王勇 鄭鶴

1.中國石油西南油氣田公司集輸工程技術(shù)研究所 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

長寧頁巖氣區(qū)塊是中國石油西南油氣田公司于2007年提出的勘探開發(fā)有利區(qū)塊，2009年開始聯(lián)合威遠區(qū)塊建立長寧-威遠頁巖氣產(chǎn)業(yè)化示范區(qū)[1-3]。截至2017年初，已經(jīng)建成10×108m3/a的配套產(chǎn)能，具備了310×104m3/d的產(chǎn)量規(guī)模，其安全、高效生產(chǎn)是我國天然氣產(chǎn)能的重要保障[4]。

目前，長寧頁巖氣區(qū)塊內(nèi)普遍采取適度出砂開采技術(shù)，以防止儲層堵塞，從而形成良好的近井地帶開采環(huán)境。但是，采出氣中攜帶的砂粒對平臺設備、彎頭等產(chǎn)生了較為顯著的沖蝕損傷。同時，頁巖氣氣井壓力伴隨著開采時間的延長而迅速衰減，導致砂含量、水含量、站場壓力等參數(shù)劇烈變化，從而使得集輸系統(tǒng)的腐蝕速率不斷變化。另一方面，長寧頁巖氣集輸站場普遍采用撬裝化設備，以適應產(chǎn)量衰減后的滾動開發(fā)，增加設備的利用率、減少投資。然而撬裝設備的結(jié)構(gòu)緊湊，設備密度大，同時平臺井站的生產(chǎn)撬裝、增壓撬裝常隨著滾動開發(fā)的進行而搬遷，增加了設備的損傷風險。因此，如何通過合理的風險評價方法，準確地評估設備風險，保證集輸站場的無事故連續(xù)運營就成為長寧頁巖氣區(qū)塊亟待解決的問題。

以基于風險的檢驗(RBI)評價技術(shù)為核心的站場設備風險評價方法，已經(jīng)成為油氣站場靜設備的主要風險評價標準[5-9]。本研究針對頁巖氣集輸站場參數(shù)波動造成的腐蝕速率不斷變化的問題，基于三次樣條插值法動態(tài)地預測頁巖氣集輸設備的腐蝕速率[10-11]，建立頁巖氣集輸站場靜設備腐蝕速率預測模型，以修正RBI技術(shù)中默認腐蝕速率為常數(shù)的算法；針對撬裝設備結(jié)構(gòu)密集易引發(fā)多米諾效應事故的問題[12-14]，基于傳統(tǒng)的多米諾后果計算方法并結(jié)合撬裝設備的特點加以改進，建立撬裝設備多米諾后果計算模型。結(jié)合傳統(tǒng)的RBI技術(shù)與建立的修正模型共同構(gòu)建頁巖氣集輸站場靜設備的風險評價技術(shù)。

1 RBI技術(shù)的改進

針對頁巖氣集輸站場靜設備的特點，對RBI技術(shù)減薄損傷的腐蝕速率與傳統(tǒng)的多米諾效應后果分別進行改進，以實現(xiàn)對靜設備科學、準確的評價。

1.1 三次樣條插值法腐蝕速率預測模型

根據(jù)頁巖氣氣質(zhì)特點，頁巖氣集輸站場靜設備失效主要考慮的是腐蝕減薄的影響。通常對于腐蝕速率的預測，可通過對頁巖氣集輸站場設備或管道進行現(xiàn)場掛片實驗，或根據(jù)檢驗結(jié)果，得到一定時間的腐蝕速率，然后采用最小二乘法進行曲線擬合[15-17]，從而可對未來腐蝕速率進行預測。在區(qū)塊開發(fā)時，即對長寧頁巖氣H19區(qū)塊的生產(chǎn)管道進行腐蝕速率掛片實驗，結(jié)果見表1。由表1可見，第7年、第8年腐蝕速率有所增加，腐蝕數(shù)據(jù)突然增加與當年的測量環(huán)境有關(guān)系，原因可能是上游新井投產(chǎn)導致氣質(zhì)條件發(fā)生變化或者存在細菌腐蝕導致腐蝕速率增加。由于腐蝕機理不是本研究的重點，直接引用實測腐蝕速率進行擬合預測。采用最小二乘法對腐蝕速率進行多項式擬合，利用三次多項式擬合，得到腐蝕速率預測結(jié)果(見圖1)。

