謝明1,2,3  張強(qiáng)1,2,3

1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院； 2. 國(guó)家能源高含硫氣藏開(kāi)采研發(fā)中心；3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)基地

摘要：四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田開(kāi)采過(guò)程中集輸系統(tǒng)面臨沖刷腐蝕、電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題。砂含量是頁(yè)巖氣沖刷腐蝕問(wèn)題的主控因素之一，通過(guò)“非侵入式砂含量測(cè)試技術(shù)”明確了頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中集輸系統(tǒng)砂含量變化，結(jié)合頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)失效狀況，掌握了砂含量變化對(duì)集輸系統(tǒng)腐蝕影響。同時(shí)，比較了不同產(chǎn)出液、砂含量、流速條件下金屬材料腐蝕變化，結(jié)果表明：積液/砂環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕程度與返排液離子組分、砂礫覆蓋金屬材料面積有關(guān)，腐蝕速率在0.1~0.2 mm/a。低流速環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕速率與流速、砂含量變化有關(guān)，腐蝕速率在0.02 ~0.15 mm/a。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；集輸系統(tǒng)；沖刷腐蝕；細(xì)菌腐蝕

隨著全球天然氣市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，世界各國(guó)越來(lái)越重視非常規(guī)天然氣特別是對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)與利用。目前，我國(guó)正在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行資源評(píng)價(jià)，預(yù)計(jì)到2020年底，全國(guó)將形成300億方頁(yè)巖氣產(chǎn)能。我國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣田普遍使用加砂水力壓裂工藝。壓裂完畢，開(kāi)始生產(chǎn)后，注入地層的大量壓裂液及固體顆粒（石英砂及陶粒）將返排至地面集輸系統(tǒng)，對(duì)其造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕等問(wèn)題。

1 現(xiàn)場(chǎng)沖刷腐蝕問(wèn)題

1.1 現(xiàn)場(chǎng)工況

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程主要分為排采和生產(chǎn)兩個(gè)階段。排采階段頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量大、出砂較多，單井產(chǎn)氣量可達(dá)20 ~40萬(wàn)m3/d，產(chǎn)水量可達(dá)100 ~200 m3/d，平臺(tái)處理氣量可達(dá)100萬(wàn)m3/d左右。排采階段井口溫度約為60~70℃，流程溫度約為40~50℃，平臺(tái)集輸系統(tǒng)壓力約為20 ~30 MPa。生產(chǎn)階段頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、出砂量較排采階段大幅下降，單井產(chǎn)氣量約為10萬(wàn)m3/d以內(nèi)，產(chǎn)水量約為30 m3/d以內(nèi)，平臺(tái)處理氣量約在60萬(wàn)m3/d以內(nèi)。生產(chǎn)階段井口溫度約為40~50℃，流程溫度約為30~40℃，平臺(tái)集輸系統(tǒng)壓力約為5~8 MPa。排采期，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣單井出砂量最高達(dá)到了10 t/d，集輸系統(tǒng)部件沖刷腐蝕失效問(wèn)題明顯，如表1、圖1所示。

圖1 排采平臺(tái)沖刷腐蝕失效部件

1.2 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕（Erosion-Corrosion）[1]是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。根據(jù)介質(zhì)可將沖蝕磨損分為兩大類：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕[2]。流動(dòng)介質(zhì)中攜帶的第二相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅（氣泡），從而對(duì)材料表面施加機(jī)械力。如果按流動(dòng)介質(zhì)及第二相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類型[3]，如表2所示。

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣主要表現(xiàn)為噴砂式?jīng)_蝕，即高流速高砂量介質(zhì)直接沖擊集輸系統(tǒng)管壁，導(dǎo)致其短時(shí)間內(nèi)減薄穿孔。

1.3 砂礫含量測(cè)定

砂含量是沖刷腐蝕的主控因素之一。砂礫在管道內(nèi)隨氣液介質(zhì)流動(dòng)，遇到彎頭時(shí)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生劇烈變化。砂礫沖擊管壁后因慣性作用將沿管壁繼續(xù)向前流動(dòng)，如圖2所示。

圖2 彎頭處砂礫流動(dòng)狀態(tài)

砂礫撞擊彎頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)噪音，且噪音頻率遠(yuǎn)高于氣液介質(zhì)撞擊彎頭產(chǎn)生的噪音頻率。探頭在彎頭下游收集到高頻噪音后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給主機(jī)，主機(jī)將電信號(hào)收集并計(jì)算出該點(diǎn)在測(cè)試時(shí)間內(nèi)通過(guò)的最少砂量，如圖3所示。

圖3 砂礫監(jiān)測(cè)設(shè)備工作原理

使用“非侵入式砂含量測(cè)試技術(shù)”測(cè)得長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣某排采平臺(tái)集輸系統(tǒng)砂含量變化，如表3所示。

