張啟龍 張曉誠 韓耀圖 李進(jìn) 陳彬

摘? ? ? 要：采用層次分析法（AHP）研究了含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素對井下油套管腐蝕破壞的影響權(quán)重，并以此為基礎(chǔ)形成了一套生產(chǎn)井腐蝕可能性的快速排序法。通過計(jì)算得到含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量對井下管柱腐蝕影響的權(quán)重為0.28、0.18、0.45、0.09。利用腐蝕可能性的快速排序法，評估了3個腐蝕環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大小，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。研究結(jié)果可用于腐蝕環(huán)境的快速評價，為有效預(yù)防井下管柱發(fā)生腐蝕破壞有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)? 鍵? 詞：井下管柱;腐蝕風(fēng)險(xiǎn);權(quán)重;層次分析法;排序

中圖分類號：TE985? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2515-04

Study on Risk Assessment Method of

Downhole String Corrosion Based on AHP

ZHANG Qi-long1，2， ZHANG Xiao-cheng1，2， HAN Yao-tu1，2， LI Jin1，2， CHEN Bin1，2

（1. CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation， Tianjin 300459，China）

Abstract： The influence weight of water content， partial pressure of CO2， temperature and Cr content in metal on the corrosion damage of downhole string was studied by using analytic hierarchy process （AHP）. Based on this， a quick ranking method for corrosion possibility of production wells was formed. Through calculation， the weight of water content， CO2 partial pressure， temperature and metal Cr content on downhole string corrosion was as follows： 0.28， 0.18， 0.45， 0.09. The corrosion risk of three corrosive environments was evaluated by the quick ranking method of corrosion possibility， which was consistent with the results of laboratory experiments. The research results can be used for rapid evaluation of corrosion environment， and has certain guiding significance for effectively preventing corrosion damage of downhole string.

Key words：? Downhole string; Corrosion risk; Influence weight; Analytic hierarchy process（AHP）; Ranking method

油套管的腐蝕問題是渤海油田生產(chǎn)井在投產(chǎn)后期面臨的重要生產(chǎn)難題，常見的腐蝕類型有油套管接箍腐蝕、本體腐蝕和內(nèi)扣腐蝕等，套管腐蝕易造成套管穿孔、層間互竄、井下完整性破壞等，而油管腐蝕易造成油管穿孔、密封失效，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致井下管柱的斷裂脫落等井下事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失并威脅井口安全[1-5]。渤海油田的大多數(shù)的管柱腐蝕類型為酸性腐蝕，這是因?yàn)榫赂缓珻O2等酸性氣體，CO2溶于地下水中形成H+和HCO3-等酸性離子，從而促使管柱發(fā)生電化學(xué)腐蝕[6-9]。為了抑制腐蝕，常在管柱材質(zhì)中加入鉻元素（Cr），大量實(shí)驗(yàn)證明Cr元素是最有效的抑制酸性物質(zhì)的元素，這是因?yàn)镃r元素在金屬表面形成一層致密的氧化膜，隔絕管柱和流體，從而起到抑制腐蝕的作用[10-11]。但部分井雖然下入了含Cr金屬管柱，但在投產(chǎn)后期，受到含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素的綜合影響[9]，管柱仍然發(fā)生了腐蝕破壞。因此有必要探究各個因素對腐蝕速度的影響程度，綜合評估各井發(fā)生腐蝕破壞的可能性排序，提前對發(fā)生腐蝕概率大的井進(jìn)行預(yù)防措施，防止其發(fā)生管柱的腐蝕破壞。

本文采用層次分析法（AHP）研究了含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素對井下油套管腐蝕破壞的影響權(quán)重，并以此為基礎(chǔ)形成了一套生產(chǎn)井腐蝕可能性的快速排序法，研究結(jié)果為有效預(yù)防井下管柱發(fā)生腐蝕破壞有一定指導(dǎo)意義。

1? 基于AHP的腐蝕因素權(quán)重計(jì)算

在進(jìn)行生產(chǎn)井腐蝕可能性排序時，首先要評估各個因素的影響權(quán)重，常見的權(quán)重確定方法有灰色關(guān)聯(lián)法、正交試驗(yàn)法、AHP法等，其中AHP法無須實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將復(fù)雜的多因素共同決策問題按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，以相對重要性比較為方法將復(fù)雜的權(quán)重計(jì)算簡單化，實(shí)現(xiàn)決策的定性和定量化，已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)、能源、文化等多個領(lǐng)域取得成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。通過建立多層次結(jié)構(gòu)分析模型，計(jì)算不同影響因素對同一結(jié)果的影響權(quán)重，其基本步驟分為建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)建比較矩陣、計(jì)算權(quán)重矩陣和一致性檢測等，具體步驟如下[12-17]。

