基于灰色關(guān)聯(lián)分析的油田注水管線腐蝕影響因素

王俊奇， 孫彥虎,2， 張振杰

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第四采油廠，陜西榆林 718500)

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基于灰色關(guān)聯(lián)分析的油田注水管線腐蝕影響因素

王俊奇1， 孫彥虎1,2， 張振杰1

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第四采油廠，陜西榆林 718500)

基于長(zhǎng)慶油田A區(qū)塊注水管線的腐蝕現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬注入水與管線接觸腐蝕，采用掛片失重法，在不同影響因素的實(shí)驗(yàn)條件下，改變注入水的流速、溫度、壓力等條件進(jìn)行油田注水管線腐蝕速率研究，然后利用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，以油田注水管線腐蝕速率作為參考序列，把各個(gè)影響因素作為比較序列，獲得各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而得出其關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算所得結(jié)果按照大小值依次進(jìn)行排序，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算，確定A區(qū)塊注水管線腐蝕速率的主要影響因素。為油田同類區(qū)塊注水管線防腐治理提供了參考依據(jù)。

灰色理論； 關(guān)聯(lián)度； 注水管線； 腐蝕； 影響因素

注水管線的腐蝕問(wèn)題已成為困擾油田生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[1-3]。由于受諸多因素及其交互作用的影響，注水管線的腐蝕問(wèn)題是油氣田安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)的重大隱患，影響著油田的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高[4-6]。同時(shí)，管線腐蝕產(chǎn)生的各種各樣的廢水、廢渣以及許多有害物質(zhì)排放到土壤或者大氣中，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)平衡。注水管線腐蝕所引起的環(huán)境污染問(wèn)題日益為人們所重視，因此，油田注水管線腐蝕影響因素研究具有十分重要的意義[7-9]。

目前，長(zhǎng)慶油田A區(qū)塊共有注水管線合計(jì)長(zhǎng)度251 km。其中，服役時(shí)間小于5年的管線有79 km，5年以上的有172 km，年均因腐蝕而更換的各類注水管線30 km，直接經(jīng)濟(jì)損失約500萬(wàn)元，因注水管線腐蝕破漏而引發(fā)的安全環(huán)保等次生影響問(wèn)題尤為嚴(yán)重。A區(qū)塊注水管線的腐蝕情況復(fù)雜，而且腐蝕日益加劇，已成為油田水質(zhì)控制中必須高度重視的問(wèn)題。圖1為A區(qū)塊部分注水管線因腐蝕形成點(diǎn)蝕、坑蝕和穿孔的實(shí)物圖。管線腐蝕問(wèn)題尤為嚴(yán)重。同時(shí)，注水管線腐蝕的各因素之間并非線性關(guān)系，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也受到實(shí)驗(yàn)條件限制。本文引入灰色關(guān)聯(lián)分析[10-11]，對(duì)各影響因素進(jìn)行了腐蝕程度的排序，客觀合理地評(píng)價(jià)了注水管線的主要腐蝕因素，為注水管線采取有效措施，提前更換或補(bǔ)強(qiáng)等維護(hù)對(duì)策的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)步驟

為了研究長(zhǎng)慶油田A區(qū)塊注水管線腐蝕因素，先在管線沿程依次取點(diǎn)采集水樣，對(duì)采集到的水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，并室內(nèi)模擬注水成分，配制不同的水樣，并選擇與注水管線材質(zhì)、厚度、密度相同的20#碳鋼掛片進(jìn)行試驗(yàn)研究，掛片材質(zhì)成分如表1所示。

圖1 長(zhǎng)慶油田A區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)管線腐蝕實(shí)物圖

Fig.1 The picture of pipeline corrosion in A block of Changqing oilfield

表1 20#碳鋼化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬A區(qū)塊注入水成分，配制不同的水樣，添加或改變某個(gè)因素含量的研究方式，例如當(dāng)各種離子濃度、溶解氣體含量、礦化度、溫度、流速和壓力為一定量不變時(shí)，分別改變pH，使其在一個(gè)范圍內(nèi)變化，從而得到不同pH下的管線的平均腐蝕速率，再根據(jù)結(jié)果繪制曲線，便可直觀地看出pH對(duì)腐蝕速率的影響。實(shí)驗(yàn)操作如下：

(1) 將20#掛片依次用從粗到細(xì)金相砂紙打磨至鏡面，用游標(biāo)尺測(cè)量掛片的尺寸為3.5 mm×25 mm×50 mm，總面積30.25 cm2，依次記錄；