在此工況條件下，排采平臺(tái)排污管線彎頭壁厚短時(shí)間內(nèi)快速減薄。彎頭使用27天，壁厚減薄量達(dá)到了42.73 mm，如圖4所示。

圖4 排污管線彎頭快速減薄

2 實(shí)驗(yàn)室腐蝕模擬評(píng)價(jià)

排采完畢后，集輸系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)流速降低，砂含量降低，為進(jìn)一步模擬正式生產(chǎn)過(guò)程中集輸系統(tǒng)腐蝕問(wèn)題，開(kāi)展了不同產(chǎn)出液、砂含量、流速條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)[4]。

2.1 不同產(chǎn)出液條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)

選取了7個(gè)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)水樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，試片材料為現(xiàn)場(chǎng)集輸系統(tǒng)使用的L360N，如圖5所示。

圖5 不同產(chǎn)出液條件下腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

基于不同產(chǎn)出液條件下L360N材料腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）試片在H10生產(chǎn)平臺(tái)水樣中，出現(xiàn)了極嚴(yán)重腐蝕.

（2）試片在H3、H4、H9、H12生產(chǎn)平臺(tái)水樣中，出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕。

（3）試片在寧201中心站和H5排采平臺(tái)水樣中，均為中度腐蝕。

（4）試片在7個(gè)生產(chǎn)平臺(tái)的產(chǎn)出液中，均為中度腐蝕。

2.2 不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)選取了某生產(chǎn)平臺(tái)產(chǎn)出液作為液體環(huán)境，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果設(shè)置了5種不同砂量。實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，轉(zhuǎn)速為1 500  r/min，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)

在溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和液體環(huán)境不變的環(huán)境中，基于不同砂含量條件下L360N材料腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）隨著加砂量不斷增大，試片腐蝕速率不斷增大；

（2）當(dāng)加砂量增大到217.8 g/L時(shí)，試片的腐蝕速率明顯增大，且腐蝕程度由中度腐蝕變?yōu)榱藝?yán)重腐蝕。

因此，在低流速且砂含量較低的環(huán)境中，集輸系統(tǒng)主要為電化學(xué)腐蝕；當(dāng)砂量較高時(shí)，也增強(qiáng)了腐蝕影響。

2.3 不同流速條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)選取了某生產(chǎn)平臺(tái)的水樣作為液體環(huán)境，加砂量為217.8 g/L，實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同流速條件下金屬材料腐蝕評(píng)價(jià)

在溫度、壓力、加砂量和液體環(huán)境不變的環(huán)境中，基于不同流速條件下L360N材料腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速處于1 500 ~500  r/min，即反應(yīng)釜內(nèi)液體流速處于0.3 m/s~1.6  m/s時(shí)，試片的腐蝕速率基本沒(méi)有變化，腐蝕程度均為嚴(yán)重腐蝕，主要是電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕的相互作用；

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min ，即反應(yīng)釜內(nèi)液體流速為0.1 m/s時(shí)，試片的腐蝕速率明顯增大，腐蝕程度為極嚴(yán)重腐蝕。原因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)低，反應(yīng)釜內(nèi)液體流速過(guò)低，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電化學(xué)腐蝕作用遠(yuǎn)大于石英砂對(duì)試片的機(jī)械磨損。

3 結(jié)論

（1） 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣沖刷腐蝕問(wèn)題主要發(fā)生在排采階段，且集中發(fā)生于集輸系統(tǒng)的排污管線。

（2）砂含量測(cè)定結(jié)果表明：長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)高出砂期為排采階段高排液期，持續(xù)時(shí)間一般為2~3天。生產(chǎn)階段井底幾乎不出砂，但在頁(yè)巖氣井提液或氣舉作業(yè)時(shí)，會(huì)造成井底短時(shí)間出砂量增加。

（3）分析研究了不同流速、不同產(chǎn)出液和不同砂含量條件下，金屬材料的腐蝕變化程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：積液/砂環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕程度與返排液離子組分、砂礫覆蓋金屬材料面積有關(guān)，腐蝕速率在0.1 mm/a~0.2 mm/a。低流速環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕速率與流速、砂含量變化有關(guān)，腐蝕速率在0.02 mm/a~0.15 mm/a。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：中國(guó)石油西南油氣田分公司2017年科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)含砂條件下腐蝕分析與控制措施研究”（20170304-07）。

作者：謝明，1989年生，男，四川南充人，工程師，2015年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，研究生學(xué)歷（工學(xué)碩士），現(xiàn)就職于中國(guó)石油西南油氣田分公司天然氣研究院，從事頁(yè)巖氣腐蝕與防護(hù)研究工作。

《管道保護(hù)》2018年第4期（總第41期）