隨著全球天然氣市場需求的不斷增長，世界各國越來越重視非常規(guī)天然氣特別是對頁巖氣的開發(fā)與利用。目前，我國正在全國范圍內(nèi)對頁巖氣進行資源評價，預(yù)計到2020年底，全國將形成300億方頁巖氣產(chǎn)能。我國首個國家級頁巖氣示范區(qū)長寧—威遠頁巖氣田普遍使用加砂水力壓裂工藝。壓裂完畢，開始生產(chǎn)后，注入地層的大量壓裂液及固體顆粒（石英砂及陶粒）將返排至地面集輸系統(tǒng)，對其造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕等問題。

1 現(xiàn)場沖刷腐蝕問題

1.1 現(xiàn)場工況

長寧頁巖氣開采過程主要分為排采和生產(chǎn)兩個階段。排采階段頁巖氣井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量大、出砂較多，單井產(chǎn)氣量可達20～40萬 m3/d，產(chǎn)水量可達100～200 m3/d，平臺處理氣量可達100萬 m?/d左右。排采階段井口溫度約為60～70℃，流程溫度約為40~50℃，平臺集輸系統(tǒng)壓力約為20～30 MPa。生產(chǎn)階段頁巖氣井產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、出砂量較排采階段大幅下降，單井產(chǎn)氣量約為10萬 m3/d以內(nèi)，產(chǎn)水量約為30 m?/d以內(nèi)，平臺處理氣量約在60萬 m3/d以內(nèi)。生產(chǎn)階段井口溫度約為40～50℃，流程溫度約為30～40℃，平臺集輸系統(tǒng)壓力約為5～8 MPa。排采期，長寧頁巖氣單井出砂量最高達到了10 t/d，集輸系統(tǒng)部件沖刷腐蝕失效問題明顯，如表 1、圖 1所示。

圖1 排采平臺沖刷腐蝕失效部件

1.2 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕（Erosion-Corrosion） [1]是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。根據(jù)介質(zhì)可將沖蝕磨損分為兩大類：氣液噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕[2]。流動介質(zhì)中攜帶的第二相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上潰滅（氣泡），從而對材料表面施加機械力。如果按流動介質(zhì)及第二相排列組合，則可把沖蝕磨損分為四種類型[3]，如表 2所示。

長寧頁巖氣主要表現(xiàn)為噴砂式?jīng)_蝕，即高流速高砂量介質(zhì)直接沖擊集輸系統(tǒng)管壁，導(dǎo)致其短時間內(nèi)減薄穿孔。

1.3 砂礫含量測定

砂含量是沖刷腐蝕的主控因素之一。砂礫在管道內(nèi)隨氣液介質(zhì)流動，遇到彎頭時流動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化。砂礫沖擊管壁后因慣性作用將沿管壁繼續(xù)向前流動，如圖 2所示。

圖2 彎頭處砂礫流動狀態(tài)

砂礫撞擊彎頭時會產(chǎn)生震動噪音，且噪音頻率遠高于氣液介質(zhì)撞擊彎頭產(chǎn)生的噪音頻率。探頭在彎頭下游收集到高頻噪音后，將其轉(zhuǎn)換為電信號傳送給主機，主機將電信號收集并計算出該點在測試時間內(nèi)通過的最少砂量，如圖 3所示。

圖3砂礫監(jiān)測設(shè)備工作原理

使用“非侵入式砂含量測試技術(shù)”測得長寧頁巖氣某排采平臺集輸系統(tǒng)砂含量變化，如表 3所示。在此工況條件下，排采平臺排污管線彎頭壁厚短時間內(nèi)快速減薄。彎頭使用27天，壁厚減薄量達到了42.73 mm，如圖 4所示。

圖 4排污管線彎頭快速減薄

2 實驗室腐蝕模擬評價

排采完畢后，集輸系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)流速降低，砂含量降低，為進一步模擬正式生產(chǎn)過程中集輸系統(tǒng)腐蝕問題，開展了不同產(chǎn)出液、砂含量、流速條件下金屬材料腐蝕評價[4]。

2.1 不同產(chǎn)出液條件下金屬材料腐蝕評價

選取了7個平臺的現(xiàn)場水樣開展實驗，試片材料為現(xiàn)場集輸系統(tǒng)使用的L360N，如圖 5所示。

圖 5不同產(chǎn)出液條件下腐蝕評價實驗

基于不同產(chǎn)出液條件下L360N材料腐蝕評價結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）試片在H10生產(chǎn)平臺水樣中，出現(xiàn)了極嚴(yán)重腐蝕。

