中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

0 引言

四川盆地南部地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱川南）目前已成為中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)，威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)建設(shè)持續(xù)快速推進(jìn)[1-3]。截至2020 年10 月10 日，川南頁(yè)巖氣項(xiàng)目已建成投產(chǎn)400 余口頁(yè)巖氣井，日產(chǎn)氣量超過(guò)4 000×104m3。

川南頁(yè)巖氣開(kāi)采普遍采用了體積壓裂技術(shù)，單井水平井壓裂液用量介于4×104～5×104m3、支撐劑（石英砂和陶粒）用量介于2.5×103～3.0×103t[4]。在壓裂施工結(jié)束后的頁(yè)巖氣排采和生產(chǎn)過(guò)程中，壓裂返排液將對(duì)地面排采流程設(shè)備和地面集輸系統(tǒng)帶來(lái)不同程度的腐蝕，有可能致使設(shè)備和管線穿孔失效，進(jìn)而影響集輸生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

為了提高頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平，基于中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣腐蝕控制技術(shù)支撐平臺(tái)，借助于腐蝕環(huán)境和生產(chǎn)工況分析、材料失效評(píng)價(jià)及優(yōu)選、殺菌緩蝕劑應(yīng)用和生產(chǎn)工藝參數(shù)控制優(yōu)化等方法和手段，開(kāi)展了川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕行為和控制措施研究，提出了有針對(duì)性的腐蝕控制措施并在川南頁(yè)巖氣項(xiàng)目成功應(yīng)用。以期有效減緩川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)的腐蝕失效、提升安全運(yùn)行水平。

1 川南頁(yè)巖氣開(kāi)采及腐蝕現(xiàn)狀

1.1 川南頁(yè)巖氣開(kāi)采情況

四川盆地頁(yè)巖氣資源量為21.7×1012m3。其中，川南頁(yè)巖氣資源量達(dá)到了11.9×1012m3[5-6]，已成為中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，包括威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通、自貢、瀘州等多個(gè)有利建產(chǎn)區(qū)[7]。自2010 年威201 井獲氣以來(lái)，經(jīng)過(guò)近10 年的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐，形成了6 大頁(yè)巖氣主體開(kāi)發(fā)技術(shù)，川南地區(qū)3 500 m 以淺頁(yè)巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開(kāi)發(fā)[8]。按照發(fā)展規(guī)劃，未來(lái)川南地區(qū)將建成中國(guó)最大的頁(yè)巖氣生產(chǎn)和綜合利用基地，2020 年頁(yè)巖氣有望達(dá)產(chǎn)100×108m3，2035年建成年產(chǎn)能400×108m3[9]。

1.2 川南頁(yè)巖氣腐蝕特點(diǎn)

川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕問(wèn)題主要集中在壓裂施工結(jié)束后的頁(yè)巖氣排采和生產(chǎn)兩個(gè)階段。前者一般持續(xù)1～3 個(gè)月，后者持續(xù)至井壽命結(jié)束。兩個(gè)階段腐蝕特點(diǎn)不盡相同（表1）。

壓裂施工結(jié)束后的排采階段相對(duì)較短，主要目的是為了釋放壓入井下的游離砂與游離水，從而獲得穩(wěn)定的頁(yè)巖氣產(chǎn)量。排采階段具有高溫、高壓、高砂量、高液量的特點(diǎn)。高壓、高砂量條件下，砂粒對(duì)地面排采流程介質(zhì)流態(tài)突變部位進(jìn)行持續(xù)的沖刷腐蝕，短時(shí)間內(nèi)可擊穿排采流程的彎頭、三通、閥門等部件，或造成閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。同時(shí)，高溫、高液量條件下平臺(tái)分離效率不理想，大量返排液進(jìn)入集氣管線滯留積液造成集氣管線電化學(xué)腐蝕，致使管線腐蝕穿孔失效。

表1 川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕特點(diǎn)表

頁(yè)巖氣生產(chǎn)階段至井壽命結(jié)束，可分為生產(chǎn)初期（產(chǎn)氣量較高、產(chǎn)水量較大、產(chǎn)氣量下降較快，少量出砂）、生產(chǎn)平穩(wěn)期（產(chǎn)氣產(chǎn)水量相對(duì)穩(wěn)定、基本不出砂）和生產(chǎn)后期（產(chǎn)氣量小、產(chǎn)水少、不出砂）。該生產(chǎn)階段主要表現(xiàn)為集氣管線內(nèi)局部積液造成的集氣管線電化學(xué)腐蝕，致使管線腐蝕穿孔失效。