表1 腐蝕速率

這種方法的優(yōu)點是操作簡單、可用性強。缺點是在實際生產(chǎn)過程中，溫度、流速、壓力等影響腐蝕速率的因素都會發(fā)生變化，因此難以得到準確的函數(shù)關(guān)系，用已有監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合得到的曲線無法準確地反映未來腐蝕速率的變化。

為適應頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕速率不斷變化的特點，利用三次樣條插值法預測腐蝕速率代替RBI技術(shù)中默認腐蝕速率為常數(shù)的算法。

樣條插值是使用一種名為樣條的特殊分段多項式進行插值的形式。由于樣條插值可以使用低階多項式樣條實現(xiàn)較小的插值誤差，這樣就避免了使用高階多項式所出現(xiàn)的龍格現(xiàn)象，所以樣條插值得到了流行。由于頁巖氣地面集輸站場設備的腐蝕數(shù)據(jù)量有限，多元回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡分析不現(xiàn)實。同時，簡單的初等函數(shù)擬合難以反應真實的腐蝕速率變化趨勢，因此，在缺乏在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，三次樣條曲線可以較精確地預測設備短期的腐蝕速率。

一般而言，對于n+1個給定點的數(shù)據(jù)集{xi}，采用n段三次多項式在數(shù)據(jù)點之間構(gòu)建一個三次樣條。如果用S(xi)(i取0～i-1)表示對函數(shù)f(x)的樣條插值函數(shù)[18]，則需要滿足：

(1)插值特性：

S(xi)=f(xi)

(1)

(2)樣條相互連接：

Si-1(xi)=Si(xi),i=1,…,n-1

(2)

(3)兩次連續(xù)可導：

(3)

由于每個三次多項式需要4個條件才能確定曲線形狀，所以對于組成S的n個三次多項式，就意味著需要4n個條件才能確定這些多項式。這樣，n個區(qū)間可以找出n-1對導數(shù)相等條件。至此，可以找出2n+2(n-1)=4n-2個條件。另外兩個條件，可以根據(jù)不同的因素使用不同的條件。由于三次樣條曲線推導過程較為復雜，因此借助Matlab軟件內(nèi)置的三次樣條函數(shù)Spline函數(shù)進行計算。對表1的腐蝕速率進行擬合，三次樣條曲線的腐蝕速率擬合結(jié)果見圖2。

圖2中采用三次樣條曲線得到的腐蝕速率預測與圖1相比更接近于實測值，在計算靜設備失效概率的過程中，采用樣條曲線預測的腐蝕速率計算設備損傷因子，提高了腐蝕速率計算的準確性。

1.2 撬裝設備附加多米諾效應失效后果計算模型

傳統(tǒng)的多米諾效應失效后果的計算方法為初始設備失效后果與多米諾效應后果的和，其計算公式如式(4)所示。

(4)

式中：F為多米諾效應失效后果；Fp為初始事件的失效后果；Pd,i為由初始事件引起第i個設備發(fā)生失效的概率；Fd,i為第i個事件的失效后果。

對于儲罐等獨立靜設備而言，將后果進行相加是可行的，但是撬裝設備結(jié)構(gòu)緊密，因此兩個臨近設備的后果值按式(4)計算會出現(xiàn)高估，示意圖如圖3所示。

如圖3所示，撬裝設備初始事件的后果和多米諾后果出現(xiàn)了一部分重疊，因此必須對傳統(tǒng)的多米諾效應后果計算方法進行改進。假設發(fā)生多米諾效應事故時，撬裝設備各個組件之間相互聯(lián)通且泄漏過程不受干擾，認為整個撬的流體介質(zhì)全部發(fā)生泄漏，則在計算失效后果時認為潛在最大介質(zhì)泄漏量等于整個撬裝單元的介質(zhì)存儲量，計算公式如式(5)所示。撬裝設備的后果簡化為圖4，對于結(jié)構(gòu)緊湊的撬裝設備可以更為精準地預測其后果。

Mavail,n=Minv

(5)

