油田集輸管網(wǎng)腐蝕分析及治理措施優(yōu)化

柴德民 楊曉龍 岑瑗瑗 張曄

1中國石化勝利油田分公司油藏動態(tài)監(jiān)測中心

2新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

3中國石化勝利油田分公司勝利采油廠

勝坨油田經(jīng)過50 多年的開發(fā)生產(chǎn)，油水井地面集輸管網(wǎng)不斷地更新、延長，單井管線、混輸干線錯綜復(fù)雜，規(guī)模較大；同時伴隨著管網(wǎng)老化、地面環(huán)境的不斷變化，管網(wǎng)運行的安全環(huán)保風(fēng)險日益加劇。探索安全風(fēng)險可控、規(guī)劃布局更加合理、管線經(jīng)濟(jì)壽命更長、運行效率更高的管網(wǎng)治理優(yōu)化措施和建設(shè)方案已勢在必行。

1 集輸管網(wǎng)運行適應(yīng)性分析

1.1 管線頻繁穿孔不適應(yīng)降本創(chuàng)效和國家環(huán)保要求

據(jù)統(tǒng)計，集油支干線投產(chǎn)超過10 年的占到42.6%，注水支干線超過10 年的占到38.1%，管線老化嚴(yán)重的注采站穿孔處理應(yīng)急維修任務(wù)十分繁重。管線穿孔污染賠付高，環(huán)保壓力大、風(fēng)險高，且根據(jù)相關(guān)司法解釋，嚴(yán)重管線穿孔污染事件將面臨法律責(zé)任追究[1]。

1.2 現(xiàn)有防腐技術(shù)不適應(yīng)管線長周期安全、高效運行要求

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，管線內(nèi)腐蝕造成的穿孔占49.6%，外腐蝕造成的穿孔占38.3%。其外部環(huán)境影響主要是油田區(qū)域多為近代黃河沖擊海相沉積而成，屬濱海鹽漬土壤，土壤含鹽以氯化物為主，土壤電阻率低，一般小于20Ω·m，地下水位高，一般為1～3 m，腐蝕性強(qiáng)[2]；其本體所受影響主要是因為管內(nèi)含有CO2、Cl-等腐蝕性離子的管輸液體的侵蝕，管線3PE外防腐工藝實施較晚，腐蝕穿孔嚴(yán)重，管線難于達(dá)到經(jīng)濟(jì)壽命要求。

1.3 管網(wǎng)布局不適應(yīng)城市發(fā)展規(guī)劃需求

管線運行與市政建設(shè)矛盾重重，一方面多數(shù)管線建設(shè)在前，地方各種建設(shè)在后，管網(wǎng)被地方建筑占壓、與市政管網(wǎng)雨污排交叉并行、穿越水體等問題存在極大安全環(huán)保隱患；另一方面地方政府發(fā)展規(guī)劃造成巨大的管線整體遷建工作量，大大增加了投入和運行成本。

1.4 管線縱橫交織，路由復(fù)雜，不適應(yīng)更新敷設(shè)及巡護(hù)管理需求

管線密集交錯，影響更新管線敷設(shè)，局部區(qū)域管網(wǎng)密集凌亂，不利于巡護(hù)管理，密集交錯管網(wǎng)圖見圖1。

圖1 密集交錯管網(wǎng)圖Fig.1 Dense staggered pipe network

為解決以上突出矛盾，需加強(qiáng)腐蝕機(jī)理研究和管網(wǎng)綜合治理力度，優(yōu)化源頭設(shè)計，提高管網(wǎng)安全環(huán)保防控能力迫在眉睫。

2 管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用

2.1 管網(wǎng)腐蝕機(jī)理

通過管線穿孔關(guān)鍵因素分析，尋找管線穿孔主要群體和薄弱點，對材質(zhì)、介質(zhì)、運行環(huán)境等影響因素進(jìn)行了大量的宏觀腐蝕機(jī)理研究，取得了一定的認(rèn)識[3-4]。油水管網(wǎng)腐蝕分類要因見圖2。

圖2 油水井管網(wǎng)腐蝕分類要因圖Fig.2 Main factors for corrosion classification of oil and water well pipe network

在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，選取油單井、集油干線、水單井等不同類別管線的失效樣本，深化微觀腐蝕機(jī)理的研究。

2.1.1 樣本選取

選取11 段管線作為分析樣本，包括油井單井管線、注水單井管線、集油支干線，其中局部腐蝕穿孔10條，全面腐蝕減薄1條。其內(nèi)部腐蝕形態(tài)見圖3、外部腐蝕形態(tài)見圖4。

