王勇 鄭鶴

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

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊是中國(guó)石油西南油氣田公司于2007年提出的勘探開(kāi)發(fā)有利區(qū)塊，2009年開(kāi)始聯(lián)合威遠(yuǎn)區(qū)塊建立長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁(yè)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(guó)天然氣產(chǎn)能的重要保障[4]。

目前，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊內(nèi)普遍采取適度出砂開(kāi)采技術(shù)，以防止儲(chǔ)層堵塞，從而形成良好的近井地帶開(kāi)采環(huán)境。但是，采出氣中攜帶的砂粒對(duì)平臺(tái)設(shè)備、彎頭等產(chǎn)生了較為顯著的沖蝕損傷。同時(shí)，頁(yè)巖氣氣井壓力伴隨著開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速衰減，導(dǎo)致砂含量、水含量、站場(chǎng)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(zhǎng)寧頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)普遍采用撬裝化設(shè)備，以適應(yīng)產(chǎn)量衰減后的滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，增加設(shè)備的利用率、減少投資。然而撬裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備密度大，同時(shí)平臺(tái)井站的生產(chǎn)撬裝、增壓撬裝常隨著滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的進(jìn)行而搬遷，增加了設(shè)備的損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何通過(guò)合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，保證集輸站場(chǎng)的無(wú)事故連續(xù)運(yùn)營(yíng)就成為長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊亟待解決的問(wèn)題。

以基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)評(píng)價(jià)技術(shù)為核心的站場(chǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，已經(jīng)成為油氣站場(chǎng)靜設(shè)備的主要風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5-9]。本研究針對(duì)頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)參數(shù)波動(dòng)造成的腐蝕速率不斷變化的問(wèn)題，基于三次樣條插值法動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣集輸設(shè)備的腐蝕速率[10-11]，建立頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)靜設(shè)備腐蝕速率預(yù)測(cè)模型，以修正RBI技術(shù)中默認(rèn)腐蝕速率為常數(shù)的算法；針對(duì)撬裝設(shè)備結(jié)構(gòu)密集易引發(fā)多米諾效應(yīng)事故的問(wèn)題[12-14]，基于傳統(tǒng)的多米諾后果計(jì)算方法并結(jié)合撬裝設(shè)備的特點(diǎn)加以改進(jìn)，建立撬裝設(shè)備多米諾后果計(jì)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(yè)巖氣集輸站場(chǎng)靜設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)。

1 RBI技術(shù)的改進(jìn)

針對(duì)頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)靜設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)RBI技術(shù)減薄損傷的腐蝕速率與傳統(tǒng)的多米諾效應(yīng)后果分別進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜設(shè)備科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

1.1 三次樣條插值法腐蝕速率預(yù)測(cè)模型

根據(jù)頁(yè)巖氣氣質(zhì)特點(diǎn)，頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)靜設(shè)備失效主要考慮的是腐蝕減薄的影響。通常對(duì)于腐蝕速率的預(yù)測(cè)，可通過(guò)對(duì)頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)設(shè)備或管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掛片實(shí)驗(yàn)，或根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，得到一定時(shí)間的腐蝕速率，然后采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合[15-17]，從而可對(duì)未來(lái)腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。在區(qū)塊開(kāi)發(fā)時(shí)，即對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣H19區(qū)塊的生產(chǎn)管道進(jìn)行腐蝕速率掛片實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，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(dāng)年的測(cè)量環(huán)境有關(guān)系，原因可能是上游新井投產(chǎn)導(dǎo)致氣質(zhì)條件發(fā)生變化或者存在細(xì)菌腐蝕導(dǎo)致腐蝕速率增加。由于腐蝕機(jī)理不是本研究的重點(diǎn)，直接引用實(shí)測(cè)腐蝕速率進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)。采用最小二乘法對(duì)腐蝕速率進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，利用三次多項(xiàng)式擬合，得到腐蝕速率預(yù)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖1)。

