1 現(xian)場沖刷腐(fu)蝕問題

1.1 現場工況(kuang)

長寧(ning)頁(ye)巖氣開采(cai)過程主要分(fen)為排采(cai)和生產(chan)兩個階段。排采(cai)階段頁(ye)巖氣井產(chan)氣量(liang)高、產(chan)水量(liang)大、出砂較多，單井產(chan)氣量(liang)可(ke)達20～40萬 m3/d，產(chan)水量(liang)可(ke)達100～200 m3/d，平臺處理(li)氣(qi)量可達(da)100萬 m?/d左右。排(pai)(pai)采(cai)階(jie)段(duan)井口溫度約(yue)為60～70℃，流程(cheng)溫度約(yue)為40~50℃，平臺集輸系(xi)統壓力(li)約(yue)為20～30 MPa。生產階(jie)段(duan)頁(ye)巖氣(qi)井產氣(qi)量、產水量、出砂量較排(pai)(pai)采(cai)階(jie)段(duan)大幅下降，單井產氣(qi)量約(yue)為10萬 m3/d以內，產水量約為30 m?/d以內，平臺(tai)處理氣量約在(zai)60萬 m3/d以內。生產階段(duan)井口(kou)溫度約為(wei)40～50℃，流程(cheng)溫度約為(wei)30～40℃，平臺集(ji)輸系(xi)統壓力約為(wei)5～8 MPa。排采期，長寧頁巖氣單(dan)井出砂量(liang)最高(gao)達到(dao)了10 t/d，集(ji)輸系(xi)統部件沖(chong)刷(shua)腐蝕失效問題明(ming)顯(xian)，如表 1、圖 1所示。

圖1 排采平(ping)臺沖(chong)刷腐(fu)蝕失(shi)效部件

1.2 沖(chong)刷腐蝕

沖(chong)刷腐蝕(shi)（Erosion-Corrosion） [1]是(shi)(shi)金(jin)屬表(biao)面與腐蝕(shi)流體之(zhi)間由于高(gao)速(su)相(xiang)對運動而(er)引起的金(jin)屬損壞現象，是(shi)(shi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)受(shou)沖(chong)刷和(he)腐蝕(shi)協同作用(yong)的結果。根據(ju)介質可(ke)將沖(chong)蝕(shi)磨(mo)損分為兩大類(lei)：氣(qi)液(ye)(ye)(ye)噴(pen)砂型(xing)沖(chong)蝕(shi)及(ji)液(ye)(ye)(ye)流或水滴型(xing)沖(chong)蝕(shi)[2]。流動介質中攜帶的第二相(xiang)可(ke)以(yi)是(shi)(shi)固體粒子、液(ye)(ye)(ye)滴或氣(qi)泡，它們有的直接沖(chong)擊材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面，有的則在表(biao)面上潰(kui)滅（氣(qi)泡），從而(er)對材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面施加機械力。如果按(an)流動介質及(ji)第二相(xiang)排列組合，則可(ke)把(ba)沖(chong)蝕(shi)磨(mo)損分為四種類(lei)型(xing)[3]，如表(biao) 2所(suo)示(shi)。

長寧頁巖氣主要表現為噴砂式沖蝕(shi)，即高流速高砂量介質直(zhi)接沖擊(ji)集(ji)輸系統(tong)管壁，導致(zhi)其(qi)短時間內減(jian)薄穿孔。

1.3 砂礫(li)含量測定

砂含量是沖(chong)刷(shua)腐蝕的主(zhu)控因素之一。砂礫(li)在管(guan)(guan)道內隨氣液介質流(liu)動，遇(yu)到彎頭時流(liu)動狀態發(fa)生劇(ju)烈變化(hua)。砂礫(li)沖(chong)擊管(guan)(guan)壁(bi)后因慣性(xing)作用將沿(yan)管(guan)(guan)壁(bi)繼續向前流(liu)動，如圖 2所示。

