谢明1,2,3  张强1,2,3

1. 中国石油西南油气田分公司天然气研究院； 2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心；3. 中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地

摘要：四川长宁页岩气田开采过程中集输系统面临冲刷腐蚀、电化学腐蚀等问题。砂含量是页岩气冲刷腐蚀问题的主控因素之一，通过“非侵入式砂含量测试技术”明确了页岩气开采过程中集输系统砂含量变化，结合页岩气现场失效状况，掌握了砂含量变化对集输系统腐蚀影响。同时，比较了不同产出液、砂含量、流速条件下金属材料腐蚀变化，结果表明：积液/砂环境中的电化学腐蚀程度与返排液离子组分、砂砾覆盖金属材料面积有关，腐蚀速率在0.1~0.2 mm/a。低流速环境中的电化学腐蚀速率与流速、砂含量变化有关，腐蚀速率在0.02 ~0.15 mm/a。

关键词：页岩气；集输系统；冲刷腐蚀；细菌腐蚀

随着全球天然气市场需求的不断增长，世界各国越来越重视非常规天然气特别是对页岩气的开发与利用。目前，我国正在全国范围内对页岩气进行资源评价，预计到2020年底，全国将形成300亿方页岩气产能。我国首个国家级页岩气示范区长宁—威远页岩气田普遍使用加砂水力压裂工艺。压裂完毕，开始生产后，注入地层的大量压裂液及固体颗粒（石英砂及陶粒）将返排至地面集输系统，对其造成严重的冲刷腐蚀等问题。

1 现场冲刷腐蚀问题

1.1 现场工况

长宁页岩气开采过程主要分为排采和生产两个阶段。排采阶段页岩气井产气量高、产水量大、出砂较多，单井产气量可达20 ~40万m3/d，产水量可达100 ~200 m3/d，平台处理气量可达100万m3/d左右。排采阶段井口温度约为60~70℃，流程温度约为40~50℃，平台集输系统压力约为20 ~30 MPa。生产阶段页岩气井产气量、产水量、出砂量较排采阶段大幅下降，单井产气量约为10万m3/d以内，产水量约为30 m3/d以内，平台处理气量约在60万m3/d以内。生产阶段井口温度约为40~50℃，流程温度约为30~40℃，平台集输系统压力约为5~8 MPa。排采期，长宁页岩气单井出砂量最高达到了10 t/d，集输系统部件冲刷腐蚀失效问题明显，如表1、图1所示。

图1 排采平台冲刷腐蚀失效部件

1.2 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀（Erosion-Corrosion）[1]是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果。根据介质可将冲蚀磨损分为两大类：气液喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀[2]。流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料表面，有的则在表面上溃灭（气泡），从而对材料表面施加机械力。如果按流动介质及第二相排列组合，则可把冲蚀磨损分为四种类型[3]，如表2所示。

长宁页岩气主要表现为喷砂式冲蚀，即高流速高砂量介质直接冲击集输系统管壁，导致其短时间内减薄穿孔。

1.3 砂砾含量测定

砂含量是冲刷腐蚀的主控因素之一。砂砾在管道内随气液介质流动，遇到弯头时流动状态发生剧烈变化。砂砾冲击管壁后因惯性作用将沿管壁继续向前流动，如图2所示。

图2 弯头处砂砾流动状态

砂砾撞击弯头时会产生震动噪音，且噪音频率远高于气液介质撞击弯头产生的噪音频率。探头在弯头下游收集到高频噪音后，将其转换为电信号传送给主机，主机将电信号收集并计算出该点在测试时间内通过的最少砂量，如图3所示。

图3 砂砾监测设备工作原理

使用“非侵入式砂含量测试技术”测得长宁页岩气某排采平台集输系统砂含量变化，如表3所示。

在此工况条件下，排采平台排污管线弯头壁厚短时间内快速减薄。弯头使用27天，壁厚减薄量达到了42.73 mm，如图4所示。

图4 排污管线弯头快速减薄

2 实验室腐蚀模拟评价

排采完毕后，集输系统内部介质流速降低，砂含量降低，为进一步模拟正式生产过程中集输系统腐蚀问题，开展了不同产出液、砂含量、流速条件下金属材料腐蚀评价[4]。

2.1 不同产出液条件下金属材料腐蚀评价

选取了7个平台的现场水样开展实验，试片材料为现场集输系统使用的L360N，如图5所示。

图5 不同产出液条件下腐蚀评价实验

基于不同产出液条件下L360N材料腐蚀评价结果，初步得出以下结论。

（1）试片在H10生产平台水样中，出现了极严重腐蚀.