表1 腐蝕速率

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、可用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溫度、流速、壓力等影響腐蝕速率的因素都會(huì)發(fā)生變化，因此難以得到準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系，用已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的曲線無(wú)法準(zhǔn)確地反映未來(lái)腐蝕速率的變化。

為適應(yīng)頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕速率不斷變化的特點(diǎn)，利用三次樣條插值法預(yù)測(cè)腐蝕速率代替RBI技術(shù)中默認(rèn)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(xiàng)式進(jìn)行插值的形式。由于樣條插值可以使用低階多項(xiàng)式樣條實(shí)現(xiàn)較小的插值誤差，這樣就避免了使用高階多項(xiàng)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(yè)巖氣地面集輸站場(chǎng)設(shè)備的腐蝕數(shù)據(jù)量有限，多元回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析不現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，簡(jiǎn)單的初等函數(shù)擬合難以反應(yīng)真實(shí)的腐蝕速率變化趨勢(shì)，因此，在缺乏在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，三次樣條曲線可以較精確地預(yù)測(cè)設(shè)備短期的腐蝕速率。

一般而言，對(duì)于n+1個(gè)給定點(diǎn)的數(shù)據(jù)集{xi}，采用n段三次多項(xiàng)式在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間構(gòu)建一個(gè)三次樣條。如果用S(xi)(i取0～i-1)表示對(duì)函數(shù)f(x)的樣條插值函數(shù)[18]，則需要滿(mǎn)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(dǎo)：

(3)

由于每個(gè)三次多項(xiàng)式需要4個(gè)條件才能確定曲線形狀，所以對(duì)于組成S的n個(gè)三次多項(xiàng)式，就意味著需要4n個(gè)條件才能確定這些多項(xiàng)式。這樣，n個(gè)區(qū)間可以找出n-1對(duì)導(dǎo)數(shù)相等條件。至此，可以找出2n+2(n-1)=4n-2個(gè)條件。另外兩個(gè)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(dǎo)過(guò)程較為復(fù)雜，因此借助Matlab軟件內(nèi)置的三次樣條函數(shù)Spline函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)表1的腐蝕速率進(jìn)行擬合，三次樣條曲線的腐蝕速率擬合結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2中采用三次樣條曲線得到的腐蝕速率預(yù)測(cè)與圖1相比更接近于實(shí)測(cè)值，在計(jì)算靜設(shè)備失效概率的過(guò)程中，采用樣條曲線預(yù)測(cè)的腐蝕速率計(jì)算設(shè)備損傷因子，提高了腐蝕速率計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.2 撬裝設(shè)備附加多米諾效應(yīng)失效后果計(jì)算模型

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

(4)

式中：F為多米諾效應(yīng)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(gè)設(shè)備發(fā)生失效的概率；Fd,i為第i個(gè)事件的失效后果。

對(duì)于儲(chǔ)罐等獨(dú)立靜設(shè)備而言，將后果進(jìn)行相加是可行的，但是撬裝設(shè)備結(jié)構(gòu)緊密，因此兩個(gè)臨近設(shè)備的后果值按式(4)計(jì)算會(huì)出現(xiàn)高估，示意圖如圖3所示。

如圖3所示，撬裝設(shè)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(duì)傳統(tǒng)的多米諾效應(yīng)后果計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。假設(shè)發(fā)生多米諾效應(yīng)事故時(shí)，撬裝設(shè)備各個(gè)組件之間相互聯(lián)通且泄漏過(guò)程不受干擾，認(rèn)為整個(gè)撬的流體介質(zhì)全部發(fā)生泄漏，則在計(jì)算失效后果時(shí)認(rèn)為潛在最大介質(zhì)泄漏量等于整個(gè)撬裝單元的介質(zhì)存儲(chǔ)量，計(jì)算公式如式(5)所示。撬裝設(shè)備的后果簡(jiǎn)化為圖4，對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊的撬裝設(shè)備可以更為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)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(chǔ)量。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 集氣站概況

