速率均随着压力的升高而增大，如图4所示。

图4 不同温度下压力对N80钢腐蚀速率的影响

张丁涌等针对注烟道气稠油热采过程中管道输送烟道气酸凝结的问题，分析了烟道气入口压力对烟道气酸凝结点的影响。结果表明，入口烟道气压力降低，酸凝结点距离增大，管道腐蚀程度减轻。

3 温度

烟道气回收及注入系统的腐蚀程度也会受温度影响，主要原因是气体的溶解度和腐蚀产物膜会随温度发生变化。

陈龙俊研究发现，在O2+CO2环境中，温度的升高会加速电化学、化学和传质等与腐蚀相关的过程，同时会降低H2CO3和HCO3-的含量，在30~80 ℃条件下Q345R钢的腐蚀速率随着温度的升高而增大。

李威发现，在含80% N2、18% CO2、2% O2和0.0001% SO2的NaCl溶液中，在30~90 ℃条件下N80钢的腐蚀速率随温度的升高先增大后迅速减小，在60 ℃时腐蚀速率达到最大。这主要与腐蚀产物膜有关，在30 ℃和60 ℃时腐蚀产物膜疏松多孔，在90 ℃时腐蚀产物膜较致密，对基体的保护作用也增强。

李臻等发现在含CO2和O2的模拟采出水环境中，在低温（50 ℃）下N80钢的腐蚀类型以均匀腐蚀为主，在100 ℃下N80钢的局部腐蚀明显加剧，而在高温（150 ℃和200 ℃）下，局部腐蚀明显减轻，以均匀腐蚀为主。

图5为CO2和O2共存环境中不同温度下N80钢的平均腐蚀速率，可见N80的腐蚀速率随着温度的升高呈先增大后减小的趋势，并在100 ℃时腐蚀速率达到峰值，在200 ℃时腐蚀速率最小，分析认为这主要与不同温度下腐蚀产物膜的结构有关。

图5 在CO2和O2共存环境中不同温度下N80钢的腐蚀速率

秦国顺发现，在CO2+N2+O2+H2O环境中，在30~90 ℃范围内，受腐蚀化学反应速率和腐蚀产物膜性质的影响，N80钢的腐蚀速率随着温度的升高先增大后减小，在60 ℃时达到最大，这与李威的研究结论一致。

4 流速

流速的增加会促进CO2和O2等从溶液向金属表面扩散，增大腐蚀速率，同时也会对腐蚀产物膜产生一定的冲刷作用，使金属表面重新裸露于腐蚀介质中，进一步增大腐蚀速率。

赵帅等发现，随着流速的增加，L320钢在CO2/O2共存条件下的均匀腐蚀速率逐渐增大。

秦国顺发现，在CO2+N2+O2+H2O环境中，腐蚀介质与试样表面的传质速率随着流速的增加而增大，N80钢的腐蚀速率增大。

5 设备材料

受材料耐蚀性及腐蚀产物膜组织结构的影响，烟道气对不同材料的腐蚀程度也不同。目前烟道气回收及注入系统的设备及设施主要使用碳钢或低合金钢，添加Cr、Ni、Mo和Si等元素可以提高材料的耐蚀性。

在CO2、O2共存溶液中，随着P110钢中Cr含量的增加，材料的腐蚀速率逐渐减小，P110-7Cr钢的腐蚀速率为0.898 mm/a，仅为P110钢的1/6。

P110、P110-2Cr和P110-3Cr钢会发生局部腐蚀，且随着Cr含量的增加，蚀坑平均深度减小，平均面积增大；而P110-5Cr和P110-7Cr钢表面呈现均匀腐蚀形貌，这主要是由于在CO2、O2共存环境中Fe和Cr元素均参与阳极反应，使得蚀坑内部局部区域pH降低，溶液中的HCO3-及CO32-扩散至蚀坑内部，增大了FeCO3过饱和度，FeCO3形核速率增大，蚀坑底部局部位置晶粒细化，这对腐蚀起到一定的抑制作用。随着P110钢中Cr含量的增加，晶粒尺寸逐渐增大，其演变机理如图6所示。

图6 不同Cr含量P110钢的产物膜演变机理示意图

里清扬研究发现，在pH为3.8的烟气冷凝介质中，不锈钢、黄铜及紫铜的耐蚀性较好，而碳钢的耐蚀性较差。

根据辽河油田提供的条件，张贻刚发现，304不锈钢在60 ℃烟气脱硫环境中极易发生点蚀和缝隙腐蚀，不适合作为烟气脱硫塔及其零部件材料，而2205双相不锈钢具有一定的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能，可用作烟气脱硫塔装置及其零部件材料。

