地下儲(chǔ)氣庫注采井臨界沖蝕流量優(yōu)化計(jì)算方法

王 云 張建軍

中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

注采井必須具備“強(qiáng)注強(qiáng)采”的能力，才能保證地下儲(chǔ)氣庫具有較高的調(diào)峰能力，從而為冬季天然氣安全保供提供保障[1-4]。注采井采氣能力由儲(chǔ)層供應(yīng)能力和管柱通過能力共同決定，兩者的較小值即為最大采氣能力。臨界沖蝕流量是管柱通過能力的上限，在注采運(yùn)行階段注采氣量不能超過臨界沖蝕流量，否則，注采管柱將發(fā)生沖蝕失效[5-7]。臨界沖蝕流量是臨界沖蝕流速與管柱內(nèi)橫截面積的乘積。臨界沖蝕流速與管柱材質(zhì)、流體組分（CO2含量、H2S含量）、溫度、壓力、含水率、砂粒（濃度、粒度、粒徑）等有關(guān)。根據(jù)API RP 14E標(biāo)準(zhǔn)《海上生產(chǎn)平臺(tái)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝》[8]，臨界沖蝕流速僅與流體密度、臨界沖蝕系數(shù)（C）有關(guān)，并且C值為100～250。在國內(nèi)，儲(chǔ)氣庫注采管柱C的取值通常介于100～150[9]，有學(xué)者認(rèn)為該取值偏保守，未能有效發(fā)揮注采管柱的注采能力，但盲目參照國外經(jīng)驗(yàn)增大C值進(jìn)而提高臨界沖蝕流量也存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)，亟需開展針對性的研究。

為此，筆者基于腐蝕速率首次提出了臨界沖蝕速率的概念；綜合考慮影響管柱沖蝕的溫度、壓力、氣體組分、含水率、含砂量以及管柱材質(zhì)等因素，同時(shí)引入壁面剪切應(yīng)力，開展真實(shí)注采工況下的室內(nèi)等效模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而求得實(shí)驗(yàn)工況下的C值；在此基礎(chǔ)上，建立了現(xiàn)場常用的N80、SM80S和S13Cr等3種材質(zhì)管柱的C取值圖版，并將圖版軟件化；所取得的研究成果在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

由于呼圖壁、蘇橋、相國寺等地下儲(chǔ)氣庫注采工況復(fù)雜，溫度最高達(dá)156 ℃、壓力最高達(dá)47 MPa、CO2分壓最高達(dá)0.97 MPa，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法真實(shí)模擬沖蝕工況，而理論研究又需要現(xiàn)場或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證，給注采管柱沖蝕研究帶來了極大挑戰(zhàn)。由于沖蝕的本質(zhì)是流體對管柱內(nèi)壁的沖刷，采用壁面剪切應(yīng)力可以在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，等效模擬各沖蝕因素，得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓濕氣環(huán)路，環(huán)路總長為12 m，內(nèi)徑為50 mm，材質(zhì)為316L不銹鋼；實(shí)驗(yàn)樣品采用N80、SM80S和S13Cr等3種材質(zhì)，呈圓環(huán)狀薄片，樣品外徑為16.10 mm、內(nèi)徑為6.15 mm、厚度為3 mm，嵌在環(huán)路管壁上，一側(cè)與環(huán)路內(nèi)壁貼合，環(huán)路中流體沖蝕樣品表面以模擬注采流體對管柱的沖蝕；實(shí)驗(yàn)所用液相組分與現(xiàn)場相同。

實(shí)驗(yàn)開始前，先對樣品進(jìn)行打磨、清洗、干燥和稱重；實(shí)驗(yàn)開始后，向環(huán)路中注入CO2＋N2并達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)采用電加熱配合保溫層來調(diào)節(jié)環(huán)路溫度；通過風(fēng)機(jī)來控制氣相流速，配合使用注液泵和流量計(jì)來控制液相流速以模擬現(xiàn)場沖蝕工況；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用失重法計(jì)算樣品的沖蝕速率。

2 臨界沖蝕速率

目前，國內(nèi)外沖蝕研究多采用失重速率來評價(jià)沖蝕，而無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。失重速率多用于對比不同工況下樣品的沖蝕程度，或相同工況下不同位置樣品的沖蝕程度；僅有相對概念，無法評價(jià)樣品的沖蝕程度是否滿足現(xiàn)場要求，是否可進(jìn)一步提高或降低，對現(xiàn)場注采管柱注采能力的設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用有限[10-16]。

