清管預(yù)膜控制速度研究

汪楓 羅馳 陽(yáng)梓杰 徐瑩瑩 李珊

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦

清管預(yù)膜作為常見(jiàn)的緩蝕劑加注工藝之一，其預(yù)膜球的運(yùn)行速度對(duì)管道緩蝕劑預(yù)膜質(zhì)量具有重要影響。當(dāng)清管器與緩蝕劑段塞運(yùn)行速度過(guò)快,預(yù)膜時(shí)間過(guò)短時(shí),管壁與緩蝕劑分子接觸時(shí)間太短,不能形成完整致密的緩蝕劑膜,可能引發(fā)嚴(yán)重的局部腐蝕；若預(yù)膜時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，要求清管器運(yùn)行速度較緩慢,操作壓力不易控制,易造成卡球等事故。

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有緩蝕劑預(yù)膜技術(shù)多由國(guó)外引進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)采用的清管預(yù)膜作業(yè)程序和操作參數(shù)多為外方經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。如PNS推薦預(yù)膜控制速度為2.0～3.0 m/s，優(yōu)化維護(hù)速度為3.0～4.0 m/s，普光氣田進(jìn)行緩蝕劑預(yù)膜時(shí)緩蝕劑與管壁接觸時(shí)間5～10 s[1]。這對(duì)管道輸送氣量限制較大，普適性不強(qiáng)。而四川盆地多數(shù)氣田均已進(jìn)入遞減期，普遍存在產(chǎn)能不足的特點(diǎn)，大部分管道很難滿足該條件，這就需要確定更加合理的清管預(yù)膜速度，擴(kuò)大清管預(yù)膜工藝的適用范圍。

因此，有必要開展清管預(yù)膜速度優(yōu)化研究，通過(guò)恒電位階躍法研究高含硫體系中緩蝕劑的成膜時(shí)間，以期找到清管預(yù)膜作業(yè)中預(yù)膜球運(yùn)行速度的判定依據(jù)，并找到適用于四川盆地高含硫集輸管道清管預(yù)膜的最優(yōu)預(yù)膜球運(yùn)行速度。

1 清管預(yù)膜控制速度室內(nèi)研究

1.1 試驗(yàn)原理

采用電化學(xué)試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)處于某一電位的電極突然施加一個(gè)小幅度的電位階躍后，記錄電流隨時(shí)間的響應(yīng)曲線。在本次試驗(yàn)中，恒定附加在溶液體系上的電壓(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得管線鋼在實(shí)驗(yàn)用溶液體系中腐蝕電位為-711.4 mV)，外加一擾動(dòng)電壓，通過(guò)記錄加注緩蝕劑前后I-t的變化值，獲得緩蝕劑從開始成膜到膜完全形成所需要的時(shí)間。試驗(yàn)條件為試驗(yàn)管道現(xiàn)場(chǎng)水，隔氧并飽和H2S和CO2，試驗(yàn)溫度40 ℃，常壓，試驗(yàn)周期72 h，工作電極L245，參比電極飽和甘汞電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖1可看出，外加恒電位條件下，體系電流隨時(shí)間逐漸降低并趨于平穩(wěn)，此時(shí)向溶液中加入緩蝕劑，由于緩蝕劑在電極表面的吸附，電流發(fā)生改變迅速下降(A點(diǎn))。當(dāng)電極表面緩蝕劑膜吸附完全時(shí)，電流再次發(fā)生改變并趨于平緩(B點(diǎn))。AB兩點(diǎn)的時(shí)間差即為緩蝕劑完全成膜所需時(shí)間。即：

