Chương 8a ăn mòn mặt TRONG các THIẾT bị dầu KHÍ

Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
•
8.1 Khái niệm về dầu mỏ và mỏ dầu
a) Nguồn gốc dầu mỏ tự nhiên
•
Thuyết vô cơ: Carbon và hydro phản ứng ở nhiệt độ và áp suất
cao tạo thành dầu và khí, sau đó chúng thấm qua các đá xốp và
tích tụ lại dưới đất.
•
Thuyết hữu cơ: Xác chết của các sinh vật trên mặt đất và trong
biển bị phân hủy tạo ra các nhiên liệu hóa thạch.
Theo thuyết hữu cơ thì lượng dầu mỏ được tạo thành trong 50
triệu năm gần đây gần như bằng lượng dầu mỏ tạo thành trong 450
triệu năm trước đó.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
b) Tính chất của dầu mỏ
•
Dầu mỏ là hỗn hợp tự nhiên của các loại hydrocarbon với các hợp chất của
lưu huỳnh,ni tơ, oxy.
•
Nhìn bề ngoài, dầu mỏ là chất lỏng có màu nâu.
•
Độ nhớt của dầu mỏ khác nhau phụ thuộc vào thành phần của dầu mỏ.
•
Dầu mỏ có thể cháy, tỏa ra đến 10.000 calo/kg.
•
Dầu mỏ nằm trong các đá xốp (trong cát, đá vôi, đá sét).
•
Dầu mỏ không hòa tan trong nước và có trọng lượng riêng nhỏ hơn nước.

Vì thế, trong các mỏ dầu nước luôn chiếm phần dưới, còn khí chiếm phần
trên cùng của mỏ dầu.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
c) Nhiệt độ và áp suất khí trong mỏ dầu:
Khoan sâu xuống lòng đất thì thấy nhiệt độ tăng dần: trung bình
đi sâu vào lòng đất cứ khoảng 30 mét thì nhiệt độ tăng lên 1oC.
Đối với các mỏ dầu thì cứ xuống sâu chừng 20m thì nhiệt độ tăng
lên 1oC.
Ở độ sâu mỏ dầu 2.000m, nhiệt độ đạt tới khoảng 110oC.
Ở độ sâu mỏ dầu 10.000m, nhiệt độ đạt tới khoảng 500oC.
-
Áp suất khí trong các mỏ dầu dao động trong giới hạn rộng, từ
vài atmosphe tới hơn 120 atmosphe.
Thay đổi về nhiệt độ và áp suất trong giếng
như hàm số của độ sâu
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
d) Các tính chất vật lý của dầu mỏ
-
Trọng lượng riêng của dầu mỏ 0,82- 0,90g/cm3.
-
Trọng lượng phân tử các phần chiết của dầu mỏ phụ thuộc vào
nhiệt độ sôi:
Giới hạn nhiệt độ sôi, oC Trọng lượng phân tử
50-100 90
100-150 110
150-200 130
200 -250 155
500 -550 412

550 - 600 480
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.2 Thành phần hóa học của dầu mỏ
* Thành phần nguyên tố: Dầu mỏ chứa khoảng 1-2% oxy; ni tơ ≤
0,2%; lưu huỳnh tới vài phần trăm; carbon 83-87%; hydro 12-14%.
•
Hàm lượng alkan trong dầu mỏ và trong khí đồng hành:
•
Alkan là các chất dạng khí, lỏng hoặc rắn.
Các hợp chất dạng khí chứa trong mạch 1-4 nguyên tử carbon (C1-
C4); các chất lỏng là C5 – C15; bắt đầu từ C16 là chất rắn ở nhiệt
độ thường, gồm parafin và xerezin. Khi nhiệt độ cao hơn 40oC, các
chất rắn này bị hòa tan hoàn toàn trong dầu mỏ.
* Hydrocarbon thơm (Aren) chứa trong dầu 10-20% khối lượng.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.3 Thành phần khí tự nhiên
Metan CH4
Etan C2H6
Propan C3H8
n- Butan C4H10
Carbon dioxyt (Anhydric carbonic, Khí carbonic) CO2
Hydrosunfua H2S
Ni tơ N2
Phân tích khí ở một giếng khai thác
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.4 Các chất ăn mòn chủ yếu trong hệ thống khai thác dầu khí:
•

