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        頁巖氣集輸系統(tǒng)的腐蝕評價與控制
        ——以長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)為例

        2020-04-14 06:26:52
        天然氣工業(yè) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:砂量集氣川南

        中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

        0 引言

        四川盆地南部地區(qū)(以下簡稱川南)目前已成為中國頁巖氣開發(fā)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場,威遠(yuǎn)—長寧國家級頁巖氣示范區(qū)建設(shè)持續(xù)快速推進(jìn)[1-3]。截至2020 年10 月10 日,川南頁巖氣項(xiàng)目已建成投產(chǎn)400 余口頁巖氣井,日產(chǎn)氣量超過4 000×104m3。

        川南頁巖氣開采普遍采用了體積壓裂技術(shù),單井水平井壓裂液用量介于4×104~5×104m3、支撐劑(石英砂和陶粒)用量介于2.5×103~3.0×103t[4]。在壓裂施工結(jié)束后的頁巖氣排采和生產(chǎn)過程中,壓裂返排液將對地面排采流程設(shè)備和地面集輸系統(tǒng)帶來不同程度的腐蝕,有可能致使設(shè)備和管線穿孔失效,進(jìn)而影響集輸生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

        為了提高頁巖氣集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平,基于中國石油西南油氣田公司天然氣腐蝕控制技術(shù)支撐平臺,借助于腐蝕環(huán)境和生產(chǎn)工況分析、材料失效評價及優(yōu)選、殺菌緩蝕劑應(yīng)用和生產(chǎn)工藝參數(shù)控制優(yōu)化等方法和手段,開展了川南頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕行為和控制措施研究,提出了有針對性的腐蝕控制措施并在川南頁巖氣項(xiàng)目成功應(yīng)用。以期有效減緩川南頁巖氣集輸系統(tǒng)的腐蝕失效、提升安全運(yùn)行水平。

        1 川南頁巖氣開采及腐蝕現(xiàn)狀

        1.1 川南頁巖氣開采情況

        四川盆地頁巖氣資源量為21.7×1012m3。其中,川南頁巖氣資源量達(dá)到了11.9×1012m3[5-6],已成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域,包括威遠(yuǎn)、長寧、昭通、自貢、瀘州等多個有利建產(chǎn)區(qū)[7]。自2010 年威201 井獲氣以來,經(jīng)過近10 年的勘探開發(fā)實(shí)踐,形成了6 大頁巖氣主體開發(fā)技術(shù),川南地區(qū)3 500 m 以淺頁巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā)[8]。按照發(fā)展規(guī)劃,未來川南地區(qū)將建成中國最大的頁巖氣生產(chǎn)和綜合利用基地,2020 年頁巖氣有望達(dá)產(chǎn)100×108m3,2035年建成年產(chǎn)能400×108m3[9]。

        1.2 川南頁巖氣腐蝕特點(diǎn)

        川南頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕問題主要集中在壓裂施工結(jié)束后的頁巖氣排采和生產(chǎn)兩個階段。前者一般持續(xù)1~3 個月,后者持續(xù)至井壽命結(jié)束。兩個階段腐蝕特點(diǎn)不盡相同(表1)。

        壓裂施工結(jié)束后的排采階段相對較短,主要目的是為了釋放壓入井下的游離砂與游離水,從而獲得穩(wěn)定的頁巖氣產(chǎn)量。排采階段具有高溫、高壓、高砂量、高液量的特點(diǎn)。高壓、高砂量條件下,砂粒對地面排采流程介質(zhì)流態(tài)突變部位進(jìn)行持續(xù)的沖刷腐蝕,短時間內(nèi)可擊穿排采流程的彎頭、三通、閥門等部件,或造成閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。同時,高溫、高液量條件下平臺分離效率不理想,大量返排液進(jìn)入集氣管線滯留積液造成集氣管線電化學(xué)腐蝕,致使管線腐蝕穿孔失效。

