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        含硫氣田集輸管道腐蝕預(yù)測軟件應(yīng)用

        2021-02-26 05:47:36田源肖杰李珊閆靜莫林
        石油與天然氣化工 2021年1期
        關(guān)鍵詞:實驗模型

        田源 肖杰 李珊 閆靜 莫林

        1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中國石油集團公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗基地

        在含硫氣田開采和集輸過程中,站場集輸管線及工藝設(shè)備由于不同原因產(chǎn)生的腐蝕是導(dǎo)致材料失效的重要原因之一。開展材料腐蝕預(yù)測能夠為管線材料提供高效管理建議,從而減輕腐蝕、減少不必要的損失。

        通過對國內(nèi)外腐蝕預(yù)測模型調(diào)研及對室內(nèi)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行收集、分析及訓(xùn)練,基于CO2/H2S共存條件下的半經(jīng)驗?zāi)P停_發(fā)了一套腐蝕預(yù)測軟件,并將軟件應(yīng)用于某井地面集輸系統(tǒng)單井間集輸管線的腐蝕速率預(yù)測計算,計算結(jié)果精確度在預(yù)期范圍內(nèi)。

        1 腐蝕預(yù)測模型

        腐蝕預(yù)測模型是通過解析實際腐蝕現(xiàn)象,分析腐蝕機理,并通過室內(nèi)實驗或現(xiàn)場監(jiān)/檢測值來確定模型中的系數(shù),最終得到腐蝕預(yù)測模型公式,用于對材料腐蝕趨勢的預(yù)測[1]。腐蝕預(yù)測模型通常分為經(jīng)驗?zāi)P?、半?jīng)驗半機理模型及機理模型三大類。

        腐蝕預(yù)測模型建立流程圖見圖1。

        1.1 經(jīng)驗?zāi)P?/h3>

        經(jīng)驗?zāi)P褪且詫嶒炇覕?shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依據(jù),進行簡單的線性或非線性數(shù)學(xué)擬合而建立的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式,其參數(shù)和表達式?jīng)]有任何物理意義。它通常是在某一個油氣田的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立起來的,因而在應(yīng)用上缺乏普遍性。在將模型應(yīng)用于其他地區(qū)油氣田的腐蝕進行預(yù)測時,效果與實測值偏差較大。因此,經(jīng)驗?zāi)P陀休^大的應(yīng)用局限性。

        1.2 半經(jīng)驗半機理模型

        半經(jīng)驗半機理模型是目前應(yīng)用較多的一種預(yù)測模型,其先建立簡單的具有一定物理意義的機理模型表達式,然后對其他未知參數(shù)進行類似經(jīng)驗型腐蝕速率預(yù)測模型建立時采用與實驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)擬合來得到最終的模型表達式。其中以SHELL 公司的De Waard 模型應(yīng)用最為廣泛,按照時間先后順序,有典型意義的幾個模型分別為:SHELL75、SHELL91、SHELL93和SHELL95[2],最初的SHELL75 只考慮溫度和CO2分壓的影響;SHELL91 考慮了介質(zhì)中pH值和Fe2+含量、腐蝕產(chǎn)物膜、原油等因素的影響;SHELL93則對SHELL91 模型的修正因子做了修改,且初步提出了流速影響論;SHELL95 模型進一步考慮了介質(zhì)傳輸過程和流速對腐蝕的影響。在De Waard模型的基礎(chǔ)上,各大石油公司以及科研機構(gòu)都推導(dǎo)出了自己的半經(jīng)驗型預(yù)測模型,例如BP公司的Cassandra模型,InterTech公司的ECE模型和Honeywell的Predict-Pipe模型等。近年來,該類模型開發(fā)的軟件在De Waard模型的基礎(chǔ)上有了長足的發(fā)展,尤其是在石油天然氣工業(yè)應(yīng)用方面。De Waard建立的CO2腐蝕活化反應(yīng)速率公式見式(1)。

        0.34(pHactual-pHCO2)

        2017年2月—2018年2月,采用方便抽樣方法選取到我院進行診療的首次上消化道出血患者458例。納入標(biāo)準(zhǔn):確診為上消化道出血,有嘔血和(或)便血癥狀;有認(rèn)知和行為能力;有溝通和配合能力;住院天數(shù)≥3 d;自愿參與者。排除標(biāo)準(zhǔn):認(rèn)知障礙或行動不便,無法理解和配合研究者;有嚴(yán)重并發(fā)癥;患有其他慢性疾病或嚴(yán)重腦、心、腎、肝等臟器疾??;不愿參與者。采用隨機數(shù)字法分為觀察組與對照組,每組各229例。兩組患者的年齡、性別、病程等一般資料經(jīng)比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。