2 集輸系統(tǒng)腐蝕評(píng)價(jià)

2.1 工藝流程沖刷腐蝕評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣壓裂過(guò)程中普遍使用石英砂和陶粒按一定比例配置作為支撐劑[10]，川南頁(yè)巖氣壓裂完畢后約有3%～8%的砂粒返排至地面[11]。目前，川南頁(yè)巖氣排采階段普遍未設(shè)置除砂器（圖1-a），大量砂粒直接進(jìn)入分離器內(nèi)并快速沉積，分離器排液時(shí)隨返排液匯入污水池。而生產(chǎn)階段多采用濾筒式除砂器（圖1-b），生產(chǎn)初期砂粒在濾筒內(nèi)持續(xù)沉積，若不及時(shí)清洗，除砂器最快投運(yùn)兩個(gè)月即因?yàn)V筒變形而失效。因此，部分砂粒穿越除砂器進(jìn)入了分離器，并隨返排液匯入污水池。

圖1 川南頁(yè)巖氣工藝流程圖

2016—2020 年，川南頁(yè)巖氣工藝流程因沖蝕失效達(dá)300 余次，且主要集中在分離器后端的排液管線。排采初期，長(zhǎng)寧H25 平臺(tái)分離器后端排污閥15 min 后即沖蝕失效（圖2-a）；長(zhǎng)寧H5 平臺(tái)分離器后端三通堵頭在砂粒流量為64～150 g/s、氣體流速為15～18 m/s 的環(huán)境中，使用20 d 即減薄42.73 mm，腐蝕速率達(dá)779.82 mm/a（圖2-b）。生產(chǎn)階段，除砂器失效導(dǎo)致砂粒進(jìn)入分離器并沉積在分離器底部。排液時(shí)，分離器內(nèi)部與排液管線末端壓差可使液固介質(zhì)瞬時(shí)流速達(dá)到6～10 m/s，對(duì)彎頭、三通、閥門等部件進(jìn)行短時(shí)間的沖刷腐蝕。生產(chǎn)流程投運(yùn)0.5～3.0 a 后，部件陸續(xù)出現(xiàn)沖蝕失效。

圖2 川南頁(yè)巖氣工藝流程設(shè)備沖蝕失效圖

利用液固兩相流噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)（圖3），使用70/140 目的石英砂和陶粒按比例混合，開(kāi)展了不同流速、不同沖擊攻角及不同砂量條件下砂粒對(duì)材料的沖蝕影響研究（圖4）。