李威发现，在O2+CO2+N2+SO2+H2O环境中，4种材料的腐蚀速率由小到大依次为超级13Cr不锈钢、316L不锈钢、825合金钢和13Cr不锈钢，其腐蚀速率远低于相同环境中N80钢的腐蚀速率，也低于相同试验条件下添加缓蚀剂环境中N80钢的腐蚀速率，采用材料升级的方法，其防腐蚀效果优于添加缓蚀剂。

6 地层水水质

烟道气注入井下后会与地层水混合，因此地层水中的离子种类及含量会对腐蚀产生一定影响。一般认为，Cl-的存在会使溶液的导电性增加，Cl-会穿透腐蚀产物膜，导致钢的腐蚀速率增大。

秦国顺研究发现，在N2+CO2+O2环境中，随着腐蚀介质中NaHCO3和Na2CO3含量的增大，不同温度下N80钢的腐蚀速率都出现降低趋势，当NaHCO3和Na2CO3含量增加到一定程度后，N80钢腐蚀速率的变化趋于平缓。添加少量NaCl，N80钢的腐蚀速率会增大，但随着NaCl添加量的继续增加，腐蚀速率呈现先减小后逐渐增大的趋势。

此外，地层水的pH会通过溶液中铁的溶解反应和腐蚀产物的沉积过程影响腐蚀。在CO2+O2体系中，CO2的存在使溶液的pH降低，O2还原形成的OH-与H+发生中和反应，使溶液pH升高。pH升高会使FeCO3的溶解度降低，FeCO3易沉积，对基体起到保护作用。

陈龙俊研究发现，在O2+CO2模拟烟道气环境中，pH对阳极反应几乎没有任何影响，但严重影响阴极反应过程，Q345R钢的腐蚀速率随着pH的升高而减小。

腐蚀防护措施

1 工艺控制

目前，主要通过脱硫和脱水等方式进行烟道气回收系统的腐蚀控制。油田现场多采用湿法脱硫来降低烟道气中的SO2含量，等离子技术、催化氧化法脱硫技术、催化还原脱硫技术、电化学脱硫技术和生物脱硫技术等新型脱硫技术也不断得到优化和应用。其中，膜法脱硫技术可克服传统脱硫技术存在的缺陷，实现高效脱硫，而催化氧化法脱硫技术适用于低含量SO2的脱除。

液态水会加速酸性气体对管道和设备的腐蚀，因此一般需要对烟道气进行脱水。降温后的烟道气在进入压缩机增压前，可根据对脱水深度的要求选择分子筛脱水或冷干机脱水。分子筛脱水可以使烟道气脱水深度达到常压露点≤-40 ℃，冷干机脱水可以使烟道气脱水深度达到常压露点≤-20 ℃。一般烟道气中的水含量应小于0.2%。

辽河油田锦45块13-12井采用三级脱水冷冻干燥。一级脱水采用冷却沉降方法初步脱水，在常压下温度由250 ℃下降到40 ℃，水含量由18％下降到5.5％；二级脱水采用气体净化器通过纤维过滤，脱除粒径1～5 μm以上的水滴；三级脱水采用冷冻干燥法，相对湿度降至7％可有效防止烟道气对设备的腐蚀。

辽河油田J33-31块采用四级脱水技术（换热器脱除游离水、沉降分离器脱除雾状水、前置冷干机脱除常压溶解水和后置冷干机脱除1.2 MPa溶解水）使烟气露点降到-20 ℃。

此外，学者们对于烟道气回收处理工艺及其参数也开展了很多研究。基于辽河油田稠油区块开采情况，李金权提出了“一炉三注”的技术路线，将水蒸气、CO2和N2分别提取后再混合注入，可以有效减缓系统腐蚀，实现资源的综合利用和环保生产及效益的最大化。

通过预测烟道气酸露点温度及调整过量空气系数、烟道气注入温度和压力等工艺参数，将酸凝结位置控制在具有一定耐蚀性的设备或管线，这也是一种有效的腐蚀控制方法。

目前，关于酸露点温度的预测主要集中在燃煤锅炉烟气系统，尚未充分开展针对天然气锅炉烟道气中露点温度的预测。

辽河油田采用富集烟道气双注采油工艺时，制定了烟道气注入的主要技术指标：单井一次注入量（换算成地下体积）应大于3000 m3；烟道气的注入速率大于600 m3/h；烟道气注入的最高压力为15 MPa；注入温度大于140 ℃；注入烟道气的体积分数要求有φCO2＞10％、φH2O＜0.1％、φO2＜2％、φN2≈88％、φSO2=0；进入压缩机的烟气的相对湿度＜40％。