圖2 彎頭處砂礫流(liu)動(dong)狀態

砂礫撞擊彎頭(tou)(tou)(tou)時會產生(sheng)震動噪(zao)音(yin)，且噪(zao)音(yin)頻(pin)率遠高于(yu)氣液介質撞擊彎頭(tou)(tou)(tou)產生(sheng)的噪(zao)音(yin)頻(pin)率。探頭(tou)(tou)(tou)在彎頭(tou)(tou)(tou)下游(you)收集到高頻(pin)噪(zao)音(yin)后，將其轉換為電信號(hao)傳送給主(zhu)(zhu)機，主(zhu)(zhu)機將電信號(hao)收集并計算出(chu)該(gai)點(dian)在測試時間(jian)內通過的最少砂量，如圖 3所示(shi)。

圖(tu)3砂(sha)礫監測設備工(gong)作(zuo)原理

使用“非(fei)侵入(ru)式砂含量測試技術”測得長寧頁巖氣某排(pai)(pai)采平臺(tai)集輸系統砂含量變化，如表 3所示(shi)(shi)。在此(ci)工況條件下，排(pai)(pai)采平臺(tai)排(pai)(pai)污(wu)管線彎頭(tou)壁厚短(duan)時間內快速減(jian)薄。彎頭(tou)使用27天，壁厚減(jian)薄量達(da)到了42.73 mm，如圖 4所示(shi)(shi)。

圖 4排污管(guan)線彎(wan)頭快速減薄

2 實驗室腐蝕模擬評(ping)價

排(pai)采完畢后，集輸(shu)系統內部(bu)介質流速降低(di)(di)，砂含量降低(di)(di)，為進一步模擬(ni)正式生產(chan)(chan)過(guo)程中集輸(shu)系統腐(fu)蝕問題(ti)，開展了不同(tong)產(chan)(chan)出液(ye)、砂含量、流速條件下(xia)金屬材料腐(fu)蝕評價(jia)[4]。

2.1 不同產出(chu)液條件下金屬材料(liao)腐蝕評(ping)價

選(xuan)取(qu)了7個平臺的現(xian)場(chang)水樣(yang)開展(zhan)實驗，試片材(cai)料為現(xian)場(chang)集(ji)輸(shu)系統(tong)使用(yong)的L360N，如圖 5所示。

圖 5不同(tong)產出液條(tiao)件下腐蝕評價實驗

基于不(bu)同產出(chu)液條(tiao)件下L360N材料腐蝕評(ping)價結果，初(chu)步得出(chu)以下結論。

（1）試片在H10生產平臺(tai)水樣中，出(chu)現(xian)了(le)極嚴重腐(fu)蝕。

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

（3）試片在寧201中(zhong)心(xin)站和H5排(pai)采平臺水樣(yang)中(zhong)，均(jun)為中(zhong)度腐(fu)蝕。

（4）試(shi)片在7個生產平臺的(de)產出液中，均(jun)為中度腐蝕(shi)。

2.2 不同砂含量條件下金(jin)屬材料腐蝕評(ping)價

實(shi)驗(yan)選取了某生產平臺產出液作(zuo)為(wei)液體環境，并根據現(xian)場測試結(jie)(jie)果(guo)(guo)設置(zhi)了5種不同砂(sha)量。實(shi)驗(yan)溫度40℃，壓力6 MPa，二氧(yang)化碳(tan)分(fen)壓0.1 MPa，轉速為(wei)1500 r/min，結(jie)(jie)果(guo)(guo)如圖 6所示(shi)。

圖 6不同砂含量條件下(xia)金(jin)屬材料腐蝕評(ping)價(jia)

在溫(wen)度、壓(ya)力、轉(zhuan)速和液體環境不變的環境中，基于(yu)不同砂(sha)含(han)量條件下(xia)(xia)L360N材料(liao)腐蝕評(ping)價(jia)結果，初步得出(chu)以下(xia)(xia)結論。

（1）隨著(zhu)加砂(sha)量(liang)不斷(duan)增大，試片腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率不斷(duan)增大；（2）當(dang)加砂(sha)量(liang)增大到217.8 g/L時(shi)，試片的腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率明(ming)顯(xian)增大，且腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)程度由中度腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)變(bian)為了嚴重腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。

因此，在低流速且砂(sha)含量(liang)較低的環境中，集輸系統主要為電化學腐(fu)蝕；當砂(sha)量(liang)較高時，也(ye)增強了(le)腐(fu)蝕影(ying)響。