CO2腐蝕和流體沖蝕的結(jié)果都是樣品失重（管柱壁厚減薄），腐蝕是化學(xué)作用，沖蝕是物理作用。油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場采用腐蝕速率來評價(jià)腐蝕是否滿足要求，采氣工程方案設(shè)計(jì)要求腐蝕速率不超過0.076 mm/a。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用防腐材質(zhì)油管或者添加緩蝕劑后，如果管柱腐蝕速率不超過0.076 mm/a，管柱的腐蝕就在可接受的范圍內(nèi)，該防腐工藝則滿足需求。借鑒腐蝕速率提出了沖蝕速率的概念，設(shè)置0.076 mm/a為臨界沖蝕速率，對應(yīng)流速為臨界沖蝕流速，進(jìn)而可計(jì)算得到管柱的臨界沖蝕流量。注采管柱若以低于0.076 mm/a對應(yīng)的臨界沖蝕流量進(jìn)行生產(chǎn)，則不會(huì)發(fā)生沖蝕失效。臨界沖蝕速率的提出，為管柱沖蝕實(shí)驗(yàn)和理論研究提出了定量、統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，理論上可以得出任意工況下的臨界沖蝕流速。

3 沖蝕速率影響因素分析

綜合考慮各影響因素，開展多組沖蝕實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析各因素對沖蝕的影響。

3.1 溫度

隨著溫度升高，不同材質(zhì)（N80、SM80S和S13Cr）管柱的沖蝕速率均先升后降，溫度介于60～80 ℃時(shí)沖蝕速率最高，沖蝕最嚴(yán)重。由于實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中含有CO2，樣品失重由腐蝕和沖蝕共同影響；60～80 ℃為N80、SM80S腐蝕敏感溫度區(qū)間，樣品腐蝕相對嚴(yán)重，流體沖刷后更易導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜脫落，裸露出未發(fā)生腐蝕的樣品。實(shí)驗(yàn)工況下，S13Cr的耐沖蝕性能較好，樣品沖蝕速率小于0.076 mm/a。

3.2 CO2分壓

隨著CO2分壓升高，N80和SM80S樣品沖蝕速率明顯增高，且在敏感溫度區(qū)間會(huì)出現(xiàn)明顯的局部腐蝕；N80和SM80S樣品的耐沖蝕性能隨著CO2分壓升高而降低，0.210 MPa是一個(gè)臨界點(diǎn)；當(dāng)CO2分壓高于0.210 MPa，沖蝕速率明顯升高。S13Cr樣品的耐沖蝕性能較好，對于CO2分壓不敏感，在實(shí)驗(yàn)工況下沖蝕速率小于0.076 mm/a。

3.3 含水率

含水率指標(biāo)況下沖蝕流體中，液相和氣相的體積比，表征現(xiàn)場工況下產(chǎn)出流體的水氣比。含水率越高，表明產(chǎn)出流體的水氣比越高。隨著含水率升高，N80和SM80S樣品沖蝕速率顯著提高，樣品表面的沖蝕痕跡也越來越明顯，說明N80和SM80S的耐沖蝕性能隨著含水率升高而降低；當(dāng)含水率低于0.0002‰時(shí)，SM80S樣品的沖蝕速率低于0.076 mm/a；當(dāng)含水率高于0.000 2‰時(shí)，需要考慮CO2分壓的影響；CO2分壓低于0.021 MPa時(shí)，N80和SM80S樣品的沖蝕速率低于0.076 mm/a，CO2分壓高于0.210 MPa時(shí)，N80和SM80S樣品的沖蝕速率均高于0.076 mm/a，需要結(jié)合具體工況開展針對性的沖蝕實(shí)驗(yàn)。S13Cr的耐沖蝕性能較好，沖蝕速率小于0.076 mm/a。

3.4 含砂量

隨著含砂量增加，樣品沖蝕速率大幅增加。在此次所開展的實(shí)驗(yàn)工況條件下，N80和SM80S樣品的沖蝕速率均大于0.253 mm/a，明顯超過了臨界沖蝕流速（0.076 mm/a），不滿足沖蝕要求，應(yīng)開展針對性實(shí)驗(yàn)以評價(jià)現(xiàn)場沖蝕工況下樣品是否發(fā)生沖蝕。S13Cr樣品表面因沖蝕產(chǎn)生的痕跡也隨著含砂量的升高而有所增加（圖1）；當(dāng)含砂量為250 mg/L時(shí)，沖蝕速率為0.067 mm/a，略低于臨界沖蝕速率（圖2），可將250 mg/L設(shè)置為臨界含砂量。當(dāng)含砂量高于250 mg/L后，應(yīng)開展針對性實(shí)驗(yàn)，評價(jià)現(xiàn)場沖蝕工況下樣品是否發(fā)生沖蝕。