        表1 川南頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕特點(diǎn)表

        頁巖氣生產(chǎn)階段至井壽命結(jié)束,可分為生產(chǎn)初期(產(chǎn)氣量較高、產(chǎn)水量較大、產(chǎn)氣量下降較快,少量出砂)、生產(chǎn)平穩(wěn)期(產(chǎn)氣產(chǎn)水量相對穩(wěn)定、基本不出砂)和生產(chǎn)后期(產(chǎn)氣量小、產(chǎn)水少、不出砂)。該生產(chǎn)階段主要表現(xiàn)為集氣管線內(nèi)局部積液造成的集氣管線電化學(xué)腐蝕,致使管線腐蝕穿孔失效。

        2 集輸系統(tǒng)腐蝕評價

        2.1 工藝流程沖刷腐蝕評價

        頁巖氣壓裂過程中普遍使用石英砂和陶粒按一定比例配置作為支撐劑[10],川南頁巖氣壓裂完畢后約有3%~8%的砂粒返排至地面[11]。目前,川南頁巖氣排采階段普遍未設(shè)置除砂器(圖1-a),大量砂粒直接進(jìn)入分離器內(nèi)并快速沉積,分離器排液時隨返排液匯入污水池。而生產(chǎn)階段多采用濾筒式除砂器(圖1-b),生產(chǎn)初期砂粒在濾筒內(nèi)持續(xù)沉積,若不及時清洗,除砂器最快投運(yùn)兩個月即因?yàn)V筒變形而失效。因此,部分砂粒穿越除砂器進(jìn)入了分離器,并隨返排液匯入污水池。

        圖1 川南頁巖氣工藝流程圖

        2016—2020 年,川南頁巖氣工藝流程因沖蝕失效達(dá)300 余次,且主要集中在分離器后端的排液管線。排采初期,長寧H25 平臺分離器后端排污閥15 min 后即沖蝕失效(圖2-a);長寧H5 平臺分離器后端三通堵頭在砂粒流量為64~150 g/s、氣體流速為15~18 m/s 的環(huán)境中,使用20 d 即減薄42.73 mm,腐蝕速率達(dá)779.82 mm/a(圖2-b)。生產(chǎn)階段,除砂器失效導(dǎo)致砂粒進(jìn)入分離器并沉積在分離器底部。排液時,分離器內(nèi)部與排液管線末端壓差可使液固介質(zhì)瞬時流速達(dá)到6~10 m/s,對彎頭、三通、閥門等部件進(jìn)行短時間的沖刷腐蝕。生產(chǎn)流程投運(yùn)0.5~3.0 a 后,部件陸續(xù)出現(xiàn)沖蝕失效。

        圖2 川南頁巖氣工藝流程設(shè)備沖蝕失效圖

        利用液固兩相流噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)(圖3),使用70/140 目的石英砂和陶粒按比例混合,開展了不同流速、不同沖擊攻角及不同砂量條件下砂粒對材料的沖蝕影響研究(圖4)。