2.3 不(bu)同(tong)流速條件(jian)下金屬材料腐蝕評價(jia)

實驗選取了(le)某生產平臺(tai)的水(shui)樣作(zuo)為(wei)液(ye)體(ti)環境，加砂量(liang)為(wei)217.8 g/L，實驗溫(wen)度(du)40℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，結果如圖7所(suo)示。

圖 7不同(tong)流速條件下金屬材料腐(fu)蝕(shi)評價

在溫度、壓力、加砂量(liang)和液體環境(jing)不(bu)變的環境(jing)中，基(ji)于不(bu)同流速條件(jian)下(xia)L360N材(cai)料腐蝕(shi)評價(jia)結果，初步得出以下(xia)結論(lun)。

（1）當轉速(su)處(chu)于1 500～500 r/min，即反應釜(fu)內(nei)液體流速(su)處(chu)于0.3～1.6 m/s時(shi)，試片(pian)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率(lv)基本沒有變化，腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)程度均為(wei)嚴重腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，主要是電化學(xue)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)和(he)沖刷腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的(de)相互作用；（2）當轉速(su)為(wei)200 r/min ，即反應釜(fu)內(nei)液體流速(su)為(wei)0.1 m/s時(shi)，試片(pian)的(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率(lv)明顯(xian)增大，腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)程度為(wei)極嚴重腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)。原因為(wei)轉速(su)過(guo)低(di)，反應釜(fu)內(nei)液體流速(su)過(guo)低(di)，實驗過(guo)程中(zhong)電化學(xue)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)作用遠大于石英砂對試片(pian)的(de)機械磨損。

3 結論(lun)

（1） 通(tong)過現場調研發(fa)現，長寧頁巖氣沖刷腐蝕問題主要發(fa)生在排采階段，且(qie)集(ji)(ji)中(zhong)發(fa)生于集(ji)(ji)輸(shu)系統(tong)的排污(wu)管線(xian)。

（2）砂(sha)含量(liang)測定(ding)結果(guo)表明：長(chang)寧(ning)頁巖(yan)(yan)氣(qi)集輸系統高出砂(sha)期為排(pai)采階段(duan)高排(pai)液期，持續時間(jian)一般為2～3天。生產階段(duan)井(jing)(jing)底幾乎(hu)不出砂(sha)，但在(zai)頁巖(yan)(yan)氣(qi)井(jing)(jing)提液或氣(qi)舉作(zuo)業(ye)時，會造成井(jing)(jing)底短時間(jian)出砂(sha)量(liang)增加。

（3）分析研(yan)究(jiu)了不同(tong)流(liu)速(su)、不同(tong)產出液(ye)和(he)不同(tong)砂(sha)含(han)量條件下，金(jin)屬材料的腐蝕(shi)變化(hua)程度。實(shi)驗結果表(biao)明：積液(ye)/砂(sha)環境中的電化(hua)學腐蝕(shi)程度與返(fan)排液(ye)離子(zi)組分、砂(sha)礫(li)覆蓋金(jin)屬材料面積有關，腐蝕(shi)速(su)率在0.1 mm/a～0.2 mm/a。低流(liu)速(su)環境中的電化(hua)學腐蝕(shi)速(su)率與流(liu)速(su)、砂(sha)含(han)量變化(hua)有關，腐蝕(shi)速(su)率在0.02 mm/a～0.15 mm/a。

參考文獻(xian)：

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基金項目：中(zhong)國石油西(xi)南油氣田分(fen)公(gong)司2017年科(ke)學研究(jiu)與技(ji)術(shu)開發項目“長(chang)寧頁巖氣集輸系統含砂條件(jian)下(xia)腐蝕分(fen)析與控制措施研究(jiu)”（20170304-07）。

作者：謝明， 1989年生，男，四(si)川南充人，工(gong)程(cheng)師，2015年畢業于西南石油(you)大(da)學(xue)，研(yan)究(jiu)生學(xue)歷(li)（工(gong)學(xue)碩士），現(xian)就職于中(zhong)國石油(you)西南油(you)氣田(tian)分公司(si)天然氣研(yan)究(jiu)院，從事頁(ye)巖氣腐蝕與防(fang)護研(yan)究(jiu)工(gong)作。