張連平

摘要：涪陵頁巖氣田是我國首個進(jìn)行大型商業(yè)化開采的示范性頁巖氣田，采用水平井分段壓裂技術(shù)，壓裂工況苛刻，壓裂壓力、流速和砂含量高。產(chǎn)出水成分復(fù)雜，細(xì)菌含量高，腐蝕影響因素多，地面集輸系統(tǒng)自2014年陸續(xù)出現(xiàn)腐蝕穿孔，穿孔頻率隨生產(chǎn)時間增加逐漸上升，影響頁巖氣田安全開發(fā)。本文針對涪陵頁巖氣田集輸系統(tǒng)的腐蝕與控制技術(shù)開展研究，簡要分析了集輸系統(tǒng)腐蝕穿孔原因、特征，形成了壓裂液細(xì)菌控制、集氣站高效氣、液、固分離、污水管和污水罐的材質(zhì)選擇、集氣站管徑及管道工藝優(yōu)化、緩蝕劑加注、腐蝕監(jiān)測及智能清管檢測的全流程成套防腐技術(shù)。

關(guān)鍵詞：天然氣集輸系統(tǒng);腐蝕;緩蝕劑加注;應(yīng)用效果;經(jīng)濟(jì)效益;社會效益

一、研究背景及意義

涪陵頁巖氣田是我國首個大型示范性頁巖氣田，以焦頁1井獲得商業(yè)頁巖氣為標(biāo)志，中國石化乃至中國頁巖氣開發(fā)取得了歷史性突破，從此進(jìn)入高速發(fā)展階段，2013年9月焦頁1井被國家能源局設(shè)立為重慶涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)。

自2014年涪陵頁巖氣田的多個集氣站的埋地管道，污水管、污水罐、彎頭及三通已經(jīng)出現(xiàn)了腐蝕穿孔，部分部位發(fā)生了多次腐蝕穿孔，在氣田開發(fā)后期，集氣系統(tǒng)的腐蝕問題將表現(xiàn)得更加嚴(yán)重。目前國內(nèi)針對頁巖氣生產(chǎn)過程設(shè)備腐蝕問題，殺菌劑、緩蝕劑開發(fā)及性能評估及現(xiàn)場應(yīng)用方面研究報道很少。因此，開展集氣站污水管道和污水罐等發(fā)生腐蝕穿孔的原因分析，集輸管道腐蝕風(fēng)險，腐蝕規(guī)律及機(jī)理，地面集輸系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)技術(shù)研究對于中石化頁巖氣開發(fā)具有重要的意義。

二、集輸干線腐蝕原因

由江漢油田分公司和中國石化青島安全工程研究院聯(lián)合開展攻關(guān)的2016年先導(dǎo)項目《涪陵頁巖氣田地面集輸系統(tǒng)防腐技術(shù)研究》對地面集輸系統(tǒng)的腐蝕原因及機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下：

系統(tǒng)研究了地面集氣站污水罐、污水管和集氣管線的腐蝕規(guī)律分布特征。污水管和污水罐的最短穿孔時間分別為217天和162 天，最大穿孔速率分別為5.9mm/y和13.5mm/y，主要為腐蝕及沖刷等導(dǎo)致穿孔;集氣站集氣管線的最短穿孔時間為132 天，穿孔主要發(fā)生在彎頭，水平管，彎頭焊縫，立管和三通等部位。涪陵氣田地面集輸系統(tǒng)腐蝕的主要影響因素包括氯離子，成垢離子及細(xì)菌等，水樣中的細(xì)菌來源于地面加注水和地下水。涪陵氣田集氣站產(chǎn)生的污水均存在細(xì)菌，氯離子含量較高，污水礦化度高，成垢離子含量高等特征;地面集輸系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理相同，均為細(xì)菌腐蝕和垢下腐蝕是導(dǎo)致管道底部腐蝕穿孔的主要原因，水中的Cl-加速了腐蝕穿孔的發(fā)生。