2 材料升级或涂覆涂层

目前，烟道气回收注入系统中应用较多的材料是碳钢或低合金钢，为提高材料耐蚀性，可以采用高Cr合金、316L不锈钢、非金属材料和非金属涂层等。

以辽河油田某套烟道气蒸汽辅助重力驱（SAGD）地面装置为例，冷却器与螺杆机之间的管道材料采用钢骨架增强聚乙烯复合管，烟道气经压缩机第一次增压后的管道材料采用316L不锈钢，烟道气预分离器采用无溶剂环氧涂料加牺牲阳极保护，压缩机关键的过流部件及空冷器管束材料采用不锈钢，罗茨鼓风机的过流部件材料采用化学镀镍。

对于烟道气脱硫除尘设备或管线材料，可以选用玻璃钢或提高金属焊接质量、优化结构设计等途径来降低腐蚀发生的机率。

3 添加缓蚀剂

对于烟道气注入系统，可采用加入缓蚀剂的方法控制腐蚀，但需要针对具体的环境条件进行缓蚀剂种类的筛选及缓蚀剂用量的评价。

李威将商用CO2缓蚀剂和O2缓蚀剂按1∶1体积比配制，研究发现在O2+CO2+N2+SO2环境中，N80钢的腐蚀速率随缓蚀剂用量的增加而减小，当缓蚀剂质量浓度为1000 mg/L时，缓蚀效率可达96.5%。

陈龙俊对Q345R钢在加入多种缓蚀的O2+CO2+H2O环境中的腐蚀情况进行了研究，发现大多数缓蚀剂在加入后没有达到理想的保护作用，均出现腐蚀速率增大的情况，只有加入大量的缓蚀剂才能起到效果；而在该环境中添加二（2-乙基己基）磷酸酯对Q345R钢起到了有效的缓蚀作用。

尚洪帅以工业BM油酸和二乙烯三胺为主要原料，合成了一种酰胺类缓蚀剂BMIA，与除氧剂水合肼按2∶3体积比复配，得到适用于O2+CO2环境的新型缓蚀体系BMIA-H，当缓蚀剂质量浓度为500 mg/L时，缓蚀率可达98.32%。

4 腐蚀监测

在烟道气回收及注入系统中，可以采取定点测厚、挂片监测及探针监测等方法进行腐蚀监测。定点测厚结合露点温度可预测易发生露点腐蚀的位置，通过定期定点测厚，及时发现腐蚀减薄位置。挂片监测主要是通过测试不同材料在工艺介质中的腐蚀情况，可为现用材料的腐蚀预测及材料筛选提供数据支持。探针监测可以提供具体工况下某种材料的实际腐蚀速率，方便技术人员及时了解介质的腐蚀性和材料的耐蚀性。工作人员在辽河油田工艺参数管线上设置了腐蚀挂片监测，在汇管处设置了腐蚀挂片和腐蚀探针监测。

结束语

烟道气回收及注入系统的腐蚀与烟道气组分、压力、温度、流速、材料和地层水质等因素密切相关。

不同的烟道气组分会形成不同的腐蚀环境，相同的组分、不同的组分占比也会影响腐蚀程度，O2、SO2和H2O含量的增加都会使金属的腐蚀速率增大。

烟道气压力和流速的增大也会提高金属材料在烟道气中的腐蚀速率。而温度的影响主要取决于腐蚀产物膜FeCO3的完整性和氧化膜的厚度及性质。在低pH和高Cl-含量的地层水中，金属的腐蚀速率也会增大。

合金钢在烟道气环境中的耐蚀性明显优于碳钢，且随着Cr含量的增加，材料的耐蚀性提高。

目前，常用的防腐蚀措施主要集中在工艺控制、添加缓蚀剂、材料升级和腐蚀监测方面。

考虑到O2及SO2的存在都会改变原CO2环境中的腐蚀产物膜，从而影响腐蚀速率，因此建议后期加强烟道气环境中腐蚀产物膜原位电化学行为的研究，对不同烟道气环境中腐蚀产物膜的形成机理及过程展开进一步研究。

另外，加强地层水中Cl-对不同烟道气环境中腐蚀产物膜的作用机理研究以及与Ca2+、CO32-和HCO3-等其他离子的协同作用机理研究。