圖3 液固兩相流噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)照片

圖4 不同流速、沖擊攻角及含砂量條件下砂粒對(duì)材料的沖蝕影響圖

圖5 不同流速條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

圖6 不同沖擊攻角條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

結(jié)果表明：液體流速為5～18 m/s、砂粒沖擊攻角為90°、含砂量為5%（砂粒在液體中的質(zhì)量占比）條件下，材料沖蝕損傷隨流速的增加呈線性增長(zhǎng)。液體流速為5 m/s 時(shí)，腐蝕速率為32.00 mm/a。液體流速為18 m/s 時(shí)，腐蝕速率為76.80 mm/a。在較高的流速下，樣品表面的損傷明顯增大（圖5），由此可知，流體流速是影響樣品失重率的重要因素。流速的增大有兩方面的作用：①增加了夾帶的固體砂粒對(duì)材料表面的沖擊力學(xué)損傷；②提高了腐蝕性離子向材料表現(xiàn)的傳輸速度，即增加了傳質(zhì)速度。砂粒沖擊攻角為30°～90°、液體流速為8 m/s、含砂量為5%條件下，30°沖擊攻角時(shí)材料沖蝕損傷最大，60°沖擊攻角時(shí)材料沖蝕損傷最小（圖6）。材料損傷率與沖擊攻角之間的關(guān)系比較復(fù)雜，受流速、含砂量、介質(zhì)組成和材料本身性能的影響。一般認(rèn)為，延展性材料最大沖蝕損傷發(fā)生在20°～30°沖擊攻角處。在液固兩相流沖刷腐蝕條件下，沖蝕損傷程度和沖擊攻角之間的關(guān)系可能變得更加復(fù)雜。低速條件下，最大沖蝕損傷將發(fā)生在90°沖擊攻角附近；而高速條件下，最大沖蝕損傷可能發(fā)生在30°～60°和90°沖擊攻角附近。目前，尚無(wú)數(shù)據(jù)充分解釋最小沖蝕損傷與沖擊攻角之間的確切關(guān)系。但結(jié)合已有數(shù)據(jù)可知，在最大沖蝕損傷周圍必然存在一個(gè)沖蝕損傷較小的區(qū)間，且該區(qū)間的位置可能受流速、含砂量和材料本身性能的影響而變化。實(shí)驗(yàn)表明，材料在液體流速為8 m/s、含砂量為5%條件下沖蝕損傷最小值位于60°沖擊攻角附近，最大值位于30°沖擊攻角附近。因此推測(cè)，在30°和90°沖擊攻角范圍存在一個(gè)沖蝕損傷最小值，在流速、含砂量和材料本身性能共同作用下，沖蝕損傷最小值極可能位于60°沖擊攻角附近。含砂量為1%～5%、砂粒沖擊攻角為90°、液體流速為8 m/s 條件下，含砂量變化對(duì)材料沖蝕損傷影響不大。含砂量增大到7%時(shí)，材料沖蝕損傷明顯增加（圖7）。含砂量為1%時(shí)（圖7-a），材料呈鱗片狀剝落，局部尚有原始表面的殘留。當(dāng)含砂量增大到3%時(shí)（圖7-b），表面局部出現(xiàn)蝕坑，其他大部分相對(duì)保持完整。當(dāng)含砂量為5%時(shí)（圖7-c），試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯的小沖蝕孔洞，多集中在晶界處，部分孔洞彼此相連，沿晶界擴(kuò)展。而當(dāng)含砂量增大到7%時(shí)（圖7-d），材料表面蝕坑密布，其尺寸明顯大于含砂量為5%時(shí)的孔洞。蝕坑內(nèi)部可見(jiàn)開(kāi)裂的晶粒。此外，仔細(xì)觀察蝕坑還可以發(fā)現(xiàn)，蝕坑的坑口面積比坑肚的面積小，呈現(xiàn)口小肚大的蝕坑特征。這表明含砂量的增大使材料表面的力學(xué)損傷加劇，暴露了更多的新鮮表面，同時(shí)加劇了腐蝕過(guò)程。腐蝕性離子在坑內(nèi)逐漸濃縮，造成濃差極化，加速了坑內(nèi)材料的腐蝕，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終形成口小肚大的蝕坑形貌。從損傷的SEM 形貌而言，含砂量為7%濃度時(shí)損傷最重，這一特點(diǎn)與失重趨勢(shì)相吻合。

圖7 不同含砂量條件下沖蝕240 min 后材料表面SEM 形貌圖

2.2 集氣管線電化學(xué)腐蝕評(píng)價(jià)

通過(guò)失效管線現(xiàn)場(chǎng)取樣、管線設(shè)計(jì)建設(shè)運(yùn)行工況等資料收集以及室內(nèi)分析評(píng)價(jià)工作，明確了川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕狀況（表2）。

表2 川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕狀況表（截至2020 年4 月）

分析認(rèn)為川南頁(yè)巖氣排采和投產(chǎn)初期，集氣管線大量積液為腐蝕的誘發(fā)和發(fā)展提供了有利的環(huán)境。平臺(tái)分離效率不佳、排采階段時(shí)間長(zhǎng)、管線內(nèi)氣體流速低，清管頻率低（或無(wú)法清管）等因素導(dǎo)致了排采階段集氣管線嚴(yán)重積液。調(diào)研結(jié)果表明：①排采初期，平臺(tái)返排液量最高超過(guò)700 m3/d，返排液溫度達(dá)50～60 ℃，但分離器平均效率僅為85%；②集氣管線投運(yùn)時(shí)平臺(tái)頁(yè)巖氣井并未全部投產(chǎn)，管線實(shí)際輸氣量未達(dá)到設(shè)計(jì)輸氣量，導(dǎo)致管線內(nèi)氣體流速低，管線持液率高。部分平臺(tái)排采階段長(zhǎng)達(dá)18 個(gè)月，集氣管線內(nèi)氣相流速為1～4 m/s，液相流速僅為0.000 1 m/s；③部分管線不具備清管條件或清管周期較長(zhǎng)，某長(zhǎng)約10 km 的集氣管線兩年僅清管4 次，單次清管液量最高達(dá)54 m3，占管容量的15%。