（2）试片在H3、H4、H9、H12生产平台水样中，出现了严重腐蚀。

（3）试片在宁201中心站和H5排采平台水样中，均为中度腐蚀。

（4）试片在7个生产平台的产出液中，均为中度腐蚀。

2.2 不同砂含量条件下金属材料腐蚀评价

实验选取了某生产平台产出液作为液体环境，并根据现场测试结果设置了5种不同砂量。实验温度40 ℃，压力6 MPa，二氧化碳分压0.1 MPa，转速为1 500  r/min，结果如图6所示。

图6 不同砂含量条件下金属材料腐蚀评价

在温度、压力、转速和液体环境不变的环境中，基于不同砂含量条件下L360N材料腐蚀评价结果，初步得出以下结论。

（1）随着加砂量不断增大，试片腐蚀速率不断增大；

（2）当加砂量增大到217.8 g/L时，试片的腐蚀速率明显增大，且腐蚀程度由中度腐蚀变为了严重腐蚀。

因此，在低流速且砂含量较低的环境中，集输系统主要为电化学腐蚀；当砂量较高时，也增强了腐蚀影响。

2.3 不同流速条件下金属材料腐蚀评价

实验选取了某生产平台的水样作为液体环境，加砂量为217.8 g/L，实验温度40 ℃，压力6 MPa，二氧化碳分压0.1 MPa，结果如图7所示。

图7 不同流速条件下金属材料腐蚀评价

在温度、压力、加砂量和液体环境不变的环境中，基于不同流速条件下L360N材料腐蚀评价结果，初步得出以下结论。

（1）当转速处于1 500 ~500  r/min，即反应釜内液体流速处于0.3 m/s~1.6  m/s时，试片的腐蚀速率基本没有变化，腐蚀程度均为严重腐蚀，主要是电化学腐蚀和冲刷腐蚀的相互作用；

（2）当转速为200 r/min ，即反应釜内液体流速为0.1 m/s时，试片的腐蚀速率明显增大，腐蚀程度为极严重腐蚀。原因为转速过低，反应釜内液体流速过低，实验过程中电化学腐蚀作用远大于石英砂对试片的机械磨损。

3 结论

（1） 通过现场调研发现，长宁页岩气冲刷腐蚀问题主要发生在排采阶段，且集中发生于集输系统的排污管线。

（2）砂含量测定结果表明：长宁页岩气集输系统高出砂期为排采阶段高排液期，持续时间一般为2~3天。生产阶段井底几乎不出砂，但在页岩气井提液或气举作业时，会造成井底短时间出砂量增加。

（3）分析研究了不同流速、不同产出液和不同砂含量条件下，金属材料的腐蚀变化程度。实验结果表明：积液/砂环境中的电化学腐蚀程度与返排液离子组分、砂砾覆盖金属材料面积有关，腐蚀速率在0.1 mm/a~0.2 mm/a。低流速环境中的电化学腐蚀速率与流速、砂含量变化有关，腐蚀速率在0.02 mm/a~0.15 mm/a。

参考文献：

[1] 路民旭，白真权，赵新伟，等. 油气采集储运中的腐蚀现状及典型案例[J]. 腐蚀与防护，2002，23(3):105-113.

[2] 代真，段志祥，沈士明. 流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响[[J]. 技术产品版，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] 付静，周晓君，袁辉. 油田管线液固两相流动磨蚀实验研究[J]. 管道技术与设备，2004, (3): 37-38.

基金项目：中国石油西南油气田分公司2017年科学研究与技术开发项目“长宁页岩气集输系统含砂条件下腐蚀分析与控制措施研究”（20170304-07）。

作者：谢明，1989年生，男，四川南充人，工程师，2015年毕业于西南石油大学，研究生学历（工学硕士），现就职于中国石油西南油气田分公司天然气研究院，从事页岩气腐蚀与防护研究工作。

《管道保护》2018年第4期（总第41期）