(2) 用無(wú)水乙醇擦洗鋼片，吹干，放入干燥器干燥，用萬(wàn)分之一的電子天平稱量至恒重(精確到0.000 1 g)，依次記錄mgf；

(3) 在要求的實(shí)驗(yàn)條件下，將掛片懸吊于腐蝕介質(zhì)中，腐蝕一段時(shí)間；

(4) 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出掛片用自來(lái)水沖洗，再放入除銹劑中浸泡3～5 min，然后用絲刷沾少許去污粉刷洗至掛片表面光潔如初；

(5) 用布擦干，再用含無(wú)水乙醇的棉球擦拭，吹干掛片，放入干燥的稱量?jī)x中稱重，依次記錄mhf；

(6) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄的mgf和mhf，算出每組掛片的絕對(duì)腐蝕失重值，再按下式求出每組掛片的腐蝕速率；

(1)

式中：F為平均腐蝕速率，mm/a；mgf、mhf為試驗(yàn)前、后試片質(zhì)量，g；S為試片表面積，cm2；tf為掛片時(shí)間，d；ρ為試片材質(zhì)密度，g/cm3。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理及步驟，分析A區(qū)塊注水沿程采集到的水樣A、B、C，水質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表2 A區(qū)塊注水沿程水質(zhì)分析結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

實(shí)驗(yàn)所用金屬掛片面積30.25 cm2，厚度3.5 mm，密度7.85 g/cm3，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)30 d。由58組腐蝕實(shí)驗(yàn)前后的掛片可知，掛片表面均有腐蝕產(chǎn)生，以均勻腐蝕為主，兼有點(diǎn)蝕、坑腐蝕等局部腐蝕。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為5個(gè)部分：(1)配置水樣。測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)注水管線中注入水的成分，按比例模擬配置水樣；(2)掛片準(zhǔn)備。對(duì)選取的實(shí)驗(yàn)掛片進(jìn)行打磨、清洗、初始稱重；(3)水浴實(shí)驗(yàn)。按照水浴實(shí)驗(yàn)規(guī)范，懸掛掛片，使掛片完全浸入水樣中；(4)高溫實(shí)驗(yàn)。將水浴試驗(yàn)完畢的掛片放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行高溫處理；(5)酸洗掛片。高溫實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將掛片分別置于酸洗劑和無(wú)水乙醇中進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)前后掛片的對(duì)比如圖2所示。

圖2 掛片腐蝕前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Fig.2 The comparison of corrosion test results before and after the experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

采用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-6390型掃描電子顯微鏡，對(duì)部分實(shí)驗(yàn)掛片進(jìn)行了微觀形貌分析(SEM)并進(jìn)行了成分測(cè)定，結(jié)果如圖3-5所示。

圖3 新掛片表面電鏡掃描

Fig.3 SEM result of the new coupon surface

圖4 腐蝕掛片表面SEM圖譜和產(chǎn)物檢測(cè)(1)

Fig.4 The corrosion coupon surface SEM map and product testing(1)

圖5 腐蝕掛片表面SEM圖譜和產(chǎn)物檢測(cè)(2)

Fig.5 The corrosion coupon surface SEM map and product testing(2)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)部分掛片進(jìn)行了微觀形貌檢測(cè)(SEM)、成分測(cè)定，可以初步推斷以下結(jié)果：

(1) 在對(duì)腐蝕產(chǎn)物作能譜分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)掛片表面主要含有C、O、Fe、S等4種主要元素，也存在Si、Ca等其他元素。

(2) 掛片表面有均勻腐蝕、坑蝕及點(diǎn)蝕，分布不均勻。以均勻腐蝕為主，腐蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 確定數(shù)據(jù)序列

3.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化

每個(gè)影響因素的量綱不同，要同時(shí)進(jìn)行影響程度的分析，就要對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。本文用均值法進(jìn)行無(wú)量綱化。

表3 10個(gè)主要因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較曲線序列與參考序列的相對(duì)差值，根據(jù)文獻(xiàn)[10]計(jì)算參考序列與比較序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)，即確定各影響因素與腐蝕速率的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

如用關(guān)聯(lián)系數(shù)ζl(k)來(lái)分析各因素影響程度，會(huì)由于數(shù)據(jù)太多而導(dǎo)致信息分散度大，不便于結(jié)果的比較。因此，通過(guò)關(guān)聯(lián)系數(shù)ζl(k)的算術(shù)平均值作為關(guān)聯(lián)度來(lái)進(jìn)行分析衡量，將會(huì)更便于結(jié)果的對(duì)比。