Δt=393.48(B點(diǎn))-391.32(A點(diǎn))=2.16 s

室內(nèi)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在溶液體系中進(jìn)行，所得到的緩蝕劑成膜時(shí)間不可避免地受到緩蝕劑在溶液中的擴(kuò)散過(guò)程的影響。而在現(xiàn)場(chǎng)清管預(yù)膜過(guò)程中，由于不含水或含水極少，緩蝕劑的擴(kuò)散過(guò)程所需要的時(shí)間將比在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中短得多。也就是說(shuō)，在室內(nèi)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到的緩蝕劑成膜時(shí)間比現(xiàn)場(chǎng)清管預(yù)膜過(guò)程中緩蝕劑成膜時(shí)間更長(zhǎng)，如圖2所示。這是因?yàn)椋F(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑預(yù)膜的技術(shù)思路是利用緩蝕劑分子自身結(jié)構(gòu)特性，借助分子與管道內(nèi)壁的物理或化學(xué)吸附作用，在管道內(nèi)壁自組裝形成一層較薄且具有緩蝕功能的單分子膜[2]。管道緩蝕劑成膜機(jī)理以緩蝕劑分子與管道內(nèi)壁間的物理或化學(xué)吸附為主，緩蝕劑成膜時(shí)間主要由吸附過(guò)程決定。所以在清管預(yù)膜作業(yè)中，通過(guò)控制夾注球的運(yùn)行速度，使緩蝕劑段塞通過(guò)管道內(nèi)任意一點(diǎn)的時(shí)間大于2.16 s，即能保證緩蝕劑在管道內(nèi)壁的成膜完全。

按理論狀況計(jì)算緩蝕劑在管道末端最小段塞長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

(1)

將上式簡(jiǎn)化并換算單位后為：

(2)

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，使緩蝕劑段塞通過(guò)管道內(nèi)任意一點(diǎn)的時(shí)間大于2.16 s。

所以：

(3)

式中：L為預(yù)膜管道長(zhǎng)度，km；D為管道外徑，mm；δ為管道壁厚，mm；H為理論計(jì)算最小段塞長(zhǎng)度，m；v為預(yù)膜速度，m/s。

2 清管預(yù)膜控制速度研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在川東地區(qū)兩條高含硫管線上進(jìn)行了優(yōu)化后的預(yù)膜速度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在A管線進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)速度的預(yù)膜效果驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)管線基本信息

A管線全長(zhǎng)22.7 km，實(shí)際輸氣量120×104m3/d，ρ(H2S)70.02 g/m3；B管線長(zhǎng)3.662 km，輸氣量8×104m3/d，ρ(H2S)108.055 g/m3。

采用雙球定量注入緩蝕劑預(yù)膜，試驗(yàn)期間兩條管線運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管線參數(shù)Table1 Pipelineparameters管線名稱管線長(zhǎng)度/km氣量/(104m3/d)ρ(H2S)/(g·m-3)最大推球壓差/MPa運(yùn)行時(shí)間/min預(yù)膜量/kg污水/m3污物/kgA管線22.70015570.0201.110722400.070B管線3.6629108.0550.5852200.050

2.2 優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度計(jì)算式(3),計(jì)算得到A管線清管預(yù)膜控制速度為v≤5.2 m/s，實(shí)際的預(yù)膜運(yùn)行平均速度為3.5 m/s，部分管段運(yùn)行速度接近5 m/s，高于PNS推薦速度;計(jì)算得到B管線清管預(yù)膜控制速度為v≤1.4 m/s，實(shí)際的預(yù)膜運(yùn)行平均速度為0.72 m/s，部分管段運(yùn)行速度接近1 m/s，低于PNS推薦速度。

預(yù)膜后采用腐蝕掛片及緩蝕劑殘余濃度分析對(duì)清管預(yù)膜的效果進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。其中，A管線腐蝕掛片設(shè)置在管線起點(diǎn)，B管線腐蝕掛片設(shè)置在管線末端。管道預(yù)膜前，先將腐蝕掛片在緩蝕劑中浸泡后再掛入管道中，以模擬緩蝕劑預(yù)膜狀態(tài)。腐蝕掛片監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 清管預(yù)膜期間腐蝕掛片數(shù)據(jù)Table2 Corrosioncoupondatainpiggingpre-filmoperation管線名稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置階段空白預(yù)膜時(shí)間/天腐蝕速率/(mm·a-1)時(shí)間/天腐蝕速率/(mm·a-1)A管線起點(diǎn)270.0554350.0256B管線末端2160.1315380.0461