三、集輸干線腐蝕狀況

2018年4月28日在白濤脫水站1#分離器處安裝了編號為F3和F4的腐蝕掛片（2018年6月～9月在DN300管道開展了緩蝕劑加注實驗），2018年9月2日在2#脫水站進(jìn)站處安裝了編號為003和604的腐蝕掛片，上述4個腐蝕掛片均于2018年12月13日取出，4個試樣均懸掛在氣相，未直接與管道底部的產(chǎn)出水接觸。四個腐蝕掛片均發(fā)生了明顯的小孔腐蝕，F(xiàn)3和F4的均勻腐蝕速率約為0.002mm/y，最大小孔腐蝕速率為0.13mm/y;003和604的均勻腐蝕速率約為0.008mm/y，最大小孔腐蝕速率為0.27mm/y。

通過對2015年～2018年在DN300和DN550集輸干線的腐蝕掛片進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果表示：根據(jù)Q/SH0468/2012標(biāo)準(zhǔn)，DN300和DN550集輸干線的均勻腐蝕等級均為低，DN300集輸干線的小孔腐蝕等級為中等，DN550集輸干線的小孔腐蝕等級為高～嚴(yán)重級別。

四、緩蝕劑類型

針對涪陵頁巖氣田集輸系統(tǒng)存在的細(xì)菌腐蝕、氯離子腐蝕及垢下腐蝕等共同作用的腐蝕特征，中國石化青島安全工程研究院研制了兩種新型、綠色、頁巖氣專用緩蝕劑RISE-16-1和RISE-16-2，具有緩蝕、殺菌、阻垢、耐沖刷的效果及用量少、效果高、低毒環(huán)保的特點，建立了產(chǎn)出水中緩蝕劑殘余濃度定量分析方法。

緩蝕劑研制RISE-16-1和RlSE-16-2緩蝕劑是水溶油分散吸附成膜型緩蝕劑，主劑分子結(jié)構(gòu)上含有多個強(qiáng)吸附官能團(tuán)，緩蝕劑中的小分子增效劑填充在主劑分子結(jié)構(gòu)縫隙增強(qiáng)緩蝕劑膜的完整性與致密性，在金屬表面形成持久穩(wěn)定的嵌入式復(fù)合膜。緩蝕劑與多種優(yōu)選的殺菌、阻垢及增效等成分以科學(xué)的比例搭配復(fù)合在一起，主要由脂肪烴和芳香烴的混合物、碳?xì)浠衔?、咪唑啉衍生物及陽離子胺等組成。金屬表面的結(jié)垢是由于腐蝕和碳酸鹽等引起的，緩蝕劑通過在金屬表面形成有機(jī)吸附膜，疏水的非極性鍵可隔離腐蝕性介質(zhì)與金屬表面接觸，保護(hù)金屬不受腐蝕，減少腐蝕造成的結(jié)垢，同時由于絡(luò)合作用增加了碳酸鹽的溶解度，又可以避免形成碳酸鈣垢等。因此，緩蝕劑各成分之間相互取長補(bǔ)短，并產(chǎn)生協(xié)同增效作用，有效防止陰、陽離子結(jié)合成垢，對集輸系統(tǒng)產(chǎn)出水的結(jié)垢有很好的抑制作用，有效殺滅和抑制細(xì)菌生長，使緩蝕劑能夠在金屬表面形成多中心吸附時沖刷的致密疏水性保護(hù)層，從而阻礙與腐蝕反應(yīng)有關(guān)的電荷或物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，達(dá)到保護(hù)和防止腐蝕的目的。因此，RISE-16-1和RISE-16-2緩蝕劑具有緩蝕、殺菌、阻垢、時沖劇的效果及用量少、效率高、低毒環(huán)保的特點。為了避免細(xì)菌對殺菌劑形成耐藥性，現(xiàn)場使用時RISE16-1和RISE-16-2緩蝕劑交替加注。

五、緩蝕劑加注與效果

我公司從2018年6月開始在涪陵頁巖氣田44-4井、40#集氣站、集輸支線、DN300和DN550集氣干線分別開展了現(xiàn)場緩蝕劑加注。具體加注情況及現(xiàn)場應(yīng)用效果如下：

5.1、φ168集氣支線緩蝕劑加注與效果

2018年6月～9月在涪陵頁巖氣田9#集氣站連續(xù)加注緩蝕劑保護(hù)φ168集氣支線。兩種緩蝕劑每15天交替一次。在10-1井氣液分離后DN100天然氣管道和9號集氣站φ168集氣支線上分別掛片監(jiān)測緩蝕劑加注前后的腐蝕情況。