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊某集氣站為新建集氣站，累計(jì)工作年限為3年。主要作用是對(duì)周邊單井來(lái)氣進(jìn)行匯集、分離，之后通過(guò)集氣干線輸往某中心站，預(yù)留有后期增壓接口。站內(nèi)設(shè)有清管收發(fā)球裝置、臥式重力分離器等設(shè)備。整體的工藝流程如圖5所示。

在已有的現(xiàn)場(chǎng)資料分析中，獲取現(xiàn)場(chǎng)的主要靜設(shè)備包括管束整流器、匯氣管、臥式重力分離器共計(jì)3個(gè)。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(tái)來(lái)氣的管-3(DN168.3)、接收1平臺(tái)來(lái)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(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于常規(guī)RBI技術(shù)的計(jì)算流程，結(jié)合上述建立的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型與撬裝設(shè)備附加多米諾效應(yīng)失效后果計(jì)算模型對(duì)集氣站進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。重點(diǎn)關(guān)注設(shè)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(yù)測(cè)模型獲得集輸站場(chǎng)設(shè)備第4年的腐蝕速率之后，將其應(yīng)用于RBI技術(shù)計(jì)算腐蝕減薄因子中，以計(jì)算設(shè)備修正系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在充分與現(xiàn)場(chǎng)管理人員交流，了解現(xiàn)場(chǎng)管理情況的條件下給管理系統(tǒng)評(píng)分表打分，對(duì)集氣站進(jìn)行打分為521分，計(jì)算得到站場(chǎng)管理因子為0.695。在API 581-2016《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)》中[9]，獲得設(shè)備的通用失效概率之后可計(jì)算設(shè)備的失效概率。

在RBI技術(shù)計(jì)算失效后果的過(guò)程中，在計(jì)算撬裝設(shè)備潛在的最大介質(zhì)泄漏量時(shí)[6]，基于建立的撬裝設(shè)備附加多米諾效應(yīng)失效后果計(jì)算模型假設(shè)，默認(rèn)撬裝設(shè)備潛在的最大介質(zhì)泄漏量為整個(gè)撬裝單元的介質(zhì)存儲(chǔ)量，然后確定泄漏類(lèi)型、計(jì)算泄漏速率或泄漏量，最終計(jì)算設(shè)備的失效后果面積，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，同類(lèi)設(shè)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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)污水管道的細(xì)菌腐蝕較為嚴(yán)重，該失效概率中附加了細(xì)菌腐蝕造成的損傷，細(xì)菌失效概率與沖蝕造成的失效概率進(jìn)行了疊加，使得現(xiàn)場(chǎng)的污水管道失效概率急劇增加，是符合現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)規(guī)律的。采用三次樣條曲線腐蝕速率預(yù)測(cè)模型較常規(guī)腐蝕速率增大1.25～1.48倍。采用撬裝設(shè)備附加多米諾效應(yīng)失效后果計(jì)算模型對(duì)失效后果進(jìn)行修正，面積風(fēng)險(xiǎn)最大增加30.18%。

表2 集氣站靜設(shè)備計(jì)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(yù)測(cè)模型對(duì)傳統(tǒng)RBI技術(shù)的失效概率進(jìn)行修正，同時(shí)建立了撬裝設(shè)備附加多米諾效應(yīng)失效后果計(jì)算模型，對(duì)失效后果進(jìn)行修正。計(jì)算結(jié)果表明，建立的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型較常規(guī)腐蝕速率增大1.25～1.48倍，面積風(fēng)險(xiǎn)最大增加30.18%，說(shuō)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(píng)價(jià)頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)撬裝靜設(shè)備時(shí)更為精確，更加適應(yīng)頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)的工作特點(diǎn)，為頁(yè)巖氣集輸站場(chǎng)靜設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算提供了理論依據(jù)。