元壩高含硫氣田地面系統(tǒng)腐蝕主控因素研究

孫天禮 朱國 梁中紅 于曉雨 王兵 曾德智

1.中國石化西南油氣分公司采氣二廠 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”·西南石油大學(xué)

高含硫氣田的腐蝕問題是制約氣田安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。從眾多因素中找出對腐蝕影響程度較大的因素，對氣田腐蝕防護(hù)具有重要意義。通常采用模擬實(shí)驗(yàn)來確定各種因素對腐蝕的影響規(guī)律和影響程度，會耗費(fèi)較多的人力、物力和時(shí)間。為獲得因變量的主控因素，灰關(guān)聯(lián)在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域及腐蝕領(lǐng)域得到了良好的應(yīng)用。朱相榮采用灰關(guān)聯(lián)分析法得到鋼材在海水中的主要腐蝕因素[1]，趙景茂根據(jù)灰關(guān)聯(lián)原理討論了流速、CO2分壓、產(chǎn)出水中HCO3-含量對氣井腐蝕的顯著影響[2]，盧會霞將灰關(guān)聯(lián)分析應(yīng)用于采油污水腐蝕因素的確定[3]。元壩氣田天然氣中H2S、CO2含量高，隨著氣田出水量增大、礦化度升高，地面系統(tǒng)腐蝕環(huán)境越來越復(fù)雜，受室內(nèi)模擬試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法完全模擬地面系統(tǒng)腐蝕環(huán)境。為找出影響元壩氣田地面系統(tǒng)腐蝕的主控因素，依據(jù)灰關(guān)聯(lián)理論，對元壩氣田地面系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而確定各因素對腐蝕的影響程度，為氣田制定針對性的腐蝕防護(hù)措施提供依據(jù)。

1 元壩地面系統(tǒng)腐蝕影響因素分析

元壩氣田地面系統(tǒng)為典型的氣液混輸工藝，集氣站采用加熱、節(jié)流、保溫的濕氣混輸工藝，集輸管材采用抗硫鋼L360QS。圖1為元壩YB01集氣井站工藝流程圖，站內(nèi)包含YB01井采氣管線、YB02井來氣管線和YB03井來氣管線，各條管線上安裝有腐蝕掛片CC和電阻探針ER監(jiān)測管線腐蝕情況。現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測裝置見圖2。

前期研究結(jié)果表明[4-5]，元壩氣田的腐蝕影響因素繁多且復(fù)雜，主要包括：溫度、CO2分壓、H2S分壓、液氣比、pH值、礦化度、Cl-含量、緩蝕劑殘余濃度。

(1) 溫度對腐蝕的影響。YB01井采氣管線溫度在50 ℃左右，YB02、YB03井來氣管線溫度約40 ℃。研究認(rèn)為，高含硫天然氣地面管線L360QS鋼溫度越高，腐蝕反應(yīng)越快，腐蝕速率越高[6-8]。

(2) CO2/H2S分壓對腐蝕的影響。元壩氣田高含H2S、CO2，H2S體積分?jǐn)?shù)為2.70%～8.44%，H2S分壓為0.297 0～0.928 4 MPa，CO2體積分?jǐn)?shù)為3.12%～15.5%，CO2分壓為0.343 2～1.705 0 MPa。元壩氣田原料氣管線p(CO2)/p(H2S)為0.45～2.16，根據(jù)分壓比判斷，該氣田管線的腐蝕以H2S為主導(dǎo)[10-11]。

(3) 液氣比對腐蝕的影響。當(dāng)天然氣通過節(jié)流閥壓力下降時(shí)，管道中飽和天然氣會析出游離水，天然氣中的CO2和H2S均溶于水中，使水具有強(qiáng)腐蝕性，加劇了管道的腐蝕[12-14]。元壩氣田產(chǎn)水量大，液氣比逐漸增高，目前為1.5×10-5～2.5×10-5，游離水受重力作用在管道底部形成積液，進(jìn)一步加重了腐蝕。