（2）試片在H3、 H4、 H9、 H12生產(chǎn)平臺水樣中，出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕。

（3）試片在寧201中心站和H5排采平臺水樣中，均為中度腐蝕。

（4）試片在7個生產(chǎn)平臺的產(chǎn)出液中，均為中度腐蝕。

2.2 不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評價

實驗選取了某生產(chǎn)平臺產(chǎn)出液作為液體環(huán)境，并根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果設(shè)置了5種不同砂量。實驗溫度40℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，轉(zhuǎn)速為1500 r/min，結(jié)果如圖 6所示。

圖 6不同砂含量條件下金屬材料腐蝕評價

在溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和液體環(huán)境不變的環(huán)境中，基于不同砂含量條件下L360N材料腐蝕評價結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）隨著加砂量不斷增大，試片腐蝕速率不斷增大；（2）當(dāng)加砂量增大到217.8 g/L時，試片的腐蝕速率明顯增大，且腐蝕程度由中度腐蝕變?yōu)榱藝?yán)重腐蝕。

因此，在低流速且砂含量較低的環(huán)境中，集輸系統(tǒng)主要為電化學(xué)腐蝕；當(dāng)砂量較高時，也增強了腐蝕影響。

2.3 不同流速條件下金屬材料腐蝕評價

實驗選取了某生產(chǎn)平臺的水樣作為液體環(huán)境，加砂量為217.8 g/L，實驗溫度40℃，壓力6 MPa，二氧化碳分壓0.1 MPa，結(jié)果如圖7所示。

圖 7不同流速條件下金屬材料腐蝕評價

在溫度、壓力、加砂量和液體環(huán)境不變的環(huán)境中，基于不同流速條件下L360N材料腐蝕評價結(jié)果，初步得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速處于1 500～500 r/min，即反應(yīng)釜內(nèi)液體流速處于0.3～1.6 m/s時，試片的腐蝕速率基本沒有變化，腐蝕程度均為嚴(yán)重腐蝕，主要是電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕的相互作用；（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min ，即反應(yīng)釜內(nèi)液體流速為0.1 m/s時，試片的腐蝕速率明顯增大，腐蝕程度為極嚴(yán)重腐蝕。原因為轉(zhuǎn)速過低，反應(yīng)釜內(nèi)液體流速過低，實驗過程中電化學(xué)腐蝕作用遠大于石英砂對試片的機械磨損。

3 結(jié)論

（1） 通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，長寧頁巖氣沖刷腐蝕問題主要發(fā)生在排采階段，且集中發(fā)生于集輸系統(tǒng)的排污管線。

（2）砂含量測定結(jié)果表明：長寧頁巖氣集輸系統(tǒng)高出砂期為排采階段高排液期，持續(xù)時間一般為2～3天。生產(chǎn)階段井底幾乎不出砂，但在頁巖氣井提液或氣舉作業(yè)時，會造成井底短時間出砂量增加。

（3）分析研究了不同流速、不同產(chǎn)出液和不同砂含量條件下，金屬材料的腐蝕變化程度。實驗結(jié)果表明：積液/砂環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕程度與返排液離子組分、砂礫覆蓋金屬材料面積有關(guān)，腐蝕速率在0.1 mm/a～0.2 mm/a。低流速環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕速率與流速、砂含量變化有關(guān)，腐蝕速率在0.02 mm/a～0.15 mm/a。

參考文獻：

[1] 路民旭，白真權(quán)，趙新偉，等。 油氣采集儲運中的腐蝕現(xiàn)狀及典型案例[J]. 腐蝕與防護，2002，23（3）：105-113.

[2] 代真，段志祥，沈士明。 流體力學(xué)因素對液固兩相流沖刷腐蝕的影響[[J]. 技術(shù)產(chǎn)品版，2006: 4-7.

[3] Samarth Tandon, Ming Gao, Rick McNealy. Erosion-corrosion failure of a carbon steel pipe elbow-A case study [C]. NACE, 2009, Paper No.09479.

[4] 付靜，周曉君，袁輝。 油田管線液固兩相流動磨蝕實驗研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2004, （3）： 37-38.

基金項目：中國石油西南油氣田分公司2017年科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“長寧頁巖氣集輸系統(tǒng)含砂條件下腐蝕分析與控制措施研究”（20170304-07）。

作者：謝明， 1989年生，男，四川南充人，工程師，2015年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，研究生學(xué)歷（工學(xué)碩士），現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院，從事頁巖氣腐蝕與防護研究工作。