關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為：

(2)

式中：ζ為關(guān)聯(lián)系數(shù)，ζ∈(0,1)；r為關(guān)聯(lián)度；k為參考序列上選取得的點(diǎn)；l為曲線序列上對(duì)應(yīng)參考序列的點(diǎn)；i為影響因素的序號(hào)。

關(guān)聯(lián)度ri構(gòu)成的序列，能夠體現(xiàn)各因素對(duì)腐蝕速率的影響程度大小，變化范圍在0～1。一般地，關(guān)聯(lián)度ri>0.6，則認(rèn)為該因素對(duì)結(jié)果影響較大。通過(guò)關(guān)聯(lián)度值的比較，可以對(duì)A區(qū)塊注水管線腐蝕速率的10個(gè)影響因素進(jìn)行順序排列，以便找出主要的影響因素。

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法，分析實(shí)驗(yàn)中得出的10種因素對(duì)A區(qū)塊注水管線腐蝕速率的影響程度，并對(duì)各因素的影響程度進(jìn)行降序排列。

以pH為例，進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算，

(1) 根據(jù)無(wú)量綱化公式

得子因素序列：x1′=

[0.6690997810.8029197371.2043796061.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.0170316671.017031667]

根據(jù)母因素?zé)o量綱化公式

得母因素序列： y′=

[1.0490531.0049390.9608250.8220271.0888630.7875961.4654460.749931.1900020.8456981.1706350.8532291.0113940.8198751.0845590.8790521.2943700.9285461.0393691.0469010.9382300.969432]

(2) 絕對(duì)值計(jì)算

|y′(k)-xl′(k)|=

[0.3799530.2020190.2435550.1950050.0718310.2294350.4484140.2670940.1729710.1713340.1536030.1638020.0056370.1971570.0675270.1379790.2773380.0884860.0223370.0298690.0788020.047599]

(3) 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

ζl(k)=

[0.3804363890.539254860.491370360.5482774620.7764011210.5066644190.3417144870.467828480.5786942130.5810888270.6083589310.592368361.0000000010.5454774120.7878549610.6346024910.4582728140.7350489320.9322635270.9046281420.758539620.845617742]

(4) 根據(jù)關(guān)聯(lián)度公式

得到pH關(guān)聯(lián)度ri=0.637 0

同理可計(jì)算其余各因素與腐蝕速率的關(guān)聯(lián)度值，并按從大到小排列，結(jié)果見表4。

表4 10個(gè)影響因素關(guān)聯(lián)度排列表

續(xù)表4

4 結(jié)論

(2) 通過(guò)室內(nèi)進(jìn)行了58組掛片實(shí)驗(yàn)研究，獲得了實(shí)驗(yàn)前后的腐蝕產(chǎn)狀。該方法具有一定的普遍性，可以用于分析其它區(qū)塊及其它油田的注水管線腐蝕因素，以便采取相應(yīng)的措施維護(hù)注水管線的正常運(yùn)行。

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(編輯 王亞新)

The Grey Relation Analysis for the Influential Factors of Oilfield Water Injection Pipeline Corrosion

Wang Junqi1, Sun Yanhu1,2, Zhang Zhenjie1

(1.CollegeofPetroleumEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’anShaanxi710065,China; 2.TheNo.4OilProductionPlantofChangqingOilfield,CNPC,YulinShaanxi718500,China)

Based on the corrosion status of water injection pipeline in A block of Changqing oilfield, contact corrosion between injected water and pipeline is simulated in laboratory. The weight-loss method is used to study on the corrosion rate of oilfield water injection pipeline under different experimental factors (current speed, temperature and pressure). Taking the corrosion rate of oilfield water injection pipeline as the

equence, and the various influence factors as the comparison sequence, the Grey Relation Analysis method is adopted to get the correlation coefficient of various influence factors. Then, the correlation degree can be calculated. According to the size value of the calculation, the correlation degree can be sorted. Combined with the experimental results and the theoretical calculation, the main influence factors of water injection pipeline corrosion rate in A block are determined. This provides a reference for the same kind of oilfield block on water injection pipeline corrosion control.

Grey theory; Correlation; Water injection pipeline; Corrosion; Affecting factors

1006-396X(2015)03-0074-06

2014-09-25

2015-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374170)。

王俊奇(1966-)，男，博士，教授，從事油氣田開發(fā)研究；E-mail:wjq_xasy@163.com。

TE38

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.03.016