關于天然氣集輸系統新型緩蝕劑的應用研究

張連平

摘要：涪陵頁巖氣田是我國首個進行大型商業化開采的示范性頁巖氣田，采用水平井分段壓裂技術，壓裂工況苛刻，壓裂壓力、流速和砂含量高。產出水成分復雜，細菌含量高，腐蝕影響因素多，地面集輸系統自2014年陸續出現腐蝕穿孔，穿孔頻率隨生產時間增加逐漸上升，影響頁巖氣田安全開發。本文針對涪陵頁巖氣田集輸系統的腐蝕與控制技術開展研究，簡要分析了集輸系統腐蝕穿孔原因、特征，形成了壓裂液細菌控制、集氣站高效氣、液、固分離、污水管和污水罐的材質選擇、集氣站管徑及管道工藝優化、緩蝕劑加注、腐蝕監測及智能清管檢測的全流程成套防腐技術。

關鍵詞：天然氣集輸系統;腐蝕;緩蝕劑加注;應用效果;經濟效益;社會效益

一、研究背景及意義

涪陵頁巖氣田是我國首個大型示范性頁巖氣田，以焦頁1井獲得商業頁巖氣為標志，中國石化乃至中國頁巖氣開發取得了歷史性突破，從此進入高速發展階段，2013年9月焦頁1井被國家能源局設立為重慶涪陵國家級頁巖氣示范區。

自2014年涪陵頁巖氣田的多個集氣站的埋地管道，污水管、污水罐、彎頭及三通已經出現了腐蝕穿孔，部分部位發生了多次腐蝕穿孔，在氣田開發后期，集氣系統的腐蝕問題將表現得更加嚴重。目前國內針對頁巖氣生產過程設備腐蝕問題，殺菌劑、緩蝕劑開發及性能評估及現場應用方面研究報道很少。因此，開展集氣站污水管道和污水罐等發生腐蝕穿孔的原因分析，集輸管道腐蝕風險，腐蝕規律及機理，地面集輸系統的腐蝕防護技術研究對于中石化頁巖氣開發具有重要的意義。

二、集輸干線腐蝕原因

由江漢油田分公司和中國石化青島安全工程研究院聯合開展攻關的2016年先導項目《涪陵頁巖氣田地面集輸系統防腐技術研究》對地面集輸系統的腐蝕原因及機理進行了研究，研究結果如下：

系統研究了地面集氣站污水罐、污水管和集氣管線的腐蝕規律分布特征。污水管和污水罐的最短穿孔時間分別為217天和162 天，最大穿孔速率分別為5.9mm/y和13.5mm/y，主要為腐蝕及沖刷等導致穿孔;集氣站集氣管線的最短穿孔時間為132 天，穿孔主要發生在彎頭，水平管，彎頭焊縫，立管和三通等部位。涪陵氣田地面集輸系統腐蝕的主要影響因素包括氯離子，成垢離子及細菌等，水樣中的細菌來源于地面加注水和地下水。涪陵氣田集氣站產生的污水均存在細菌，氯離子含量較高，污水礦化度高，成垢離子含量高等特征;地面集輸系統的腐蝕機理相同，均為細菌腐蝕和垢下腐蝕是導致管道底部腐蝕穿孔的主要原因，水中的Cl-加速了腐蝕穿孔的發生。

三、集輸干線腐蝕狀況

2018年4月28日在白濤脫水站1#分離器處安裝了編號為F3和F4的腐蝕掛片（2018年6月～9月在DN300管道開展了緩蝕劑加注實驗），2018年9月2日在2#脫水站進站處安裝了編號為003和604的腐蝕掛片，上述4個腐蝕掛片均于2018年12月13日取出，4個試樣均懸掛在氣相，未直接與管道底部的產出水接觸。四個腐蝕掛片均發生了明顯的小孔腐蝕，F3和F4的均勻腐蝕速率約為0.002mm/y，最大小孔腐蝕速率為0.13mm/y;003和604的均勻腐蝕速率約為0.008mm/y，最大小孔腐蝕速率為0.27mm/y。

通過對2015年～2018年在DN300和DN550集輸干線的腐蝕掛片進行統計，統計結果表示：根據Q/SH0468/2012標準，DN300和DN550集輸干線的均勻腐蝕等級均為低，DN300集輸干線的小孔腐蝕等級為中等，DN550集輸干線的小孔腐蝕等級為高～嚴重級別。

四、緩蝕劑類型

針對涪陵頁巖氣田集輸系統存在的細菌腐蝕、氯離子腐蝕及垢下腐蝕等共同作用的腐蝕特征，中國石化青島安全工程研究院研制了兩種新型、綠色、頁巖氣專用緩蝕劑RISE-16-1和RISE-16-2，具有緩蝕、殺菌、阻垢、耐沖刷的效果及用量少、效果高、低毒環保的特點，建立了產出水中緩蝕劑殘余濃度定量分析方法。