未加緩蝕劑時，50天后φ168集氣支線上掛片表面腐蝕產(chǎn)物較多，均勻腐蝕速率為0.022mm/y，發(fā)生了明顯的小孔腐蝕。加注50天緩蝕劑后，掛片表面光亮，腐蝕產(chǎn)物很少，可見金屬打磨痕跡，均勻腐蝕速率降為0.007mm/y，未發(fā)生小孔腐蝕。

5.2、40#集氣站緩蝕劑加注與效果

2018年10月～12月期間在40#集氣站生產(chǎn)匯管開展緩蝕劑連續(xù)加注實驗。前10天按照260ppm連續(xù)加注RISE-16-1緩蝕劑，然后按照100ppm連續(xù)加注10天RISE-16-2緩蝕劑和20天RISE-16-1緩蝕劑。在生產(chǎn)分離器入口掛片監(jiān)測加注緩蝕劑后的腐蝕情況，加注40天緩蝕劑后掛片均勻腐蝕速率為0.001mm/y，表面光亮，未出現(xiàn)小孔腐蝕。

5.3、DN300和DN550集輸干線緩蝕劑加注與效果

2018年12月在DN300和DN550集輸干線起點11#和12#集氣站連續(xù)加注緩蝕劑RISE-16-1，對兩條集輸干線進(jìn)行腐蝕保護(hù)，并在11#和12#集氣站和白濤脫水站進(jìn)行腐蝕掛片，在白濤1#脫水站2#分離器和2#脫水站3#分離器取水樣，測量鐵含量、細(xì)菌含量及緩蝕劑殘余濃度。

1）DN300集輸干線

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為460ppm，SRB細(xì)菌為250000個/mL，掛片表面出現(xiàn)了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.17mm/y。

緩蝕劑加注量少，僅為0.098L/萬方，加注10天緩蝕劑后，鐵離子濃度降為110ppm。加注6天緩蝕劑后，SRB細(xì)菌降為0.9個/mL，停止加注緩蝕劑7天后，SRB細(xì)菌為0個/mL。緩蝕劑殘余濃度為49ppm時鐵離子濃度仍然沒有增加，對DN300集氣干線腐蝕仍有抑制作用。

在距離緩蝕劑加注點20公里的白濤1#脫水站安裝腐蝕掛片，加注17天緩蝕劑后掛片表面光亮，無小孔腐蝕，均勻腐蝕速率為0.002mm/y。

2）DN550集輸干線

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為910ppm，SRB細(xì)菌為600000個/mL，掛片表面出現(xiàn)了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.45mm/y。

緩蝕劑加注量為0.15L/萬方，加注10天緩蝕劑后，鐵離子濃度降為100ppm。加注9天緩蝕劑后，SRB細(xì)菌降為0.5個/mL，停止加注緩蝕劑7天后，SRB細(xì)菌為0個/mL。緩蝕劑殘余濃度為44ppm時鐵離子濃度仍然沒有增加，對DN550集氣干線腐蝕有抑制作用。

在緩蝕劑加注起點和距離28公里的白濤2#脫水站分別安裝腐蝕掛片，加注緩蝕劑20天后掛片表面光亮，無小孔腐蝕，均勻腐蝕速率分別為0.003mm/y和0.002mm/y。

5.4、44-4井緩蝕劑加注與效果

2018年3月～4月在44-4井以沖擊方式加注緩蝕劑，前2天以25L/天加注RISE-16-1緩蝕劑，然后每3天加注一次，每次50L，15天后換成RISE-16-2緩蝕劑，在44-4井井口及計量分離器分別掛片監(jiān)測緩蝕劑在44-4井和集氣站的緩蝕效果。

未加緩蝕劑時，鐵離子濃度為129ppm，井口腐蝕掛片的均勻腐蝕速率為0.014mm/y，出現(xiàn)了小孔腐蝕，最大小孔腐蝕速率為0.25mm/y。

加注22天后鐵離子濃度降為15ppm，加注30天緩蝕劑后，井口和集氣站計量分離器處掛片表面光亮，均勻腐蝕速率分別為0.005mm/y和0.006mm/y，未發(fā)生小孔腐蝕。

