謝明1,2,3  張強1,2,3

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

摘要：四川長(cháng)寧頁(yè)巖氣田開(kāi)采過(guò)程中集輸系統面臨沖刷腐蝕、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)“非侵入式砂含量測試技術(shù)”明確了頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中集輸系統砂含量變化，結合頁(yè)巖氣現場(chǎng)失效狀況，掌握了砂含量變化對集輸系統腐蝕影響。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；沖刷腐蝕；細菌腐蝕

隨著(zhù)全球天然氣市場(chǎng)需求的不斷增長(cháng)，世界各國越來(lái)越重視非常規天然氣特別是對頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)與利用。目前，我國正在全國范圍內對頁(yè)巖氣進(jìn)行資源評價(jià)，預計到2020年底，全國將形成300億方頁(yè)巖氣產(chǎn)能。我國首個(gè)國家級頁(yè)巖氣示范區長(cháng)寧—威遠頁(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，對其造成嚴重的沖刷腐蝕等問(wèn)題。

1 現場(chǎng)沖刷腐蝕問(wèn)題

1.1 現場(chǎng)工況

長(cháng)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20 ~40萬(wàn)m3/d，產(chǎn)水量可達100 ~200 m3/d，平臺處理氣量可達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℃，平臺集輸系統壓力約為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?xún)�，產(chǎn)水量約為30 m3/d以?xún)�，平臺處理氣量約在60萬(wàn)m3/d以?xún)�。生產(chǎn)階段井口溫度約為40~50℃，流程溫度約為30~40℃，平臺集輸系統壓力約為5~8 MPa。排采期，長(cháng)寧頁(yè)巖氣單井出砂量最高達到了10 t/d，集輸系統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運動(dòng)而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結果。根據介質(zhì)可將沖蝕磨損分為兩大類(lèi)：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），從而對材料表面施加機械力。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(lèi)型[3]，如表2所示。

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

1.3 砂礫含量測定

砂含量是沖刷腐蝕的主控因素之一。砂礫在管道內隨氣液介質(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，將其轉換為電信號傳送給主機，主機將電信號收集并計算出該點(diǎn)在測試時(shí)間內通過(guò)的最少砂量，如圖3所示。

圖3 砂礫監測設備工作原理

使用“非侵入式砂含量測試技術(shù)”測得長(cháng)寧頁(yè)巖氣某排采平臺集輸系統砂含量變化，如表3所示。

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

圖4 排污管線(xiàn)彎頭快速減薄

2 實(shí)驗室腐蝕模擬評價(jià)

排采完畢后，集輸系統內部介質(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價(jià)[4]。

2.1 不同產(chǎn)出液條件下金屬材料腐蝕評價(jià)

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

圖5 不同產(chǎn)出液條件下腐蝕評價(jià)實(shí)驗

基于不同產(chǎn)出液條件下L360N材料腐蝕評價(jià)結果，初步得出以下結論。

（1）試片在H10生產(chǎn)平臺水樣中，出現了極嚴重腐蝕.

（2）試片在H3、H4、H9、H12生產(chǎn)平臺水樣中，出現了嚴重腐蝕。

（3）試片在寧201中心站和H5排采平臺水樣中，均為中度腐蝕。

（4）試片在7個(gè)生產(chǎn)平臺的產(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價(jià)

實(shí)驗選取了某生產(chǎn)平臺產(chǎn)出液作為液體環(huán)境，并根據現場(chǎng)測試結果設置了5種不同砂量。實(shí)驗溫度40 ℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，轉速為1 500  r/min，結果如圖6所示。

圖6 不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評價(jià)

在溫度、壓力、轉速和液體環(huán)境不變的環(huán)境中，基于不同砂含量條件下L360N材料腐蝕評價(jià)結果，初步得出以下結論。

（1）隨著(zhù)加砂量不斷增大，試片腐蝕速率不斷增大；

（2）當加砂量增大到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)榱藝乐馗�蝕。

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

2.3 不同流速條件下金屬材料腐蝕評價(jià)

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

圖7 不同流速條件下金屬材料腐蝕評價(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材料腐蝕評價(jià)結果，初步得出以下結論。

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

（2）當轉速為200 r/min ，即反應釜內液體流速為0.1 m/s時(shí)，試片的腐蝕速率明顯增大，腐蝕程度為極嚴重腐蝕。原因為轉速過(guò)低，反應釜內液體流速過(guò)低，實(shí)驗過(guò)程中電化學(xué)腐蝕作用遠大于石英砂對試片的機械磨損。

3 結論

（1） 通過(guò)現場(chǎng)調研發(fā)現，長(cháng)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)生于集輸系統的排污管線(xiàn)。

（2）砂含量測定結果表明：長(cháng)寧頁(yè)巖氣集輸系統高出砂期為排采階段高排液期，持續時(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)驗結果表明：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：

[1] 路民旭，白真權，趙新偉，等. 油氣采集儲運中的腐蝕現狀及典型案例[J]. 腐蝕與防護，2002，23(3):105-113.

[2] 代真，段志祥，沈士明. 流體力學(xué)因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[[J]. 技術(shù)產(chǎn)品版，2006: 4-7.

[3] Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy. Erosion-corrosion failure of a carbon steel pipe elbow-A case study [C]. NACE, 2009, Paper No.09479.

[4] 付靜，周曉君，袁輝. 油田管線(xiàn)液固兩相流動(dòng)磨蝕實(shí)驗研究[J]. 管道技術(shù)與設備，2004, (3): 37-38.

基金項目：中國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)項目“長(cháng)寧頁(yè)巖氣集輸系統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），現就職于中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院，從事頁(yè)巖氣腐蝕與防護研究工作。

《管道保護》2018年第4期（總第41期）