Hydro sunfua (H2S) - Chất khí độc, có mùi trứng thối, hòa tan nhiều
trong nước tạo thành axit sunfuhydric (H2S). Ăn mòn do H2S gây ra
gọi là ăn mòn chua (sour corrosion);
•
Carbon dioxyt (CO2) tạo thành axit carbonic (H2CO3) trong nước. Ăn
mòn do CO2 gây ra gọi là ăn mòn ngọt (sweet corrosion);
•
Oxy (O2): Thậm chí lượng rất nhỏ khí oxy cũng làm tăng đột ngột tốc
độ các phản ứng ăn mòn điện hóa kim loại ;
* Các vi khuẩn (Bacteria - MIC):sinh ra các sản phẩm phụ là các chất ăn
mòn kim loại.
Tốc độ ăn mòn thép phụ thuộc vào nồng độ các khí hòa tan
trong nước: O2 ăn mòn 80 lần hơn CO2 và 400 lần hơn H2S.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.5 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến ăn mòn kim loại :
* Các chất rắn hòa tan hoàn toàn: Độ dẫn điện của dung dịch tăng theo
nồng độ các ion hòa tan.
•
Nhiệt độ: Nhiệt tăng lên làm cho các phân tử chuyển động nhanh hơn;
* Áp suất: Độ hòa tan của các khí tăng lên với sự tăng của áp suất.
•
Kết luận: Nói chung, tốc độ ăn mòn kim loại tăng lên khi:
- Tăng nồng độ các chất rắn hòa tan;
-
Tăng nhiệt độ;
-
Tăng áp suất;
-
Giảm độ pH dung dịch.

Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.6 Môi trường trong đường ống dẫn khí và condensate có
ảnh hưởng đến thế năng ăn mòn kim loại:
•
Các loại hydrocarbon trơ (metan, etan,propan, n-butan );
* Sự thay đổi nồng độ của các chất ăn mòn (H2S và/hoặc CO2);
•
Pha hydrocarbon lỏng (gas condensate);
*Hàm lượng nước dạng lỏng có chứa các muối;
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
* Vận tốc khí trên bề mặt đường ống:
- Vận tốc tới hạn là < 3m/s (10ft/s);
-
Hư hỏng nhiều nhất xảy ra với chế độ chảy bị phân tầng;
-
Nếu muốn tăng vận tốc cao hơn 3m/s thì phải tăng đường kính
ống;
-
Phải thận trọng hơn khi sử dụng vận tốc 5m/s (15ft/s);
-
Cần phải phân tán đều chất ức chế ăn mòn bên trong đường
ống.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.7 Ăn mòn kim loại trong các bồn chứa hydrocarbon lỏng
(dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ)
*Ăn mòn mạnh các thiết bị của mỏ dầu – khí thường xảy ra trên
ranh giới phân chia 2 pha không trộn lẫn: Hydrocarbon – Chất