1.1? 建立層次結(jié)構(gòu)模型

首先選出對結(jié)果有影響的因素作為節(jié)點(diǎn)，根據(jù)因素和結(jié)果之間的層次關(guān)系，建立AHP模型的層次關(guān)系結(jié)構(gòu)，低層為影響結(jié)果的因素層，高層為被因素共同決定的結(jié)果層，因素層可以由多層次結(jié)構(gòu)組成，每一層次為不同因素的聚集組合，上層與下層的關(guān)系為包含關(guān)系。

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)的定義，建立了管柱腐蝕層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1。該模型由兩層構(gòu)成，目標(biāo)層為管柱的腐蝕情況，因素層包括含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量4個因素。

1.2? 構(gòu)建比較矩陣

層次分析法采用兩兩比較的方法對指標(biāo)進(jìn)行賦值，常采用1～9對重要程度的相對關(guān)系賦值，不同值代表不同的含義[18]，如表1。根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu)模型，含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等4個因素分別設(shè)置為r1-r4，根據(jù)以往作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采用專家打分法對各因素之間的重要關(guān)系進(jìn)行賦值，構(gòu)建了比較矩陣R，如式（1），其中rij表示ri相對于rj的重要性。

。? ? ? ? ? （1）

1.3? 計(jì)算權(quán)重矩陣和一致性檢驗(yàn)

由于比較矩陣為正定互反矩陣，因此其必定存在最大特征根λmax，且該值唯一，而其對應(yīng)的向量即為特征向量W [19-21]。利用式（2）和（3）對其進(jìn)行求解，其中n為因素的個數(shù);再對特征向量W歸一化處理后就得到了各個因素的權(quán)重向量w。利用以上步驟，對式（1）進(jìn)行求解，得到了權(quán)重向量w為（0.28、0.18、0.45、0.09）T，最大特征根λmax為4.04。

;（2）

。? ? ?（3）

由于比較矩陣賦值時有人為主觀性的影響，因此為了消除其誤差，計(jì)算完成后需對結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以證明結(jié)果的合理性[22-25]。一致性檢驗(yàn)公式如式（4），其中，CR為一致性比率（當(dāng)CR<0.1時，證明賦值結(jié)果較為合理，否則重新賦值）;n為因素的個數(shù);RI為一次性指標(biāo)（其取值與因素個數(shù)n直接相關(guān)，當(dāng)n=4時，RI的值為0.9）。

因此將本模型中的取值（λmax=4.04，n=4，RI=0.9）帶入式（2），求得一致性比率CR=0.015<0.1，因此證明賦值較為合理，因此含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量4個因素對管柱腐蝕影響的權(quán)重為0.28、0.18、0.45、0.09。

。? ? ? ? ? ? （4）

2? 腐蝕可能性的快速排序法

得到各因素的影響權(quán)重后，通過建立綜合評價模型即可得到生產(chǎn)井管柱腐蝕可能性快速排序法，以評估各井腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的可能性大小，從而對重點(diǎn)井進(jìn)行提前預(yù)防。

2.1? 綜合評價模型

正進(jìn)行綜合評價時第一步首先對各因素進(jìn)行歸一化處理，消除單位的影響，構(gòu)建因素矩陣Bm×n。由于各因素對結(jié)果的影響方向可能不同，根據(jù)其對結(jié)果的影響情況可以分為正相關(guān)因素和負(fù)相關(guān)因素。因素值越大，越對結(jié)果起促進(jìn)作用的因素，稱為正相關(guān)因素，此時其歸一化公式如式（5）;因素值越大，越對結(jié)果起抑制作用的因素，稱為負(fù)相關(guān)因素，此時其歸一化公式如式（6）。其中，bij為第i口井的第j個因素值; 和 分別為所有井中第j個因素的最大值和最小值。根據(jù)其定義，腐蝕因素中的含水率、CO2分壓、溫度屬于正相關(guān)因素，采用式（5）計(jì)算，金屬含Cr量屬于負(fù)相關(guān)因素，采用式（6）計(jì)算。