        (1)

        式中:pH=3.82+0.003 84t-0.51 logpCO2,表示一定CO2分壓下溶液的pH值;pHactral表示實際測得溶液的pH值;t為溫度,℃ ;pCO2為CO2分壓,MPa

        1.3 機理模型

        機理模型與前兩類模型完全不同,它不需要也不依賴于任何實驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù),根據(jù)總結(jié)現(xiàn)有知識體系對腐蝕過程中的化學(xué)過程、電化學(xué)過程、物質(zhì)傳遞過程以及熱傳導(dǎo)和冷凝過程的認(rèn)知,通過建立數(shù)學(xué)表達式的方式預(yù)測腐蝕速率。機理模型的普遍特點在于其物理意義比較明確,對腐蝕數(shù)據(jù)要求不高,對腐蝕機理、關(guān)鍵性控制因素有一個清楚的認(rèn)識,可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行比較可信的外推,且隨著人們對腐蝕機理的進一步理解,可增加新的數(shù)學(xué)模塊使模型得到新的發(fā)展適用于新的腐蝕體系。機理模型中比較著名的是Nesic根據(jù)CO2腐蝕過程動力學(xué)建立的模型[3]。

        根據(jù)文獻調(diào)研和室內(nèi)實驗可知,溫度T、流速v、CO2氣體分壓和H2S氣體分壓是影響CO2/H2S共存環(huán)境下油管腐蝕速率的主要環(huán)境因素[4-6]。然而,目前常用的經(jīng)典模型幾乎都是關(guān)于CO2腐蝕的,并未考慮CO2/H2S共存條件,例如De Waard模型和Mishra模型在CO2/H2S共存條件下對腐蝕速率開展預(yù)測有局限性。

        李全安等通過探討分析影響腐蝕的主要因素,如溫度、溶液pH值及CO2/H2S共存等對腐蝕速率的影響,建立了CO2/H2S共存條件下的腐蝕預(yù)測模型[7]。其推導(dǎo)過程如下:

        當(dāng)p(CO2)/p((H2S)大于500時,CO2是影響腐蝕的主要因素,De Waard 模型和Mishra模型是預(yù)測CO2腐蝕的常用公式,分別遵循的公式如式(2)和式(3)。

        (2)

        (3)

        式中:rcorr為腐蝕速率,mm/a;C為常數(shù)。

        從式(2)De Waard模型和式(3)Mishra模型可以看出,rcorr∝(pCO2)n或lnrcorr和lnpCO2滿足線性關(guān)系,此時式(3)中n為常數(shù),n=0.67。通過分析可知,在CO2/H2S共存條件下,lnrcorr和lnpCO2之間依然滿足線性關(guān)系,但此時常數(shù)n不等于0.67,因此,需要引入校正因子ΔH2S。

        校正因子ΔH2S表達見式(4)。

        (4)

        式中:E為FeS膜形成的活化能,J/mol。

        當(dāng)pCO2/pH2S小于500時,修正因子ΔH2S非常小,接近于0;當(dāng)H2S氣體分壓減小至0時,此時的腐蝕影響因素僅為CO2,ΔH2S=1,n=0.67,符合De Waard模型和Mishra模型關(guān)系式。

        根據(jù)上述分析,腐蝕速率公式可表達為式(5)。

        (5)

        當(dāng)p(CO2)/p(H2S)小于500時,H2S是影響腐蝕的主要因素。通過分析得到H2S與腐蝕速率的關(guān)系見式(6)。

        lnrcorr=k(lnpCO2+lnpH2S)+a(lnpH2S)2+blnpH2S+c

        (6)

        式中:k、a、b、c均為常數(shù),可通過實驗數(shù)據(jù)擬合確定。

        綜上所述,得到CO2/H2S共存條件下的腐蝕模型見式(7)。

        lnpCO2+a(lnpH2S)2+blnpH2S+clnpCO2

        (7)

        式中:m為常數(shù);v為液體流速,m/s;Ea為腐蝕速率活化能,J/mol;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度,K ;Fscale為溫度系數(shù),是實際條件溫度T與最大腐蝕速率對應(yīng)溫度Tscale之比。

        2 軟件開發(fā)