式中：Mavail,n為潛在的最大介質(zhì)泄漏量；Minv為全部部件的介質(zhì)存儲量。

2 實例應用

2.1 集氣站概況

長寧頁巖氣區(qū)塊某集氣站為新建集氣站，累計工作年限為3年。主要作用是對周邊單井來氣進行匯集、分離，之后通過集氣干線輸往某中心站，預留有后期增壓接口。站內(nèi)設有清管收發(fā)球裝置、臥式重力分離器等設備。整體的工藝流程如圖5所示。

在已有的現(xiàn)場資料分析中，獲取現(xiàn)場的主要靜設備包括管束整流器、匯氣管、臥式重力分離器共計3個。輸氣管道按照管徑與安裝年份劃分為5種，包括聯(lián)結(jié)到發(fā)球筒的管-1(DN273.1)、聯(lián)結(jié)到收球筒-2的管-2(DN219.1)、接收2平臺來氣的管-3(DN168.3)、接收1平臺來氣的管-4(DN114.3)、聯(lián)結(jié)到收球筒-3的管-3(DN273.1)。污水管道按照不同的聯(lián)結(jié)位置劃分為3種，包括聯(lián)結(jié)到分離器的污水管-1(DN88.9)、聯(lián)結(jié)到收球筒-2的污水管-2(DN88.9)、聯(lián)結(jié)到收球筒-3的污水管-3(DN88.9)。

2.2 集氣站靜設備風險評價

基于常規(guī)RBI技術(shù)的計算流程，結(jié)合上述建立的腐蝕速率預測模型與撬裝設備附加多米諾效應失效后果計算模型對集氣站進行風險評價。重點關(guān)注設備腐蝕速率與失效后果的變化值。

基于三次樣條插值法腐蝕速率預測模型獲得集輸站場設備第4年的腐蝕速率之后，將其應用于RBI技術(shù)計算腐蝕減薄因子中，以計算設備修正系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在充分與現(xiàn)場管理人員交流，了解現(xiàn)場管理情況的條件下給管理系統(tǒng)評分表打分，對集氣站進行打分為521分，計算得到站場管理因子為0.695。在API 581-2016《基于風險的檢驗》中[9]，獲得設備的通用失效概率之后可計算設備的失效概率。

在RBI技術(shù)計算失效后果的過程中，在計算撬裝設備潛在的最大介質(zhì)泄漏量時[6]，基于建立的撬裝設備附加多米諾效應失效后果計算模型假設，默認撬裝設備潛在的最大介質(zhì)泄漏量為整個撬裝單元的介質(zhì)存儲量，然后確定泄漏類型、計算泄漏速率或泄漏量，最終計算設備的失效后果面積，計算結(jié)果見表2。

由表2可知，同類設備失效頻率確定原則是基于其腐蝕速率，分離器排污管道失效概率較大，這是因為現(xiàn)場反應污水管道的細菌腐蝕較為嚴重，該失效概率中附加了細菌腐蝕造成的損傷，細菌失效概率與沖蝕造成的失效概率進行了疊加，使得現(xiàn)場的污水管道失效概率急劇增加，是符合現(xiàn)場的生產(chǎn)規(guī)律的。采用三次樣條曲線腐蝕速率預測模型較常規(guī)腐蝕速率增大1.25～1.48倍。采用撬裝設備附加多米諾效應失效后果計算模型對失效后果進行修正，面積風險最大增加30.18%。

表2 集氣站靜設備計算結(jié)果匯總

3 結(jié)論

本研究采用三次樣條曲線腐蝕速率預測模型對傳統(tǒng)RBI技術(shù)的失效概率進行修正，同時建立了撬裝設備附加多米諾效應失效后果計算模型，對失效后果進行修正。計算結(jié)果表明，建立的腐蝕速率預測模型較常規(guī)腐蝕速率增大1.25～1.48倍，面積風險最大增加30.18%，說明了模型的有益性。相比于傳統(tǒng)的RBI技術(shù)，本研究建立的新模型在評價頁巖氣集輸站場撬裝靜設備時更為精確，更加適應頁巖氣集輸站場的工作特點，為頁巖氣集輸站場靜設備風險計算提供了理論依據(jù)。