;? ? ? ? ?（5）

）。? ? ? ? （6）

構(gòu)建完因素矩陣，將其與權(quán)重向量相乘，如式（7），就得到各個方案的綜合指標(biāo)向量Qm，根據(jù)值的大小就可以進(jìn)行各個方案的排序。本例中，將構(gòu)建的腐蝕因素矩陣Bm×4與權(quán)重向量w相乘，得到各井或各腐蝕環(huán)境的腐蝕綜合指標(biāo)向量Qm，其中m為待評價井?dāng)?shù)，綜合指標(biāo)較大的井對應(yīng)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)也較高。

。（7）

2.2? 應(yīng)用實(shí)例

建立完綜合評價模型后，利用該模型對渤海油田A1、A2和A3三個腐蝕環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，A1、A2和A3的腐蝕環(huán)境具體參數(shù)如表2所示。

首先利用式（5）和（6）對參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如表3，然后再利用式（7）求解各腐蝕環(huán)境的腐蝕綜合指標(biāo)，最終計(jì)算的綜合指標(biāo)向量Qm為（0.72，0.38，0.01）T，因此腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)由大到小排序?yàn)锳1、A2、A3。

2.3? 腐蝕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)對A1、A2和A3三個環(huán)境的腐蝕速率進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。通過更改高壓釜體內(nèi)的水油比、調(diào)節(jié)注入CO2壓力、調(diào)節(jié)水浴加熱溫度，以調(diào)節(jié)腐蝕環(huán)境內(nèi)的含水率、CO2分壓、溫度，通過更換N80、1Cr和3Cr鋼材試片以模擬不同金屬含Cr量，按照表2的A1、A2和A3的腐蝕環(huán)境參數(shù)對實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）根據(jù)渤海A油田的水質(zhì)成分分析報(bào)告，按照其成分進(jìn)行水質(zhì)配比，模擬實(shí)際井下水的成分;

2）取渤海A油田的地下原油試樣，和地層水進(jìn)行混合配比，按照不同比例配置不同含水率的腐蝕溶液，裝入腐蝕裝置內(nèi);

3）取待測材質(zhì)的金屬試片，如圖3，將其在乙醇浸泡一定時間后，擦拭并烘干后，放入稱重器測試其腐蝕前的質(zhì)量;

4）將金屬試片放入高壓釜后，利用循環(huán)水進(jìn)行水浴加熱到預(yù)設(shè)溫度;

5）通入預(yù)設(shè)壓力的CO2氣體，模擬實(shí)際井下的CO2氣體腐蝕環(huán)境，高壓釜體的總壓力通過通入N2進(jìn)行調(diào)節(jié);

6）通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，模擬井下的流動狀態(tài)，在預(yù)設(shè)腐蝕環(huán)境下動態(tài)腐蝕金屬試片24 h;

7）取出腐蝕后的金屬，表面處理并烘干后，放入稱重器進(jìn)行稱重，計(jì)算腐蝕質(zhì)量，利用式（8）計(jì)算不同腐蝕環(huán)境下的金屬腐蝕速率;

8）根據(jù)不同環(huán)境的腐蝕速率結(jié)果，進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)排序，與模型計(jì)算得到的排序結(jié)果進(jìn)行對比，評估模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。

。? ? ?（8）

式中：vcor — 金屬的腐蝕速率，mm·a-1;

m1 — 金屬試片腐蝕前的重量，g;

m2 — 金屬試片腐蝕后的重量，g;

A—掛片的面積，mm2;

T— 室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)時間，mm2;

D— 測試金屬試片的密度，g·cm-3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，利用式（8）計(jì)算得到了A1、A2、A3的腐蝕速率，結(jié)果分別為0.027、0.020、0.005 mm·a-1。腐蝕風(fēng)險(xiǎn)排序與求得的綜合指標(biāo)向量排序一致，證明了模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明A1腐蝕環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最高，應(yīng)該提前采取相應(yīng)的防腐措施。

3? 結(jié) 論

1）建立了腐蝕情況的層次結(jié)構(gòu)模型，利用AHP法計(jì)算得到了井下管柱腐蝕因素的影響權(quán)重，含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量對井下管柱腐蝕影響的權(quán)重為0.28、0.18、0.45、0.09。

2）基于計(jì)算得到的腐蝕因素影響權(quán)重，建立了井下管柱腐蝕綜合評價模型，利用其可以快速預(yù)測不同井或者不同腐蝕環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)排序，指導(dǎo)現(xiàn)場的防腐作業(yè)。

3）利用井下管柱腐蝕綜合評價模型，評估了3個腐蝕環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)大小，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)由大到小排序?yàn)锳1、A2、A3，與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，鑒于A1的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)最高，應(yīng)該提前采取相應(yīng)措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]李敏，周小杰，孫吉星，等.渤海某油田油管接箍腐蝕開裂原因與建議[J].全面腐蝕控制，2019，33（6）：71-76.