從表2可看出，加入緩蝕劑后，A管線起點(diǎn)掛片腐蝕速率從0.055 4 mm/a下降到0.025 6 mm/a，下降幅度54%；B管線掛片腐蝕速率從0.131 5 mm/a下降到0.046 1 mm/a，下降幅度65%。這說(shuō)明，兩條管線腐蝕速率得到明顯抑制，預(yù)膜效果明顯。

緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析設(shè)置在管線末端，對(duì)于水溶性緩蝕劑，采用分光光度法測(cè)定緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度，以確定緩蝕劑清管預(yù)膜效果[3]。緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度分析監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，在預(yù)膜周期內(nèi)，兩條管線預(yù)膜后的緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度均在有效的范圍內(nèi)，表明緩蝕劑預(yù)膜效果明顯。

從表2和圖3可知，采用優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度進(jìn)行管道清管預(yù)膜，預(yù)膜后管道內(nèi)腐蝕程度顯著降低，預(yù)膜效果良好。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為了對(duì)優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度進(jìn)行驗(yàn)證，在A管線采用PNS推薦速度進(jìn)行管道的清管預(yù)膜作業(yè)，并采用腐蝕掛片和緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)的方法對(duì)預(yù)膜效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

采用PNS推薦速度進(jìn)行管道清管預(yù)膜，預(yù)膜速度為2.4 m/s，符合PNS推薦的預(yù)膜控制速度2～3 m/s。預(yù)膜后的腐蝕掛片監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

表3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證期間腐蝕掛片數(shù)據(jù)Table3 Corrosioncoupondataoftheverificationonfield階段時(shí)間/天腐蝕速率/(mm·a-1)空白720.0655預(yù)膜220.0429

從表3可知，清管預(yù)膜后，A管線起點(diǎn)掛片腐蝕速率從0.065 5 mm/a下降到0.042 9 mm/a，下降幅度35%，腐蝕速率得到明顯抑制。從腐蝕掛片的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，腐蝕速率無(wú)論降幅還是預(yù)膜后的腐蝕速率值，優(yōu)化后的預(yù)膜速度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均優(yōu)于PNS推薦速度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖4表明，預(yù)膜周期殘余質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值在有效范圍內(nèi)，緩蝕劑清管預(yù)膜效果良好。

對(duì)比兩種預(yù)膜控制速度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從預(yù)膜后的腐蝕掛片和緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度計(jì)算方法切實(shí)有效。

3 結(jié) 論

(1) 采用室內(nèi)電化學(xué)試驗(yàn)方法，獲得了預(yù)膜控制速度計(jì)算新方法。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度計(jì)算方法在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中應(yīng)用良好，采用優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)清管預(yù)膜，A、B兩條管線預(yù)膜控制速度計(jì)算方法切實(shí)有效。

(3) 預(yù)膜后腐蝕掛片及緩蝕劑殘余質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的預(yù)膜控制速度進(jìn)行管道清管預(yù)膜，預(yù)膜效果良好。

[1] 中原油田普光分公司采氣廠. 高酸性氣田集輸管道緩蝕劑預(yù)涂膜技術(shù)規(guī)程: Q/SH1025 0741-2010 [S]. 濮陽(yáng): 中原油田, 2010.

[2] 楊學(xué)耕, 陳慎豪, 馬厚義, 等. 金屬表面自組裝緩蝕功能分子膜[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2003, 15(2): 123-128.

[3] 吳東榮, 敬家強(qiáng), 杜磊. 輸氣管道緩蝕劑預(yù)膜及控制技術(shù)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2013, 32(5): 485-488.