        基于對CO2/H2S共存條件下材料腐蝕機理及經(jīng)典預(yù)測模型的對比分析,建立了CO2/H2S共存條件下的腐蝕預(yù)測半經(jīng)驗?zāi)P?,結(jié)合室內(nèi)高溫高壓腐蝕掛片實驗結(jié)果,擬合確定了模型中的待定系數(shù),基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,開發(fā)了含硫管道腐蝕預(yù)測軟件。軟件界面、腐蝕預(yù)測計算流程如圖2、圖3所示。

        3 軟件應(yīng)用實例

        3.1 室內(nèi)實驗

        選定開展預(yù)測的某井管道基本信息見表1。

        表1 管道基本信息管線長度/km管線材質(zhì)ρ(CO2)/(g·m-3)ρ(H2S)/(g·m-3)1.44L245NCS253.431.99

        為了得到主要生產(chǎn)參數(shù)對腐蝕速率的影響規(guī)律、明確腐蝕主導(dǎo)因素,開展了電化學(xué)高溫高壓實驗。實驗考慮影響腐蝕的因素有H2S氣體分壓、CO2氣體分壓、流速和溫度。

        實驗條件:模擬現(xiàn)場水,總壓7 MPa;試片材質(zhì)L245NCS。根據(jù)研究區(qū)塊現(xiàn)場實際工況參數(shù)和腐蝕環(huán)境設(shè)計實驗方案,實驗結(jié)果見表2。

        表2 實驗結(jié)果H2S分壓/MPaCO2分壓/MPa流速/(m·s-1)溫度/℃腐蝕速率/(mm·a-1)0.011.83601.321 20.012.48401.789 40.101.83401.641 20.102.48251.860 10.502.48602.624 8

        3.2 預(yù)測模擬計算

        (1) 導(dǎo)入訓(xùn)練集、測試集,開始訓(xùn)練模型,直到達到預(yù)期誤差<10%,模型訓(xùn)練的相對誤差見圖4。

        經(jīng)過多次訓(xùn)練,最后得到模型訓(xùn)練相對平均誤差為4.101%,滿足預(yù)期預(yù)測計算準(zhǔn)確度≥90%的要求。

        (2) 輸入預(yù)測條件參數(shù),進行計算,結(jié)果見表3。

        表3 計算結(jié)果H2S分壓/MPaCO2分壓/MPa流速/(m·s-1)溫度/℃預(yù)測腐蝕速率/(mm·a-1)0.011.83601.3170.012.48401.8020.101.83401.7540.102.48251.8790.502.48602.680

        表4 預(yù)測值與實測值誤差軟件預(yù)測值/(mm·a-1)實驗實測值/(mm·a-1)誤差/%1.3171.321 20.321.8021.789 40.701.7541.641 26.871.8791.860 11.022.6802.624 82.10

        將預(yù)測軟件計算值與同等條件下腐蝕掛片實驗實測值進行對比,結(jié)果見表4。

        由軟件預(yù)測值和實驗實測值的誤差計算結(jié)果可知,誤差均<10%,滿足預(yù)測計算準(zhǔn)確度≥90%的目標(biāo),軟件應(yīng)用效果較好。

        4 結(jié)束語

        (1) 基于文獻調(diào)研和對現(xiàn)有模型的分析對比,推導(dǎo)建立了CO2/H2S共存條件下的半經(jīng)驗腐蝕預(yù)測模型,結(jié)合室內(nèi)高溫高壓腐蝕掛片實驗數(shù)據(jù),通過數(shù)學(xué)擬合確定了待定系數(shù)的值,最終得到適用于含硫氣田集輸管道的腐蝕預(yù)測模型。

        (2) 在自建半經(jīng)驗?zāi)P偷幕A(chǔ)上,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,開發(fā)了含硫氣田集輸管道腐蝕預(yù)測軟件。將軟件應(yīng)用于某氣田單井,開展預(yù)測計算。預(yù)測結(jié)果與同等條件下的室內(nèi)腐蝕掛片實驗實測值之間的誤差均<10%,預(yù)測準(zhǔn)確度達到≥90%,軟件應(yīng)用效果較好。

        (3) 該自建半經(jīng)驗?zāi)P涂紤]的影響因素為H2S氣體分壓、CO2氣體分壓、流速、溫度,介質(zhì)環(huán)境的礦化度也是影響材料腐蝕嚴(yán)重程度的因素之一。開展室內(nèi)實驗時采用的礦化度數(shù)據(jù)取介質(zhì)環(huán)境礦化度上限恒定值,建立的模型缺乏考慮礦化度變化時對材料腐蝕速率的影響。因此,自建模型還需要進一步考慮影響腐蝕的其他重要因素,從而拓寬腐蝕預(yù)測模型預(yù)測的應(yīng)用范圍。

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