[2]王聰，馬丹竹，屈洋，等.腐蝕現(xiàn)狀與解決理論研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2015，44（11）：2645-2647.

[3]盧勇. 含CO2氣井的防腐工藝技術(shù)探討[J].化學(xué)工程與裝備，2018（7）：217-218.

[4]閆偉，鄧金根，鄧福成，等.油套管力學(xué)-化學(xué)腐蝕規(guī)律分析[J].中國海上油氣，2014（1）：87-91.

[5]張啟龍，許杰，高斌，等.以抑制管柱結(jié)垢腐蝕為目標(biāo)的注水井水源選擇方法研究及應(yīng)用[J].表面技術(shù)，2019，48（11）：290-296.

[6]徐剛，劉鵬，張啟龍，等.渤海油田典型井套管損壞原因分析[J].表面技術(shù)，2017（7）：168-172.

[7]林海，許杰，范白濤，等.渤海油田井下管柱CO2腐蝕規(guī)律與防腐選材現(xiàn)狀[J].表面技術(shù)，2016，45（5）：97-103.

[8]方培林，楊凱，權(quán)寶華，等.渤海某油田井下管柱腐蝕原因分析[J].涂層與防護(hù)，2020，41（3）：1-6.

[9] 陳彬，張啟龍，韓耀圖，等.油套管腐蝕速率影響因素敏感性試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械，2019，48（6）：53-57.

[10] 劉陽，王嘯，許杰， 等.渤海凝析油氣藏探井轉(zhuǎn)開發(fā)井防腐技術(shù)研究[J].表面技術(shù)，2018，47（10）：249-255.

[11] 傅廣海.徐深氣田CO2防腐技術(shù)分析[J].油氣田地面工程，2008（4）：66-67.

[12]姜永明，郝敬雷，劉福領(lǐng).基于AHP方法的石油工程施工分包商選擇研究[J].當(dāng)代化工，2013，42（10）：1414-1417.

[13]劉性全，侯吉瑞.模糊數(shù)學(xué)在油井評價中的應(yīng)用[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā)， 2013，32（2）：79-83.

[14]謝季堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[15]劉立君，廣興野，徐穎，等.基于正交試驗(yàn)的輸油管道壓降敏感性分析[J].當(dāng)代化工，2020，49（5）：942-945.

[16]厲健.基于AHP的城市公共交通發(fā)展水平考核評價研究[J].公路與汽運(yùn)，2020（3）：32-36.

[17]劉代亞，趙凱鳳，張亞楠.基于AHP法的LNG工廠停產(chǎn)期間能耗分析與節(jié)能舉措[J].當(dāng)代化工，2020，49（1）：152-157.

[18]宋國民，翟羽健，劉星榮.一種確定模糊綜合評判權(quán)重集方法的探討[C]. 模糊集理論與模糊應(yīng)用專輯——中國系統(tǒng)工程學(xué)會模糊數(shù)學(xué)與模糊系統(tǒng)委員會第十屆年會論文選集，2000.

[19]許寶田，閻長虹，許宏發(fā)，等.基于模糊理論的軟巖黏彈性模型識別及參數(shù)反分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（11）：2280-2286.

[20]涂道興，張光裕.線性代數(shù)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[21]龔劍，胡乃聯(lián)，崔翔，等.基于AHP-TOPSIS評判模型的巖爆傾向性預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014（7）：1442-1448.

[22]朱建軍.層次分析法的若干問題研究及應(yīng)用[D].遼寧：東北大學(xué)，2005.

[23]肖永華，郭川印.層次分析法在確定煉化設(shè)計(jì)企業(yè)績效考核指標(biāo)權(quán)重中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2018，47（2）：396-399.

[24]王多銀，程夢瑤，黃海津.基于層次分析法的船閘通過能力影響因素研究[J].水運(yùn)工程，2020（6）：147-151.

[25]王嘉鵬.基于層次分析法的輸氣管道綜合腐蝕行為研究[J].油氣田地面工程，2020，39（2）：82-87.