(4) pH值對腐蝕的影響。元壩集氣站pH值在3.5～3.8之間小幅波動。pH值表示溶液的酸堿度，pH值越大，酸度越小，H+含量減少，氫原子還原速度降低，去極化效果減弱，因此會降低腐蝕速率[15-16]。

(5) 礦化度對腐蝕的影響。元壩氣田水的礦化度較高，為5 000～25 000 mg/L，溶液結(jié)垢傾向大，加劇了腐蝕電化學(xué)反應(yīng)[17]。

(6) Cl-含量對腐蝕的影響。Cl-具有選擇通過性，能透過腐蝕產(chǎn)物膜，并在界面密集，促使膜下蝕坑向縱向發(fā)展，造成腐蝕穿孔[18-19]；另一方面，溶液中Cl-含量較高時(shí)，會降低酸性氣體在溶液中的溶解度，從而減緩金屬腐蝕[20]。YB01井采氣管線Cl-含量波動范圍較大，高時(shí)達(dá)到7 600 mg/L，較低為1 000 mg/L，YB02和YB03井管線Cl-含量相對較低。YB01管線存在較高腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)。

(7) 緩蝕劑殘余濃度。元壩氣田采用“抗硫管材+站場緩蝕劑連續(xù)加注+站外管線緩蝕劑批處理涂膜+智能清管”的內(nèi)防腐工藝，緩蝕劑批處理涂膜是通過兩只清管器夾帶油溶性緩蝕劑，使管線內(nèi)壁形成均勻的厚度不小于0.1 mm緩蝕劑保護(hù)膜[21]。站內(nèi)分離器或收球筒設(shè)置有取樣口，分析該點(diǎn)緩蝕劑殘余濃度，一般通過緩蝕劑殘余濃度變化和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷緩蝕劑防護(hù)效果。

綜上所述，影響元壩氣田地面系統(tǒng)的腐蝕因素眾多，難確定腐蝕主控因素。在確保管道腐蝕安全的前提下，如何優(yōu)化當(dāng)前的防腐工藝以降低生產(chǎn)運(yùn)行成本是當(dāng)前亟待解決的問題。為此，提出利用數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)手段進(jìn)行分析。

2 基于工況和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的腐蝕因素相關(guān)性分析

通過上述分析，找出了影響地面系統(tǒng)腐蝕的各種工況因素，利用灰關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行分析時(shí)，首先應(yīng)收集足夠的生產(chǎn)工況參數(shù)和腐蝕速率數(shù)據(jù)樣本，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，評價(jià)生產(chǎn)工況參數(shù)與腐蝕的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而確定地面系統(tǒng)的腐蝕主控因素。

2.1 多因素灰關(guān)聯(lián)分析

首先，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理。2017年1月～2019年10月，YB01集氣站內(nèi)YB01井采氣管線、YB02井來氣管線、YB03井來氣管線的CO2分壓、H2S分壓、pH值、Cl-含量、礦化度、液氣比、緩蝕劑殘余濃度及腐蝕速率分別見表1～表3，腐蝕速率數(shù)據(jù)來源于各條管線上安裝的電阻探針ER監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于統(tǒng)計(jì)時(shí)3條管線每月的溫度基本不變，故未考慮溫度對腐蝕速率的影響。然后，以各表中待評估的腐蝕影響因素作為自變量，以管道腐蝕速率作為因變量，進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析計(jì)算。步驟如下：

表1 YB01井采氣管線生產(chǎn)工況參數(shù)和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)日期p(CO2)/kPap(H2S)/kPapH值ρ(Cl-)/(mg·L-1)礦化度/(mg·L-1)液氣比緩蝕劑殘余濃度/(mg·L-1)腐蝕速率/(mm·a-1)2017.01498.91609.353.566 052.4510 246.141.48E-05147.030.000 342017.02503.91585.703.567 695.0312 699.511.48E-0584.450.001 232017.03506.11564.033.585 733.599 651.521.48E-0591.020.000 28………………………2019.10505.34595.543.56644.079351.961.48E-05450.590.001 91