        圖3 液固兩相流噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)照片

        圖4 不同流速、沖擊攻角及含砂量條件下砂粒對材料的沖蝕影響圖

        圖5 不同流速條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

        圖6 不同沖擊攻角條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

        結(jié)果表明:液體流速為5~18 m/s、砂粒沖擊攻角為90°、含砂量為5%(砂粒在液體中的質(zhì)量占比)條件下,材料沖蝕損傷隨流速的增加呈線性增長。液體流速為5 m/s 時,腐蝕速率為32.00 mm/a。液體流速為18 m/s 時,腐蝕速率為76.80 mm/a。在較高的流速下,樣品表面的損傷明顯增大(圖5),由此可知,流體流速是影響樣品失重率的重要因素。流速的增大有兩方面的作用:①增加了夾帶的固體砂粒對材料表面的沖擊力學(xué)損傷;②提高了腐蝕性離子向材料表現(xiàn)的傳輸速度,即增加了傳質(zhì)速度。砂粒沖擊攻角為30°~90°、液體流速為8 m/s、含砂量為5%條件下,30°沖擊攻角時材料沖蝕損傷最大,60°沖擊攻角時材料沖蝕損傷最小(圖6)。材料損傷率與沖擊攻角之間的關(guān)系比較復(fù)雜,受流速、含砂量、介質(zhì)組成和材料本身性能的影響。一般認(rèn)為,延展性材料最大沖蝕損傷發(fā)生在20°~30°沖擊攻角處。在液固兩相流沖刷腐蝕條件下,沖蝕損傷程度和沖擊攻角之間的關(guān)系可能變得更加復(fù)雜。低速條件下,最大沖蝕損傷將發(fā)生在90°沖擊攻角附近;而高速條件下,最大沖蝕損傷可能發(fā)生在30°~60°和90°沖擊攻角附近。目前,尚無數(shù)據(jù)充分解釋最小沖蝕損傷與沖擊攻角之間的確切關(guān)系。但結(jié)合已有數(shù)據(jù)可知,在最大沖蝕損傷周圍必然存在一個沖蝕損傷較小的區(qū)間,且該區(qū)間的位置可能受流速、含砂量和材料本身性能的影響而變化。實(shí)驗(yàn)表明,材料在液體流速為8 m/s、含砂量為5%條件下沖蝕損傷最小值位于60°沖擊攻角附近,最大值位于30°沖擊攻角附近。因此推測,在30°和90°沖擊攻角范圍存在一個沖蝕損傷最小值,在流速、含砂量和材料本身性能共同作用下,沖蝕損傷最小值極可能位于60°沖擊攻角附近。含砂量為1%~5%、砂粒沖擊攻角為90°、液體流速為8 m/s 條件下,含砂量變化對材料沖蝕損傷影響不大。含砂量增大到7%時,材料沖蝕損傷明顯增加(圖7)。含砂量為1%時(圖7-a),材料呈鱗片狀剝落,局部尚有原始表面的殘留。當(dāng)含砂量增大到3%時(圖7-b),表面局部出現(xiàn)蝕坑,其他大部分相對保持完整。當(dāng)含砂量為5%時(圖7-c),試樣表面開始出現(xiàn)明顯的小沖蝕孔洞,多集中在晶界處,部分孔洞彼此相連,沿晶界擴(kuò)展。而當(dāng)含砂量增大到7%時(圖7-d),材料表面蝕坑密布,其尺寸明顯大于含砂量為5%時的孔洞。蝕坑內(nèi)部可見開裂的晶粒。此外,仔細(xì)觀察蝕坑還可以發(fā)現(xiàn),蝕坑的坑口面積比坑肚的面積小,呈現(xiàn)口小肚大的蝕坑特征。這表明含砂量的增大使材料表面的力學(xué)損傷加劇,暴露了更多的新鮮表面,同時加劇了腐蝕過程。腐蝕性離子在坑內(nèi)逐漸濃縮,造成濃差極化,加速了坑內(nèi)材料的腐蝕,隨著時間的延長,最終形成口小肚大的蝕坑形貌。從損傷的SEM 形貌而言,含砂量為7%濃度時損傷最重,這一特點(diǎn)與失重趨勢相吻合。

        圖7 不同含砂量條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

        2.2 集氣管線電化學(xué)腐蝕評價

        通過失效管線現(xiàn)場取樣、管線設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)行工況等資料收集以及室內(nèi)分析評價工作,明確了川南頁巖氣集氣管線腐蝕狀況(表2)。

        表2 川南頁巖氣集氣管線腐蝕狀況表(截至2020 年4 月)

        分析認(rèn)為川南頁巖氣排采和投產(chǎn)初期,集氣管線大量積液為腐蝕的誘發(fā)和發(fā)展提供了有利的環(huán)境。平臺分離效率不佳、排采階段時間長、管線內(nèi)氣體流速低,清管頻率低(或無法清管)等因素導(dǎo)致了排采階段集氣管線嚴(yán)重積液。調(diào)研結(jié)果表明:①排采初期,平臺返排液量最高超過700 m3/d,返排液溫度達(dá)50~60 ℃,但分離器平均效率僅為85%;②集氣管線投運(yùn)時平臺頁巖氣井并未全部投產(chǎn),管線實(shí)際輸氣量未達(dá)到設(shè)計(jì)輸氣量,導(dǎo)致管線內(nèi)氣體流速低,管線持液率高。部分平臺排采階段長達(dá)18 個月,集氣管線內(nèi)氣相流速為1~4 m/s,液相流速僅為0.000 1 m/s;③部分管線不具備清管條件或清管周期較長,某長約10 km 的集氣管線兩年僅清管4 次,單次清管液量最高達(dá)54 m3,占管容量的15%。