分析結(jié)果表明，川南頁(yè)巖氣氣質(zhì)中低含CO2且不含H2S，返排液中硫酸鹽還原菌（SRB）含量嚴(yán)重超標(biāo)（表3）。集氣管線腐蝕產(chǎn)物中主要為FeCO3、FeS 以及Fe3O4等腐蝕產(chǎn)物（圖8），其中FeCO3為CO2的腐蝕產(chǎn)物，F(xiàn)eS 為SRB 的腐蝕產(chǎn)物，F(xiàn)e3O4為管線取樣后暴露在空氣中形成的腐蝕產(chǎn)物。集氣管線腐蝕形貌與SRB 腐蝕形貌高度一致（圖9），且腐蝕坑內(nèi)存在大量SRB 菌落（圖10）。管線嚴(yán)重積液和SRB 疊加二氧化碳的電化學(xué)腐蝕環(huán)境造成了川南頁(yè)巖氣集氣管線快速腐蝕穿孔失效。

表3 川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕環(huán)境表

圖8 川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕產(chǎn)物XRD 分析圖譜

圖9 長(zhǎng)寧H25 平臺(tái)集氣管線腐蝕形貌圖

圖10 腐蝕坑內(nèi)硫酸鹽還原菌（SRB）菌落圖

檢測(cè)結(jié)果表明，返排液中SRB 的主要來(lái)源為自然水源和重復(fù)使用的壓裂返排液。壓裂液配置過(guò)程中，丙烯酰銨聚合物類降阻劑或其他植物類稠化劑、助排劑等壓裂液添加劑為SRB 提供了豐富的C、O、S 等營(yíng)養(yǎng)元素[12]。壓裂液返排進(jìn)入地面集輸系統(tǒng)后，集氣管線又為SRB 提供了生存所需的無(wú)氧環(huán)境，進(jìn)一步促使其快速生長(zhǎng)繁殖[13-15]。

室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，在川南頁(yè)巖氣工況環(huán)境中，試片腐蝕速率可達(dá)3.71 mm/a（表4），且腐蝕形貌（圖11）與川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕形貌一致（圖12）。

表4 室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

圖11 室內(nèi)試片腐蝕形貌圖

圖12 現(xiàn)場(chǎng)集氣管線腐蝕形貌圖

3 集輸系統(tǒng)腐蝕控制

3.1 沖刷腐蝕控制

為有效減緩沖刷腐蝕，可采用以下4 種控制措施：①設(shè)計(jì)階段優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)，減少?gòu)濐^、三通、閥門等部件的使用；②排采階段使用大型旋流式除砂器，除砂效果可超過(guò)90%（圖13-a）；③排采階段，彎頭與三通迎流面加厚至200～300 mm（圖13-b）。生產(chǎn)階段，彎頭內(nèi)襯8 mm 陶瓷材料且迎流面加厚至20～30 mm（圖13-c）；④閥門選用一體成型的陶瓷閥芯。此外，控壓生產(chǎn)可明顯降低砂粒返排量，提高除砂器與分離器的清洗頻率可有效提高設(shè)備效率，避免砂粒進(jìn)入下游集輸系統(tǒng)。

