蘇西區塊采氣管道腐蝕機理研究及控制策略

劉祥周，史 亮，陳 波，許麗華，沈光華，殷金譽

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018）

蘇西區塊為含水氣藏，含水飽和度42%；集輸管道濕氣輸送，具有氣量低、流速慢、液量高的特點；集輸管道歷年發生多次腐蝕失效。該區塊氣質組分CH4平均含量92.4%，腐蝕氣體組分主要為CO2，含量占總氣量比0.197%～2.796%，不含H2S；采出水為CaCl2水型，平均礦化度18 536 mg/L，Cl-含量13 590 mg/L，細菌含量大于14 000 個/毫升，結合低流速、高含水率的運行條件形成較強內腐蝕環境。

1 腐蝕規律研究

2022 年9 月1日—9 月30 日按總壓2.00 MPa，CO2為0.04 MPa，流速為0.5 m/s，采出水不滅菌的工況在實驗室搭建模擬腐蝕環境。使用20#鋼作為實驗對象，將其放入高溫高壓釜中進行模擬實驗，期間改變腐蝕周期（周期分別為7、14、21、28 d），取出腐蝕不同周期后的樣品，對其進行酸洗，隨后使用激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡以及原位拉曼光譜對腐蝕產物進行分析[1-5]。

實驗結果表明：腐蝕樣品表面腐蝕產物疏松，覆蓋生物膜，去除產物后，表面出現點腐蝕坑，表面腐蝕產物以FeCO3為主，腐蝕環境呈現點腐蝕特征。樣品均勻腐蝕速率為0.021 5 mm/a，點腐蝕速率為0.882 0 mm/a，根據SY/T 0087.2《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準-埋地鋼質管道內腐蝕直接評價》，點腐蝕屬于嚴重腐蝕。隨著腐蝕周期延長，腐蝕產物顏色逐漸轉黑，腐蝕產物疏松且部分區域有裂紋。腐蝕產物中含有C、S 等元素，結合原位拉曼光譜分析，表面腐蝕產物以FeS、γ-FeOOH為主，且隨著腐蝕周期延長，腐蝕產物中出現Fe3O4，因此，導致腐蝕后期樣品表面黑色加深。

2 腐蝕主控因素研究

2.1 腐蝕主控因素實驗研究

基于上述對腐蝕規律的分析，為了進一步研究影響腐蝕的主要因素，在采出水不滅菌的前提下進行一系列正交實驗，通過改變含量，研究CO2分壓、氣體總壓和流速對管道腐蝕的影響，具體實驗條件見表1。

表1 正交實驗參數表

正交實驗結果顯示：實驗3、實驗4 中樣品的腐蝕最為嚴重，腐蝕產物全面覆蓋，已經徹底失去金屬光澤。樣品表面經酸洗液酸洗后仍存在少量的銹蝕產物，且銹蝕產物分布并不均勻。

不同流速下樣品在不同總壓和CO2分壓下發生的均勻腐蝕與點腐蝕的腐蝕速率對比圖見圖1。分析發現，對于均勻腐蝕速率而言，氣體總壓越大，腐蝕速率越大；隨CO2分壓逐漸增大，腐蝕速率呈現先增大后減小的趨勢。對于點腐蝕速率來說，氣體總壓和CO2分壓與點腐蝕速率都呈正相關。無論是均勻腐蝕還是點腐蝕，流速在0.5 m/s 時，腐蝕速率最大。

圖1 不同流速（0、0.5、1.0 m/s）下均勻腐蝕和點腐蝕的腐蝕速率圖：（左）均勻腐蝕；（右）點腐蝕

2.2 熵權法確定腐蝕主控因素

熵權法是根據各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權，再通過熵權對各指標的權重進行修正，從而得到較為客觀的指標權重。若某個指標的信息熵指標權重越小，表明指標值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權重也就越大。

用熵權法分析不同因素對均勻/點腐蝕的影響所采取的實驗參數見表2，通過實驗對腐蝕速率數據進行歸一、調零、求解熵值，綜合評價權重大小。當考慮樣品表面均勻腐蝕時，熵權法計算五因素權重占比（表3）為CO2分壓58.00%＞Cl-含量22.06%＞微生物17.02%＞流速2.49%＞總壓0.43%；當考慮樣品表面點腐蝕時，熵權法計算五因素權重占比（表4）為微生物34.00%＞流速21.70%＞CO2分壓20.17%＞Cl-含量17.07%＞總壓7.06%。