表2 YB02井來氣管線生產(chǎn)工況參數(shù)和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)日期p(CO2)/kPap(H2S)/kPapH值ρ(Cl-)/(mg·L-1)礦化度/(mg·L-1)液氣比緩蝕劑殘余濃度/(mg·L-1)腐蝕速率/(mm·a-1)2017.01312.30342.303.70730.471 879.201.80E-05129.970.000 362017.02313.41372.563.66762.302 067.271.74E-05100.640.000 742017.03308.02319.813.75658.631 689.291.85E-0559.500.000 71………………………2019.10316.04345.793.73491.485 895.921.67E-056 668.780.002 64

表3 YB03井來氣管線生產(chǎn)工況參數(shù)和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)日期p(CO2)/kPap(H2S)/kPapH值ρ(Cl-)/(mg·L-1)礦化度/(mg·L-1)液氣比緩蝕劑殘余濃度/(mg·L-1)腐蝕速率/(mm·a-1)2017.01165.50253.023.801 512.055 214.702.21E-05104.140.000 082017.02190.54374.073.761 525.333 870.092.15E-0584.450.000 742017.03185.75361.333.7850.212 525.502.27E-0557.750.000 16………………………2019.10181.87345.123.783 987.789 485.822.26E-055 026.260.000 39

(1) 確定數(shù)據(jù)序列。以YB01井采氣管線生產(chǎn)工況參數(shù)和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)表1為例，表1中7列YB01腐蝕影響因素的自變量列和1列YB01腐蝕速率的因變量列，每列包括33行數(shù)據(jù)構(gòu)成如下序列：

χ11，χ21，…，χ71，y1
χ12，χ22，…，χ72，y2
χ13，χ23，…，χ73，y3
………………
χ1m，χ2m，…，χ7m，ym

(2) 數(shù)據(jù)均值化處理。首先將以上自變量數(shù)據(jù)χ進(jìn)行均值化處理：

(1)

于是得到7個(gè)子序列：

={1.000 39，1.010 43，1.014 84，…，1.013 29}

={1.041 15，1.000 74，0.963 72，…，1.017 57}

………………

={1.000 67，1.001 24，1.001 05，…，1}

其次，對因變量y進(jìn)行均值化處理，得到一個(gè)母序列為：

={0.998 31，1.010 55，1.015 94，…，1.014 05}

(3) 各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算。

(2)

(4) 關(guān)聯(lián)度計(jì)算。為方便比較，將得到的關(guān)聯(lián)度序列取平均值，得到一個(gè)值稱為灰關(guān)聯(lián)度：

(3)

由灰色關(guān)聯(lián)分析原理可知，關(guān)聯(lián)度γ值的變化范圍為(0，1)。一般認(rèn)為，γ值大于0.7才有影響[22]。若某腐蝕因素的關(guān)聯(lián)度值大于0.95，說明該腐蝕因素與腐蝕速率相關(guān)性大。

2.2 結(jié)果分析與討論

對收集到的腐蝕影響因素工況參數(shù)和腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)分析，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各因素關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果關(guān)聯(lián)度CO2分壓H2S分壓pH值Cl-含量礦化度緩蝕劑殘余濃度液氣比YB01管線γ0.907 10.911 010.907 00.878 70.884 60.833 80.908 1YB02管線γ0.790 50.790 900.789 80.777 50.774 70.738 60.792 2YB03管線γ0.805 20.804 500.802 90.797 40.797 90.788 10.807 9

從表4可看出，影響YB01井采氣管線腐蝕速率大小的因素依次排序?yàn)椋篐2S分壓>液氣比>CO2分壓>pH值>礦化度>Cl-含量>緩蝕劑殘余濃度；影響YB02井來氣管線腐蝕速率大小的因素依次排序?yàn)椋阂簹獗?H2S分壓>CO2分壓>pH值>Cl-含量>礦化度>緩蝕劑殘余濃度；影響YB03井來氣管線腐蝕速率大小的因素依次排序?yàn)椋阂簹獗?CO2分壓>H2S分壓>pH值>礦化度>Cl-含量>緩蝕劑殘余濃度。由此說明，H2S分壓、液氣比、CO2分壓是3條不同井管線的主要腐蝕因素。