điện ly;
•
Ăn mòn nhanh ở phần đáy của bồn chứa dầu mỏ và các sản
phẩm dầu mỏ, của các đường ống dẫn dầu và khí, của thiết bị
khử nhũ tương dầu mỏ.
*Tốc độ ăn mòn thép trong môi trường 2 pha không trộn lẫn cao
hơn hẳn so với trong pha nước riêng biệt hoặc pha dầu riêng biệt.
HÌnh 8.1 Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn thép vào logarit nồng độ dung dịch NaCl:
(1) Nhúng ngập trong dung dịch NaCl <(3) Hệ dung dịch NaCl – hydrocarbon< (2)
Hệ dung dịch NaCl – không khí
Hình 8.2: Sơ đồ ranh giới 3 pha: Kim loại – Chất điện ly- Hydrocarbon. Ăn mòn
thép mạnh nhất ở vùng mặt khum (tức là ở ranh giới tiếp xúc 3 pha, do hydro
carbon như bồn chứa nhiều khí oxy hòa tan)
Ăn mòn thép bởi H2S trong chất lỏng 2 pha không trộn lẫn: 1,2,3 –Thay đổi theo thời gian của mặt khum 2 chất
lỏng không trộn lẫn trên ranh giới với kim loại; 4-Mặt phân chia trong thể tích; 5- FeS;6- Giọt ẩm trên bề mặt gỉ;
7- Mẫu thép
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.8 Ăn mòn mặt trong đường ống dẫn khí (gas) và
hydrocarbon lỏng (gas condensate)
Trong thành phần của khí và hydrocarbon lỏng luôn có mặt nước.
Khi vận chuyển, lớp nước mỏng áp sát vào bề mặt đường ống và
gây ra ăn mòn kim loại. Hydrocarbon lỏng trượt phía trên lớp
nước mỏng đó. Bên trong của vòng này là dòng khí chuyển vận
với tốc độ lớn hơn chất lỏng. Từ đó rõ ràng rằng, có sự khác nhau
rõ rệt về điều kiện ăn mòn trực tiếp trên thành ống và trong lõi
của dòng chảy hỗn hợp “khí – condensate- nước ” (hình 1). Chiều
dày của màng nước bị giảm khi tăng tốc độ của dòng chảy và của

áp suất (hình 2).
Hình 1: Cấu tạo của dòng chảy 3 pha (khí –condensate – nước):
1- Thành ống; 2- Nước; 3- Condensate;
4-Các giọt nước; 5-Các giọt condensate
Hình 2:Mặt cắt ngang của dòng 2 pha “khí – chất lỏng”
với các giọt chất lỏng lơ lửng
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
8.9Ăn mòn ngọt bởi CO2
Carbon dioxyt kết hợp với nước thành axit carbonic (làm
giảm giá trị pH)
CO2 + H2O  H2CO3;
H2CO3 ↔ HCO3- + H+ ; HCO3- ↔ H+ + CO32-
Phản ứng anot: Fe  Fe2+ + 2e-
Phản ứng catot: 2H+ + 2e- H2
Phản ứng thứ cấp : Fe2+ + CO32-  FeCO3
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU
KHÍ
a) Ảnh hưởng của áp suất riêng phần CO2
*Áp suất riêng phần của một khí có thể xác định theo công thức: Áp suất
riêng phần của khí = Áp suất tổng x (% khí)
Ví dụ: Đáy giếng khoan dầu khí có áp suất tổng là 4000psi và nồng độ khí
CO2 là 2%, thì áp suất riêng phần của khí CO2 trong giếng khoan là:
P CO2 = 4000psi x 2% = 80 psi.
*Mức độ ăn mòn thép bởi axit carbonic phụ thuộc vào áp suất riêng phần
của khí CO2 :
P CO2 < 4psi thép không bị ăn mòn;
P CO2 = 4 -10 psi thép bị ăn mòn nhẹ;
P CO2 > 10psi ăn mòn thép xảy ra.
Chương VIII. ĂN MÒN MẶT TRONG CÁC THIẾT BỊ DẦU

KHÍ
b) Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến sự ăn mòn ngọt:
•
Tăng áp suất làm tăng nồng độ của các khí ăn mòn (CO2, H2S) trong nước,
dẫn đến làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại;
•
Tăng nhiệt độ làm tăng hoạt độ và tốc độ vận chuyển của các chất ăn mòn,
nên cũng làm tăng tốc độ ăn mòn kim loại. Nhưng ở nhiệt độ cao, cặn sắt
carbit [Iron carbide, Siderite] sẽ tạo thành như một lớp bảo vệ, làm giảm tốc
độ ăn mòn thép.
•
Ăn mòn do CO2 được tặng cường khi có mặt oxy và các axit hữu cơ, chúng
hòa tan lớp bảo vệ sắt carbit và ngăn ngừa sự tảo thành sắt carbit sau đó;
•
Sự có mặt bicarbonat cải thiện tính kiềm của chất lỏng, do đó, làm giảm hoạt
tính ăn mòn của môi trường.