表2 熵權法采用數據組參數表（CR 表示該參數實驗下的腐蝕速率）

表3 均勻腐蝕熵權法權重計算統計表

表4 點腐蝕熵權法權重計算統計表

2.3 MCC 腐蝕預測模型

基于上述研究，結合經典的DW95 數學模型進行數據修正和多元線性回歸，在物質傳遞（Vm）和活化反應控制（Vr）的腐蝕速率分別融入微生物、Cl-含量的影響，形成蘇西區塊采氣管道的腐蝕速率計算新模型（MCC 腐蝕預測模型）,并對其進行數據修正和多元線性回歸，具體公式及模型如下：

式中：Vr-受活化反應控制的腐蝕速度，mm/a；Vm-受物質傳遞控制的腐蝕速度，mm/a；Vcorr-腐蝕速率預測值，mm/a；T-溫度，℃；fCO2-CO2的逸度，bar；cmic-微生物傳質腐蝕速率影響系數；cCl--氯離子傳質腐蝕速率影響系數；pHCO2+mic-一定CO2分壓及微生物含量下的溶液pH 計算值；pHactual-實際測得的溶液pH 值；U-介質流速，m/s；d-管徑，m；E-傳質腐蝕速率影響系數；A、B、C、D-系數，無量綱（可由線性回歸結果給出，初始值為7.798 174、-3 264.54、-0.640 32、1.027 08）。

由95%置信帶圖（圖2）可知，MCC 腐蝕預測模型所預測的腐蝕速率總體的真實值有95%的概率會落在實測值結果的區間內，且模型擬合度R 值為88.58%，說明88.58%的預測可用修正后的模型來預測，模型符合度達到了預期效果。優選10 處現場開挖點進行驗證發現，軟件預測結果與現場實際值相似度較高，最大偏差0.019 5 mm/a；MCC 腐蝕預測模型預測結果與開挖驗證數據符合率為90.83%，較為準確地預測出了現場工況下的腐蝕情況。

圖2 MCC 腐蝕預測模型95%置信帶圖

3 防腐技術方案

基于蘇西區塊采氣管道腐蝕機理、主控因素分析，提出三項針對性防腐技術對策：

（1）重點管道實施超聲波在線壁厚監測技術：優選3 條干管6 處重點易腐蝕點開展非破壞性超聲波在線壁厚監測，設備平均偏差為0.005 mm（0.5%）。

（2）典型管道可溶清管技術：針對蘇西區塊采氣管道設計無收發球筒，研發可溶性清管，通過定期清出采氣干管積液，減緩干管內腐蝕速率。

（3）常規采氣管道加注殺菌緩蝕劑：對采出水進行陽離子復合殺菌劑處理24 h，檢測硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）和鐵細菌（FB）的滅菌率達到100%，樣品均勻腐蝕速率降低了29.1%，點腐蝕速率降低73.4%；采用連續加注方式開展多點吸附曼尼西堿緩蝕劑實驗，結果表明緩蝕效率達到98.3%。

4 結論及認識

（1）針對蘇西區塊集輸管道流速低、高產液的特點，首次開展氣田采氣管道腐蝕研究，明確蘇西采氣管道發生微生物+CO2+Cl-腐蝕。其中均勻腐蝕以CO2為主，微生物和鹽類腐蝕為輔；點腐蝕為微生物、CO2及鹽類腐蝕共同作用。

（2）基于DW95 數學模型，考慮微生物、Cl-含量腐蝕因素，構建了MCC 腐蝕預測模型，模型擬合度R 值高達88.58%，現場開挖10 處，驗證符合率為90.83%。

（3）實施蘇西區塊采氣管道差異化管理。重點管道實施超聲波在線壁厚監測技術；新建管道設計增加收發球裝置，已建易腐蝕管道實施收發球筒升級改造開展可溶清管技術；常規管道加注殺菌緩蝕劑技術。