川南頁(yè)巖氣腐蝕控制措施全面實(shí)施以來(lái)，工藝流程年失效次數(shù)已由300 余次降至20 余次以內(nèi)，失效率降低93%。

3.2 電化學(xué)腐蝕控制

為有效控制電化學(xué)腐蝕，首先應(yīng)避免集氣管線長(zhǎng)時(shí)間大量積液，因此：①嚴(yán)格控制平臺(tái)排采時(shí)間，一般不超過(guò)45 d；②提高平臺(tái)分離效果，必要時(shí)增加二級(jí)分離；③加強(qiáng)清管作業(yè)管理，完善清管作業(yè)制度，明確清管周期和清管效果，返排液量大的集氣管線清管頻率不應(yīng)低于2～3 次/月。其次，壓裂液入井前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行硫酸鹽還原菌檢測(cè)并加入足量殺菌劑。最后，平臺(tái)排采和生產(chǎn)階段應(yīng)對(duì)集氣管線連續(xù)加注殺菌緩蝕劑。目前，川南地區(qū)普遍采用“連續(xù)泵注殺菌緩蝕劑”的方法來(lái)控制集氣管線的電化學(xué)腐蝕。該方法利用站內(nèi)頁(yè)巖氣作為氣源，推動(dòng)氣動(dòng)泵活塞往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而將儲(chǔ)罐內(nèi)的殺菌緩蝕劑吸入泵中，最后通過(guò)出站壓力表接口處將殺菌緩蝕劑注入集氣管線（圖14）。實(shí)踐結(jié)果表明，“連續(xù)泵注殺菌緩蝕劑”的方法效果好、易實(shí)現(xiàn)且滿足其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

圖13 川南頁(yè)巖氣沖刷腐蝕控制措施圖

圖14 川南頁(yè)巖氣集氣管線殺菌緩蝕劑加注圖

腐蝕控制實(shí)施過(guò)程中應(yīng)根據(jù)工況環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整并持續(xù)優(yōu)化，為此要求：①加強(qiáng)腐蝕監(jiān)/檢測(cè)，取樣分析集氣管線返排液中SRB 和Fe2+含量變化，頻率不應(yīng)低于2～3 次/月，全面評(píng)估集氣管線腐蝕狀況；②定期開(kāi)展集氣管線運(yùn)行動(dòng)態(tài)跟蹤分析評(píng)價(jià)，對(duì)氣體流速過(guò)低和產(chǎn)液量較大的生產(chǎn)工況進(jìn)行預(yù)警提醒。

川南頁(yè)巖氣腐蝕控制措施全面實(shí)施以來(lái)，集氣管線返排液中SRB 降至《頁(yè)巖氣 儲(chǔ)層改造 第3 部分：壓裂返排液回收和處理方法：NB/T 14002.3—2015》規(guī)定的25 個(gè)/mL 以內(nèi)，集氣管線失效率降低99%（表5）。

表5 川南頁(yè)巖氣集氣管線電化學(xué)腐蝕控制情況表

研究和應(yīng)用實(shí)踐表明，形成的集材料優(yōu)選、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、腐蝕介質(zhì)處理和運(yùn)行工藝參數(shù)優(yōu)化控制等為一體的川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù)，可將川南頁(yè)巖氣工藝流程沖蝕失效率降低93%，將川南頁(yè)巖氣集氣管線腐蝕失效率降低99%，有效地減緩了頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕失效，提升了川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

4 結(jié)論與建議

1）川南頁(yè)巖氣地面集輸系統(tǒng)主要存在沖刷腐蝕和電化學(xué)腐蝕。沖刷腐蝕主要集中在頁(yè)巖氣站內(nèi)工藝流程，為砂粒對(duì)彎頭、三通、閥門等部位持續(xù)的機(jī)械磨損；電化學(xué)腐蝕主要集中在頁(yè)巖氣站外集氣管線，為積液環(huán)境中二氧化碳與硫酸鹽還原菌共同作用腐蝕。

2）集材料優(yōu)選、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化、腐蝕介質(zhì)處理和運(yùn)行工藝參數(shù)優(yōu)化控制等為一體的川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù)有效地減緩了頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕失效，提升了川南頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

3）川南地區(qū)3 500 m 以淺頁(yè)巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效開(kāi)發(fā)，配套形成的頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)整體腐蝕控制技術(shù)也取得了進(jìn)步和成功應(yīng)用，但由于在頁(yè)巖氣開(kāi)采初期對(duì)腐蝕問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，加之頁(yè)巖氣特有的腐蝕行為在常規(guī)天然氣開(kāi)采過(guò)程中鮮有表現(xiàn)，相關(guān)腐蝕機(jī)理尚未全面掌握，還需進(jìn)一步深入全面研究，為持續(xù)優(yōu)化腐蝕控制措施提供基礎(chǔ)。