3.5 壁面剪切應(yīng)力

壁面剪切應(yīng)力綜合考慮了流體流速與密度、壓力、溫度等各個(gè)因素對于管道沖蝕性能的影響。

圖1 S13Cr樣品沖蝕形貌隨含砂量變化的照片

圖2 不同含砂量條件下S13Cr樣品沖蝕速率柱狀圖

壁面剪切應(yīng)力的計(jì)算式為：

式中τ表示壁面剪切應(yīng)力，Pa；fD表示達(dá)西摩擦系數(shù)，無量綱；ρ表示流體密度，kg/m3；v表示流體流速，m/s；ε表示材質(zhì)表面粗糙度，無量綱；D表示管徑，mm；Re表示雷諾數(shù)，無量綱。

圖3 不同材質(zhì)樣品沖蝕速率隨壁面剪切應(yīng)力變化曲線圖

如圖3所示，當(dāng)壁面剪切應(yīng)力小于69.9 Pa時(shí)，N80和SM80S樣品的沖蝕速率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)壁面剪切應(yīng)力高于69.9 Pa后，沖蝕速率急劇上升。可以認(rèn)為，69.9 Pa是臨界壁面剪切應(yīng)力；當(dāng)壁面剪切應(yīng)力高于69.9 Pa時(shí)，該參數(shù)為影響沖蝕速率的主控因素，樣品耐沖蝕性能將隨壁面剪切應(yīng)力增大而大幅下降；當(dāng)壁面剪切應(yīng)力低于69.9 Pa時(shí)，其余參數(shù)對沖蝕的影響較大。為方便起見，取70.0 Pa為臨界壁面剪切應(yīng)力。

4 臨界沖蝕系數(shù)的確定

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的注采工況參數(shù)包括管柱材質(zhì)、流體組分、溫度、壓力、含水率及含砂量。根據(jù)業(yè)內(nèi)主流的臨界沖蝕流速計(jì)算方法，如式（2）所示，可知臨界沖蝕流速僅與流體密度（ρm）和臨界沖蝕系數(shù)（C）有關(guān)。

臨界沖蝕流速計(jì)算式為：

式中ve表示臨界沖蝕流速，m/s；C表示臨界沖蝕系數(shù)，[kg/（s2·m）]0.5；ρm表示工況壓力、溫度條件下的流體密度（氣液兩相混合密度），kg/m3。

流體密度較易計(jì)算，如果能確定任意工況下C值，即可得到該工況下的臨界沖蝕流速，如何將注采工況與C值建立對應(yīng)關(guān)系是關(guān)鍵。采用壁面剪切應(yīng)力可模擬現(xiàn)場任意沖蝕工況，將實(shí)驗(yàn)工況下樣品的沖蝕速率與0.076 mm/a進(jìn)行對比，若高于0.076 mm/a則判定發(fā)生了沖蝕。取沖蝕速率為0.076 mm/a左右的實(shí)驗(yàn)工況對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流速為臨界沖蝕流速，并計(jì)算對應(yīng)工況下流體的密度，將其代入式（2）則可計(jì)算得到該工況對應(yīng)的C值。

5 臨界沖蝕系數(shù)取值圖版構(gòu)建

基于前述分析，認(rèn)為導(dǎo)致注采管柱發(fā)生沖蝕的主要因素包括含砂量、含水率、CO2分壓以及壁面剪切應(yīng)力。通過實(shí)驗(yàn)測得的沖蝕流速轉(zhuǎn)化得到實(shí)驗(yàn)工況對應(yīng)的C值，考慮安全系數(shù)，分別建立現(xiàn)場常用的N80、SM80S和S13Cr等3種材質(zhì)管柱的C取值圖版。

1）流體含砂工況。對于N80、SM80S材質(zhì)管柱，如果流體含液，則應(yīng)進(jìn)行對應(yīng)工況的沖蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)無局部腐蝕，且全面沖蝕速率小于0.076 mm/a，如果流體不含液，則當(dāng)含砂量小于等于250 mg/L時(shí)，C等于100。對于S13Cr材質(zhì)管柱，當(dāng)含砂量小于等于250 mg/L時(shí)，C等于100，當(dāng)含砂量大于250 mg/L時(shí)，應(yīng)進(jìn)行沖蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)無點(diǎn)蝕，且全面沖蝕速率小于0.076 mm/a。