        分析結(jié)果表明,川南頁巖氣氣質(zhì)中低含CO2且不含H2S,返排液中硫酸鹽還原菌(SRB)含量嚴(yán)重超標(biāo)(表3)。集氣管線腐蝕產(chǎn)物中主要為FeCO3、FeS 以及Fe3O4等腐蝕產(chǎn)物(圖8),其中FeCO3為CO2的腐蝕產(chǎn)物,F(xiàn)eS 為SRB 的腐蝕產(chǎn)物,F(xiàn)e3O4為管線取樣后暴露在空氣中形成的腐蝕產(chǎn)物。集氣管線腐蝕形貌與SRB 腐蝕形貌高度一致(圖9),且腐蝕坑內(nèi)存在大量SRB 菌落(圖10)。管線嚴(yán)重積液和SRB 疊加二氧化碳的電化學(xué)腐蝕環(huán)境造成了川南頁巖氣集氣管線快速腐蝕穿孔失效。

        表3 川南頁巖氣集氣管線腐蝕環(huán)境表

        圖8 川南頁巖氣集氣管線腐蝕產(chǎn)物XRD 分析圖譜

        圖9 長寧H25 平臺集氣管線腐蝕形貌圖

        圖10 腐蝕坑內(nèi)硫酸鹽還原菌(SRB)菌落圖

        檢測結(jié)果表明,返排液中SRB 的主要來源為自然水源和重復(fù)使用的壓裂返排液。壓裂液配置過程中,丙烯酰銨聚合物類降阻劑或其他植物類稠化劑、助排劑等壓裂液添加劑為SRB 提供了豐富的C、O、S 等營養(yǎng)元素[12]。壓裂液返排進(jìn)入地面集輸系統(tǒng)后,集氣管線又為SRB 提供了生存所需的無氧環(huán)境,進(jìn)一步促使其快速生長繁殖[13-15]。

        室內(nèi)模擬評價實(shí)驗(yàn)表明,在川南頁巖氣工況環(huán)境中,試片腐蝕速率可達(dá)3.71 mm/a(表4),且腐蝕形貌(圖11)與川南頁巖氣集氣管線腐蝕形貌一致(圖12)。

        表4 室內(nèi)模擬評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

        圖11 室內(nèi)試片腐蝕形貌圖

        圖12 現(xiàn)場集氣管線腐蝕形貌圖

        3 集輸系統(tǒng)腐蝕控制

        3.1 沖刷腐蝕控制

        為有效減緩沖刷腐蝕,可采用以下4 種控制措施:①設(shè)計(jì)階段優(yōu)化流程結(jié)構(gòu),減少彎頭、三通、閥門等部件的使用;②排采階段使用大型旋流式除砂器,除砂效果可超過90%(圖13-a);③排采階段,彎頭與三通迎流面加厚至200~300 mm(圖13-b)。生產(chǎn)階段,彎頭內(nèi)襯8 mm 陶瓷材料且迎流面加厚至20~30 mm(圖13-c);④閥門選用一體成型的陶瓷閥芯。此外,控壓生產(chǎn)可明顯降低砂粒返排量,提高除砂器與分離器的清洗頻率可有效提高設(shè)備效率,避免砂粒進(jìn)入下游集輸系統(tǒng)。

