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采研發中心；3. 中國石油天然氣集團公司高含硫氣藏開采先導試驗基地

摘要：四川長寧頁巖氣田開采過程中集輸系統面臨沖刷腐蝕、電化學腐蝕等問題。砂含量是頁巖氣沖刷腐蝕問題的主控因素之一，通過“非侵入式砂含量測試技術”明確了頁巖氣開采過程中集輸系統砂含量變化，結合頁巖氣現場失效狀況，掌握了砂含量變化對集輸系統腐蝕影響。同時，比較了不同產出液、砂含量、流速條件下金屬材料腐蝕變化，結果表明：積液/砂環境中的電化學腐蝕程度與返排液離子組分、砂礫覆蓋金屬材料面積有關，腐蝕速率在0.1~0.2 mm/a。低流速環境中的電化學腐蝕速率與流速、砂含量變化有關，腐蝕速率在0.02 ~0.15 mm/a。

關鍵詞：頁巖氣；集輸系統；沖刷腐蝕；細菌腐蝕

隨著全球天然氣市場需求的不斷增長，世界各國越來越重視非常規天然氣特別是對頁巖氣的開發與利用。目前，我國正在全國范圍內對頁巖氣進行資源評價，預計到2020年底，全國將形成300億方頁巖氣產能。我國首個國家級頁巖氣示范區長寧—威遠頁巖氣田普遍使用加砂水力壓裂工藝。壓裂完畢，開始生產后，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題。

1 現場沖刷腐蝕問題

1.1 現場工況

長寧頁巖氣開采過程主要分為排采和生產兩個階段。排采階段頁巖氣井產氣量高、產水量大、出砂較多，單井產氣量可達20 ~40萬m3/d，產水量可達100 ~200 m3/d，平臺處理氣量可達100萬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。生產階段頁巖氣井產氣量、產水量、出砂量較排采階段大幅下降，單井產氣量約為10萬m3/d以內，產水量約為30 m3/d以內，平臺處理氣量約在60萬m3/d以內。生產階段井口溫度約為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，長寧頁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而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕協同作用的結果。根據介質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]。流動介質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。如果按流動介質及第二相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類型[3]，如表2所示。

長寧頁巖氣主要表現為噴砂式沖蝕，即高流速高砂量介質直接沖擊集輸系統管壁，導致其短時間內減薄穿孔。

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流動，遇到彎頭時流動狀態發生劇烈變化。砂礫沖擊管壁后因慣性作用將沿管壁繼續向前流動，如圖2所示。

圖2 彎頭處砂礫流動狀態

砂礫撞擊彎頭時會產生震動噪音，且噪音頻率遠高于氣液介質撞擊彎頭產生的噪音頻率。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在測試時間內通過的最少砂量，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”測得長寧頁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，排采平臺排污管線彎頭壁厚短時間內快速減薄。彎頭使用27天，壁厚減薄量達到了42.73 mm，如圖4所示。

圖4 排污管線彎頭快速減薄

2 實驗室腐蝕模擬評價

排采完畢后，集輸系統內部介質流速降低，砂含量降低，為進一步模擬正式生產過程中集輸系統腐蝕問題，開展了不同產出液、砂含量、流速條件下金屬材料腐蝕評價[4]。

2.1 不同產出液條件下金屬材料腐蝕評價

選取了7個平臺的現場水樣開展實驗，試片材料為現場集輸系統使用的L360N，如圖5所示。

圖5 不同產出液條件下腐蝕評價實驗

基于不同產出液條件下L360N材料腐蝕評價結果，初步得出以下結論。

（1）試片在H10生產平臺水樣中，出現了極嚴重腐蝕.

（2）試片在H3、H4、H9、H12生產平臺水樣中，出現了嚴重腐蝕。

（3）試片在寧201中心站和H5排采平臺水樣中，均為中度腐蝕。

（4）試片在7個生產平臺的產出液中，均為中度腐蝕。

2.2 不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評價

實驗選取了某生產平臺產出液作為液體環境，并根據現場測試結果設置了5種不同砂量。實驗溫度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

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

（1）隨著加砂量不斷增大，試片腐蝕速率不斷增大；

（2）當加砂量增大到217.8 g/L時，試片的腐蝕速率明顯增大，且腐蝕程度由中度腐蝕變為了嚴重腐蝕。

因此，在低流速且砂含量較低的環境中，集輸系統主要為電化學腐蝕；當砂量較高時，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

實驗選取了某生產平臺的水樣作為液體環境，加砂量為217.8 g/L，實驗溫度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

在溫度、壓力、加砂量和液體環境不變的環境中，基于不同流速條件下L360N材料腐蝕評價結果，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，試片的腐蝕速率基本沒有變化，腐蝕程度均為嚴重腐蝕，主要是電化學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，試片的腐蝕速率明顯增大，腐蝕程度為極嚴重腐蝕。原因為轉速過低，反應釜內液體流速過低，實驗過程中電化學腐蝕作用遠大于石英砂對試片的機械磨損。

3 結論

（1） 通過現場調研發現，長寧頁巖氣沖刷腐蝕問題主要發生在排采階段，且集中發生于集輸系統的排污管線。

（2）砂含量測定結果表明：長寧頁巖氣集輸系統高出砂期為排采階段高排液期，持續時間一般為2~3天。生產階段井底幾乎不出砂，但在頁巖氣井提液或氣舉作業時，會造成井底短時間出砂量增加。

（3）分析研究了不同流速、不同產出液和不同砂含量條件下，金屬材料的腐蝕變化程度。實驗結果表明：積液/砂環境中的電化學腐蝕程度與返排液離子組分、砂礫覆蓋金屬材料面積有關，腐蝕速率在0.1 mm/a~0.2 mm/a。低流速環境中的電化學腐蝕速率與流速、砂含量變化有關，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. 流體力學因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[[J]. 技術產品版，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. 油田管線液固兩相流動磨蝕實驗研究[J]. 管道技術與設備，2004, (3): 37-38.

基金項目：中國石油西南油氣田分公司2017年科學研究與技術開發項目“長寧頁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年畢業于西南石油大學，研究生學歷（工學碩士），現就職于中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院，從事頁巖氣腐蝕與防護研究工作。

《管道保護》2018年第4期（總第41期）