上述工業(yè)應(yīng)用表明，RISE-16-1和RISE-16-2緩蝕劑滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，用量少，可控制均勻腐蝕速率小于0.076mm/y，不出現(xiàn)小孔腐蝕，有良好的緩蝕、殺菌、阻垢和抗沖刷效果，可有效控制井下管柱和集輸系統(tǒng)的腐蝕。

六、研究成果應(yīng)用情況

本項目的研究成果在涪陵頁巖氣田開發(fā)中獲得了良好的應(yīng)用效果有效控制了集輸系統(tǒng)的腐蝕。

基于項目對細(xì)菌來源和腐蝕原因分析，中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司在頁巖氣田生產(chǎn)運行中增加了產(chǎn)出水細(xì)菌測量分析項目，采取了壓裂液細(xì)菌控制、污水管、污水罐的材質(zhì)更換和集氣支干線定期清管等腐蝕控制措施。研制的兩種緩蝕劑在44-4井、40#集氣站、集輸支線、DN300和DN550集氣干線獲得了良好的緩蝕、殺菌、阻垢和耐沖刷現(xiàn)場應(yīng)用效果，有效抑制了結(jié)垢和小孔腐蝕發(fā)生。采用緩蝕劑殘余濃度定量分析方法對一期44-4井、白濤脫水站的30余個產(chǎn)出水水樣進(jìn)行了測量，提高了緩蝕劑應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

研究成果還對二期設(shè)計和安全運行有指導(dǎo)作用，在二期建設(shè)設(shè)計中采納了該項目提出的建議措施，調(diào)整了集氣站計量方式，更換了污水管和污水罐材質(zhì)，優(yōu)化了污水罐與氣液分離器結(jié)構(gòu)、站內(nèi)工藝管線管徑與流程，增設(shè)了集氣支干線的腐蝕監(jiān)控與智能清管檢測等措施，取得了明顯的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

本項目成果還可以在中國石化西南分公司，華東分公司、國內(nèi)其它頁巖氣田及天然氣田推廣應(yīng)用，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

七、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

本項目成果的應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

1）一期集氣站維修費用節(jié)省約1500萬元/年;引起的生產(chǎn)費用若按照搶修計算，平均1次維修2天，1個集氣站平均每年維修2次，影響產(chǎn)量平均20萬方/次，影響產(chǎn)量費用為5700萬/年;集輸支干線排液、清管與腐蝕控制成本降低1000萬元/年;

2）二期污水罐投資節(jié)約150萬元，污水管和污水罐更換材質(zhì)后，降低了腐蝕風(fēng)險，節(jié)約了維修費用，全部投產(chǎn)后維修及腐蝕控制成本降低1300萬元/年以上。

3）二期改為單井連續(xù)計量工藝后，分離器的氣液分離效果更好，集氣站管線積液減少，降低了集氣站、集輸支干線的腐蝕穿孔風(fēng)險，產(chǎn)生了良好的間接效益。

7.2 社會效益

涪陵頁巖氣田建成的100億方產(chǎn)能對緩解我國天然氣供需矛盾，降低對外依存度，提升保障能力，改善民生需求，促進(jìn)節(jié)能減排，防治大氣污染都具有意義。本項目研究成果的實施和應(yīng)用有效避免了非計劃停工和惡性事故的發(fā)生，保障了天然氣的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。自2015年起，涪陵頁巖氣通過“川氣東送”管道，源源不斷地為長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展提供清潔能源，惠及沿線六省二市70多個城市，上千家企業(yè)、2億多居民從中受益。涪陵頁巖氣田的順利開發(fā)對促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用，對我國頁巖氣勘探開發(fā)具有很強(qiáng)的示范引領(lǐng)作用，顯著提升了國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信心，具有顯著的社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳光進(jìn)，孫長宇，馬慶蘭.氣體水合物科學(xué)與技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 王林軍，邵磊，張學(xué)民，等.氣體水合物應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展.甘肅科學(xué)學(xué)報，2012，24（1）：49-54.

[3] 馬昌峰.水合物技術(shù)應(yīng)用于氣體混合物分離的研究：（博士學(xué)位論文）.北京：中國石油大學(xué)， 2001.