緩蝕劑研制RISE-16-1和RlSE-16-2緩蝕劑是水溶油分散吸附成膜型緩蝕劑，主劑分子結構上含有多個強吸附官能團，緩蝕劑中的小分子增效劑填充在主劑分子結構縫隙增強緩蝕劑膜的完整性與致密性，在金屬表面形成持久穩定的嵌入式復合膜。緩蝕劑與多種優選的殺菌、阻垢及增效等成分以科學的比例搭配復合在一起，主要由脂肪烴和芳香烴的混合物、碳氫化合物、咪唑啉衍生物及陽離子胺等組成。金屬表面的結垢是由于腐蝕和碳酸鹽等引起的，緩蝕劑通過在金屬表面形成有機吸附膜，疏水的非極性鍵可隔離腐蝕性介質與金屬表面接觸，保護金屬不受腐蝕，減少腐蝕造成的結垢，同時由于絡合作用增加了碳酸鹽的溶解度，又可以避免形成碳酸鈣垢等。因此，緩蝕劑各成分之間相互取長補短，并產生協同增效作用，有效防止陰、陽離子結合成垢，對集輸系統產出水的結垢有很好的抑制作用，有效殺滅和抑制細菌生長，使緩蝕劑能夠在金屬表面形成多中心吸附時沖刷的致密疏水性保護層，從而阻礙與腐蝕反應有關的電荷或物質的轉移，達到保護和防止腐蝕的目的。因此，RISE-16-1和RISE-16-2緩蝕劑具有緩蝕、殺菌、阻垢、時沖劇的效果及用量少、效率高、低毒環保的特點。為了避免細菌對殺菌劑形成耐藥性，現場使用時RISE16-1和RISE-16-2緩蝕劑交替加注。

五、緩蝕劑加注與效果

我公司從2018年6月開始在涪陵頁巖氣田44-4井、40#集氣站、集輸支線、DN300和DN550集氣干線分別開展了現場緩蝕劑加注。具體加注情況及現場應用效果如下：

5.1、φ168集氣支線緩蝕劑加注與效果

2018年6月～9月在涪陵頁巖氣田9#集氣站連續加注緩蝕劑保護φ168集氣支線。兩種緩蝕劑每15天交替一次。在10-1井氣液分離后DN100天然氣管道和9號集氣站φ168集氣支線上分別掛片監測緩蝕劑加注前后的腐蝕情況。

未加緩蝕劑時，50天后φ168集氣支線上掛片表面腐蝕產物較多，均勻腐蝕速率為0.022mm/y，發生了明顯的小孔腐蝕。加注50天緩蝕劑后，掛片表面光亮，腐蝕產物很少，可見金屬打磨痕跡，均勻腐蝕速率降為0.007mm/y，未發生小孔腐蝕。

5.2、40#集氣站緩蝕劑加注與效果

2018年10月～12月期間在40#集氣站生產匯管開展緩蝕劑連續加注實驗。前10天按照260ppm連續加注RISE-16-1緩蝕劑，然后按照100ppm連續加注10天RISE-16-2緩蝕劑和20天RISE-16-1緩蝕劑。在生產分離器入口掛片監測加注緩蝕劑后的腐蝕情況，加注40天緩蝕劑后掛片均勻腐蝕速率為0.001mm/y，表面光亮，未出現小孔腐蝕。

5.3、DN300和DN550集輸干線緩蝕劑加注與效果

2018年12月在DN300和DN550集輸干線起點11#和12#集氣站連續加注緩蝕劑RISE-16-1，對兩條集輸干線進行腐蝕保護，并在11#和12#集氣站和白濤脫水站進行腐蝕掛片，在白濤1#脫水站2#分離器和2#脫水站3#分離器取水樣，測量鐵含量、細菌含量及緩蝕劑殘余濃度。

1）DN300集輸干線

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為460ppm，SRB細菌為250000個/mL，掛片表面出現了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.17mm/y。

緩蝕劑加注量少，僅為0.098L/萬方，加注10天緩蝕劑后，鐵離子濃度降為110ppm。加注6天緩蝕劑后，SRB細菌降為0.9個/mL，停止加注緩蝕劑7天后，SRB細菌為0個/mL。緩蝕劑殘余濃度為49ppm時鐵離子濃度仍然沒有增加，對DN300集氣干線腐蝕仍有抑制作用。

在距離緩蝕劑加注點20公里的白濤1#脫水站安裝腐蝕掛片，加注17天緩蝕劑后掛片表面光亮，無小孔腐蝕，均勻腐蝕速率為0.002mm/y。

2）DN550集輸干線

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為910ppm，SRB細菌為600000個/mL，掛片表面出現了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.45mm/y。