2）純氣相工況。對于N80、SM80S和S13Cr材質(zhì)管柱，C等于275。

3）氣液兩相工況。對于S13Cr材質(zhì)管柱，C等于180。對于N80、SM80S材質(zhì)管柱，當(dāng)不含腐蝕性氣體時(shí)，C等于180；如果存在腐蝕性氣體，則需要計(jì)算壁面剪切應(yīng)力，當(dāng)壁面剪切應(yīng)力大于等于70.0 Pa時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行針對性的沖蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，如果壁面剪切應(yīng)力小于70.0 Pa，當(dāng)含水率小于0.000 2‰時(shí)，則C等于120，當(dāng)含水率大于等于0.000 2‰時(shí)，則需要進(jìn)一步判斷CO2分壓；當(dāng)CO2分壓小于0.021 MPa時(shí)，C等于120；當(dāng)CO2分壓大于0.210 MPa時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行針對性的沖蝕實(shí)驗(yàn)評價(jià)，當(dāng)CO2分壓介于0.021～0.210 MPa時(shí)，C等于100。

為使展示更直觀，形成了C取值圖版（圖4）。圖版應(yīng)用流程如下：①根據(jù)現(xiàn)場注采管柱的材質(zhì)選擇相應(yīng)的C取值圖版；②收集現(xiàn)場注采工況，包括注采氣量、溫度、壓力、產(chǎn)水量、氣體組分、出砂情況等，確定CO2分壓、含水率、含砂量及對應(yīng)工況下的壁面剪切應(yīng)力；③參照圖版確定C值。以S13Cr臨界沖蝕系數(shù)C取值圖版為例，如果流體為純氣相，則其工況范圍處于含水率為零和含砂量為零的位置，C取值為275；如果現(xiàn)場為含液、不含砂的工況，則其工況范圍落在含水率坐標(biāo)軸和壁面剪切應(yīng)力坐標(biāo)軸組成的平面上，C取值為180。對于N80和SM80S管柱則需要進(jìn)一步考慮CO2分壓和含水率的影響。另外，又將C取值圖版軟件化，輸入注采工況參數(shù)，即可得出臨界沖蝕流速和臨界沖蝕流量，便于相關(guān)技術(shù)人員使用。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

呼圖壁儲(chǔ)氣庫注采井管柱材質(zhì)為S13Cr，采出氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)為1.89%，含水率為0.001 0‰，不出砂。在設(shè)計(jì)注采方案時(shí)，參照API RP 14E標(biāo)準(zhǔn)，將臨界沖蝕系數(shù)（C）取值為120，而采用前述軟件，得到C等于180，增幅超過50%。通過開展室內(nèi)沖蝕實(shí)驗(yàn)，如表1、圖5所示，在含水率為0.001 0‰的工況下，該儲(chǔ)氣庫S13Cr管柱樣品均未出現(xiàn)沖蝕痕跡，且沖蝕速率極低，無點(diǎn)蝕，驗(yàn)證了圖版的可靠性。

目前，該儲(chǔ)氣庫有注采井21口，采用外徑為88.9 mm油管，運(yùn)行壓力介于7～24 MPa；如果臨界沖蝕流量增幅超過50%，在設(shè)置井口壓力為15 MPa的前提下，平均單井日采氣量可增加61×104m3，從而使儲(chǔ)氣庫的調(diào)峰能力得到大幅提升。

7 結(jié)論

1）引入壁面剪切應(yīng)力，等效表征壓力、溫度、含水率、CO2分壓、含砂量等因素對管柱沖蝕的影響，可有效解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法模擬現(xiàn)場高溫、高壓、高流速等復(fù)雜注采工況的問題。

2）含砂量、含水率、CO2分壓以及壁面剪切應(yīng)力等參數(shù)為沖蝕主控因素；含砂量對N80、SM80S和S13Cr管柱沖蝕影響最為顯著；對于N80和 SM80S管柱，壁面剪切應(yīng)力和含水率對管柱沖蝕影響較大。

圖4 不同材質(zhì)管柱臨界沖蝕系數(shù)（C）取值圖版

表1 呼圖壁儲(chǔ)氣庫注采井S13Cr管柱沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 呼圖壁儲(chǔ)氣庫注采井S13Cr管柱沖蝕實(shí)驗(yàn)樣品酸洗后宏觀及微觀形貌照片

3）對于S13Cr管柱，當(dāng)含砂量小于250 mg/L時(shí)，C值可取100，當(dāng)流體不含砂、含液時(shí)，C值可取180，當(dāng)流體為氣相時(shí)，C值可取275。

4）對于N80、SM80S管柱，當(dāng)流體不含砂、含液時(shí)，根據(jù)含水率和壁面剪切應(yīng)力不同，C值介于100～180，當(dāng)流體為氣相時(shí)，C值可取275。

5）室內(nèi)沖蝕實(shí)驗(yàn)證實(shí)C取值圖版可靠，在目標(biāo)儲(chǔ)氣庫現(xiàn)有管柱條件下，臨界沖蝕流量的增幅將超過50%，可大幅提升注采井注采能力，進(jìn)而提升儲(chǔ)氣庫調(diào)峰能力。