        川南頁巖氣腐蝕控制措施全面實(shí)施以來,工藝流程年失效次數(shù)已由300 余次降至20 余次以內(nèi),失效率降低93%。

        3.2 電化學(xué)腐蝕控制

        為有效控制電化學(xué)腐蝕,首先應(yīng)避免集氣管線長時間大量積液,因此:①嚴(yán)格控制平臺排采時間,一般不超過45 d;②提高平臺分離效果,必要時增加二級分離;③加強(qiáng)清管作業(yè)管理,完善清管作業(yè)制度,明確清管周期和清管效果,返排液量大的集氣管線清管頻率不應(yīng)低于2~3 次/月。其次,壓裂液入井前應(yīng)對其進(jìn)行硫酸鹽還原菌檢測并加入足量殺菌劑。最后,平臺排采和生產(chǎn)階段應(yīng)對集氣管線連續(xù)加注殺菌緩蝕劑。目前,川南地區(qū)普遍采用“連續(xù)泵注殺菌緩蝕劑”的方法來控制集氣管線的電化學(xué)腐蝕。該方法利用站內(nèi)頁巖氣作為氣源,推動氣動泵活塞往復(fù)式運(yùn)動,從而將儲罐內(nèi)的殺菌緩蝕劑吸入泵中,最后通過出站壓力表接口處將殺菌緩蝕劑注入集氣管線(圖14)。實(shí)踐結(jié)果表明,“連續(xù)泵注殺菌緩蝕劑”的方法效果好、易實(shí)現(xiàn)且滿足其長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

        圖13 川南頁巖氣沖刷腐蝕控制措施圖

        圖14 川南頁巖氣集氣管線殺菌緩蝕劑加注圖

        腐蝕控制實(shí)施過程中應(yīng)根據(jù)工況環(huán)境實(shí)時調(diào)整并持續(xù)優(yōu)化,為此要求:①加強(qiáng)腐蝕監(jiān)/檢測,取樣分析集氣管線返排液中SRB 和Fe2+含量變化,頻率不應(yīng)低于2~3 次/月,全面評估集氣管線腐蝕狀況;②定期開展集氣管線運(yùn)行動態(tài)跟蹤分析評價,對氣體流速過低和產(chǎn)液量較大的生產(chǎn)工況進(jìn)行預(yù)警提醒。

        川南頁巖氣腐蝕控制措施全面實(shí)施以來,集氣管線返排液中SRB 降至《頁巖氣 儲層改造 第3 部分:壓裂返排液回收和處理方法:NB/T 14002.3—2015》規(guī)定的25 個/mL 以內(nèi),集氣管線失效率降低99%(表5)。

        表5 川南頁巖氣集氣管線電化學(xué)腐蝕控制情況表

        研究和應(yīng)用實(shí)踐表明,形成的集材料優(yōu)選、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、腐蝕介質(zhì)處理和運(yùn)行工藝參數(shù)優(yōu)化控制等為一體的川南頁巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù),可將川南頁巖氣工藝流程沖蝕失效率降低93%,將川南頁巖氣集氣管線腐蝕失效率降低99%,有效地減緩了頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕失效,提升了川南頁巖氣集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

        4 結(jié)論與建議

        1)川南頁巖氣地面集輸系統(tǒng)主要存在沖刷腐蝕和電化學(xué)腐蝕。沖刷腐蝕主要集中在頁巖氣站內(nèi)工藝流程,為砂粒對彎頭、三通、閥門等部位持續(xù)的機(jī)械磨損;電化學(xué)腐蝕主要集中在頁巖氣站外集氣管線,為積液環(huán)境中二氧化碳與硫酸鹽還原菌共同作用腐蝕。

        2)集材料優(yōu)選、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、腐蝕介質(zhì)處理和運(yùn)行工藝參數(shù)優(yōu)化控制等為一體的川南頁巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù)有效地減緩了頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕失效,提升了川南頁巖氣集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

        3)川南地區(qū)3 500 m 以淺頁巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā),配套形成的頁巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù)也取得了進(jìn)步和成功應(yīng)用,但由于在頁巖氣開采初期對腐蝕問題認(rèn)識不足,加之頁巖氣特有的腐蝕行為在常規(guī)天然氣開采過程中鮮有表現(xiàn),相關(guān)腐蝕機(jī)理尚未全面掌握,還需進(jìn)一步深入全面研究,為持續(xù)優(yōu)化腐蝕控制措施提供基礎(chǔ)。

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