緩蝕劑加注量為0.15L/萬方，加注10天緩蝕劑后，鐵離子濃度降為100ppm。加注9天緩蝕劑后，SRB細菌降為0.5個/mL，停止加注緩蝕劑7天后，SRB細菌為0個/mL。緩蝕劑殘余濃度為44ppm時鐵離子濃度仍然沒有增加，對DN550集氣干線腐蝕有抑制作用。

在緩蝕劑加注起點和距離28公里的白濤2#脫水站分別安裝腐蝕掛片，加注緩蝕劑20天后掛片表面光亮，無小孔腐蝕，均勻腐蝕速率分別為0.003mm/y和0.002mm/y。

5.4、44-4井緩蝕劑加注與效果

2018年3月～4月在44-4井以沖擊方式加注緩蝕劑，前2天以25L/天加注RISE-16-1緩蝕劑，然后每3天加注一次，每次50L，15天后換成RISE-16-2緩蝕劑，在44-4井井口及計量分離器分別掛片監測緩蝕劑在44-4井和集氣站的緩蝕效果。

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為129ppm，井口腐蝕掛片的均勻腐蝕速率為0.014mm/y，出現了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.25mm/y。

加注22天后鐵離子濃度降為15ppm，加注30天緩蝕劑后，井口和集氣站計量分離器處掛片表面光亮，均勻腐蝕速率分別為0.005mm/y和0.006mm/y，未發生小孔腐蝕。

上述工業應用表明，RISE-16-1和RISE-16-2緩蝕劑滿足現場應用要求，用量少，可控制均勻腐蝕速率小于0.076mm/y，不出現小孔腐蝕，有良好的緩蝕、殺菌、阻垢和抗沖刷效果，可有效控制井下管柱和集輸系統的腐蝕。

六、研究成果應用情況

本項目的研究成果在涪陵頁巖氣田開發中獲得了良好的應用效果有效控制了集輸系統的腐蝕。

基于項目對細菌來源和腐蝕原因分析，中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發有限公司在頁巖氣田生產運行中增加了產出水細菌測量分析項目，采取了壓裂液細菌控制、污水管、污水罐的材質更換和集氣支干線定期清管等腐蝕控制措施。研制的兩種緩蝕劑在44-4井、40#集氣站、集輸支線、DN300和DN550集氣干線獲得了良好的緩蝕、殺菌、阻垢和耐沖刷現場應用效果，有效抑制了結垢和小孔腐蝕發生。采用緩蝕劑殘余濃度定量分析方法對一期44-4井、白濤脫水站的30余個產出水水樣進行了測量，提高了緩蝕劑應用的經濟性和有效性。

研究成果還對二期設計和安全運行有指導作用，在二期建設設計中采納了該項目提出的建議措施，調整了集氣站計量方式，更換了污水管和污水罐材質，優化了污水罐與氣液分離器結構、站內工藝管線管徑與流程，增設了集氣支干線的腐蝕監控與智能清管檢測等措施，取得了明顯的現場應用效果。

本項目成果還可以在中國石化西南分公司，華東分公司、國內其它頁巖氣田及天然氣田推廣應用，具有良好的推廣應用前景。

七、經濟效益和社會效益

7.1 經濟效益

本項目成果的應用取得了良好的經濟技術效果。

1）一期集氣站維修費用節省約1500萬元/年;引起的生產費用若按照搶修計算，平均1次維修2天，1個集氣站平均每年維修2次，影響產量平均20萬方/次，影響產量費用為5700萬/年;集輸支干線排液、清管與腐蝕控制成本降低1000萬元/年;

2）二期污水罐投資節約150萬元，污水管和污水罐更換材質后，降低了腐蝕風險，節約了維修費用，全部投產后維修及腐蝕控制成本降低1300萬元/年以上。

3）二期改為單井連續計量工藝后，分離器的氣液分離效果更好，集氣站管線積液減少，降低了集氣站、集輸支干線的腐蝕穿孔風險，產生了良好的間接效益。

7.2 社會效益

涪陵頁巖氣田建成的100億方產能對緩解我國天然氣供需矛盾，降低對外依存度，提升保障能力，改善民生需求，促進節能減排，防治大氣污染都具有意義。本項目研究成果的實施和應用有效避免了非計劃停工和惡性事故的發生，保障了天然氣的持續穩定供應。自2015年起，涪陵頁巖氣通過“川氣東送”管道，源源不斷地為長江經濟帶發展提供清潔能源，惠及沿線六省二市70多個城市，上千家企業、2億多居民從中受益。涪陵頁巖氣田的順利開發對促進我國產業結構調整和區域經濟社會發展發揮了重要作用，對我國頁巖氣勘探開發具有很強的示范引領作用，顯著提升了國內頁巖氣產業發展的信心，具有顯著的社會效益。

參考文獻：

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