從表1～表4可以看出，YB01井采氣管線的H2S分壓最大，同時(shí)3條管線中YB01井采氣管線的腐蝕速率最大，計(jì)算得的H2S關(guān)聯(lián)度也最大，在3條管線中H2S分壓對YB01井采氣管線腐蝕影響程度最大；YB03井來氣管線液氣比最大，就是說此管線單位立方米天然氣中氣田水含量最大，但計(jì)算結(jié)果依然為YB01管線液氣比關(guān)聯(lián)度最大，說明YB02和YB03作為來氣管線，經(jīng)過緩蝕劑涂膜和管線清管等防護(hù)措施后，各腐蝕因素對腐蝕影響程度降低，而YB01管線是氣井采氣管線，各腐蝕因素與腐蝕速率相關(guān)性較大。

針對灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，采氣管線YB01中H2S、CO2分壓和液氣比對腐蝕影響程度較大。2017年1月～2019年10月，YB01緩蝕劑連續(xù)加注量為每百萬立方米天然氣25.5 L。而YB02和YB03來氣管線緩蝕劑批處理涂膜加注量為每百萬立方米天然氣27 L，兩條管線的H2S/CO2腐蝕受到抑制，使H2S、CO2與腐蝕的關(guān)聯(lián)度低于YB01管線H2S、CO2與腐蝕的關(guān)聯(lián)度，但液氣比對腐蝕影響凸顯，故對單位天然氣含水量大的管線采用35天/次的批處理清管作業(yè)周期，其他管線采用45天/次的批處理清管作業(yè)周期。3條管線均未發(fā)現(xiàn)腐蝕高于控制標(biāo)準(zhǔn)0.007 6 mm/a。YB01采氣管線上加熱爐進(jìn)口CC01腐蝕掛片的腐蝕速率最大為0.009 2 mm/a(見圖3)。掛片安裝日期是2018年5月，取出日期為2019年1月。YB02來氣管線收球筒旁通后的CC02腐蝕掛片的腐蝕速率最大為0.003 2 mm/a(見圖4)，掛片安裝日期是2018年5月，取出日期為2019年1月。

進(jìn)一步分析表明，對H2S/CO2分壓為主控因素的管線，可適當(dāng)減少緩蝕劑用量；對液氣比為主控因素的管線，同樣可減少緩蝕劑用量，但要適當(dāng)縮短清管周期。根據(jù)分析結(jié)果，對緩蝕劑加注制度進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，YB01管線緩蝕劑添加量調(diào)整為每百萬立方米天然氣22.0 L，YB02和YB03管線緩蝕劑添加量調(diào)整為每百萬立方米天然氣20.0 L。3條管線的腐蝕速率均已控制在較低水平，證明灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果對緩蝕劑加注工藝優(yōu)化具有較好的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

(1) 針對元壩高含硫氣田地面系統(tǒng)腐蝕問題，建立了綜合考慮CO2分壓、H2S分壓、液氣比、pH值、礦化度、Cl-含量、緩蝕劑殘余濃度與腐蝕速率關(guān)聯(lián)程度的灰關(guān)聯(lián)分析法，找出了高含硫氣田地面系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下的腐蝕主控因素，為地面系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)及完整性管理提供了依據(jù)。

(2) 灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，影響元壩氣田地面系統(tǒng)腐蝕的主控因素為H2S分壓、液氣比、CO2分壓。此結(jié)果對優(yōu)化緩蝕劑添加方案，調(diào)整批作業(yè)清管周期，合理降低緩蝕劑清管作業(yè)成本，具有較好的指導(dǎo)意義。