圖3 內(nèi)部腐蝕形態(tài)Fig.3 Internal corrosion pattern

圖4 外部腐蝕形態(tài)Fig.4 External corrosion pattern

2.1.2 材質(zhì)及金相分析

通過分析表明，管線的化學(xué)成分、力學(xué)性能、材質(zhì)金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.3 腐蝕產(chǎn)物射線衍射（XRD）分析

（1）CO2腐蝕風(fēng)險分析。703 干線腐蝕層射線衍射譜圖（XRD）見圖5。圖5 分析表明，腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3，其主要腐蝕影響因素為CO2分壓[5]。

圖5 703干線腐蝕層XRD譜圖Fig.5 XRD spectrum of 703 Main Line corrosion layer

（2）沖刷磨蝕風(fēng)險分析。34102 單井管線沖刷腐蝕XRD 譜圖見圖6。管線腐蝕層XRD 譜圖表明，腐蝕產(chǎn)物主要成分除FeCO3外還含有CaCO3，輸送介質(zhì)中的砂及雜質(zhì)參與了管線內(nèi)部磨蝕的過程。

圖6 34102管線腐蝕層XRD譜圖Fig.6 XRD spectrum of 34102 Line corrosion layer

（3）垢下腐蝕風(fēng)險分析。T125 干線垢下腐蝕XRD譜圖見圖7。腐蝕層XRD譜圖表明，主要腐蝕產(chǎn)物成分為CaCO3、FeCO3，其主要影響因素為Ca2+、Fe2+含量，溫度。

圖7 T125腐蝕層XRD譜圖Fig.7 XRD spectrum of T125 corrosion layer

（4）氧腐蝕風(fēng)險分析。圖8 為失效的24166 注水井單井管線腐蝕層XRD 譜圖。圖譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4和FeOOH/Fe2O3，氧腐蝕風(fēng)險主要影響因素為溶解氧[6]。

圖8 24166腐蝕層XRD譜圖Fig.8 XRD spectrum of 24166 corrosion layer

從穿孔數(shù)據(jù)和腐蝕機(jī)理來看，管線內(nèi)部腐蝕有多種因素，采用能夠最大限度規(guī)避以上風(fēng)險且易于實施、經(jīng)濟(jì)有效的創(chuàng)新性內(nèi)防腐技術(shù)是解決管線內(nèi)部腐蝕、沖蝕的重要手段，也是降低地面管網(wǎng)穿孔的主要措施。

2.2 內(nèi)防腐工藝

2.2.1 單井管線內(nèi)襯技術(shù)

參考內(nèi)襯管在井下治理油井偏磨的經(jīng)驗[7]，開展了內(nèi)襯管用于集輸管線內(nèi)防腐工藝技術(shù)攻關(guān)應(yīng)用研究。

（1）連續(xù)內(nèi)襯穿管防腐工藝技術(shù)。該技術(shù)是將原穿孔腐蝕管線清洗、刮通管后，在原管內(nèi)通過動力牽引穿入連續(xù)內(nèi)襯進(jìn)行防腐處理[8]。但該技術(shù)在實際應(yīng)用中具有一定的操作和技術(shù)局限性，結(jié)垢嚴(yán)重管線可能無法施工，部分管線密集區(qū)域彎頭部位難施工，且相對費用高、工期長。

（2）單根由壬連接內(nèi)襯管工藝技術(shù)。針對原管穿內(nèi)襯和新焊接管線穿內(nèi)襯的缺點與局限性，研究了單根由壬連接的內(nèi)襯內(nèi)防技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)選并利用了超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）內(nèi)襯材料的耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性、自身潤滑性、抗粘附性、抗沖擊、耐老化的優(yōu)良性能[9]（表1）。

表1 高分子材料性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters of high-molecular materials

從施工難度、成本、安全、可靠性等多方面考慮，依靠修復(fù)試壓合格舊油管（節(jié)省成本），配套由壬頭絲扣連接以及密封圈端面密封方式，單根、彎頭、標(biāo)準(zhǔn)短接均可方便拆卸，而且可以不動火施工，形成了單根內(nèi)襯防腐管配套技術(shù)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[10]（圖9）。該技術(shù)研制成功后，即在油井單井管線更新建設(shè)工程中投入現(xiàn)場應(yīng)用，且運行良好，為有效治理腐蝕穿孔、環(huán)境污染防控及提高管網(wǎng)運行效率發(fā)揮了重要作用。

圖9 高分子材料內(nèi)襯防腐管Fig.9 High-molecular material lined anticorrosive pipe

2.2.2 集油干線、支干線內(nèi)涂層防腐技術(shù)

通過對熔結(jié)環(huán)氧粉末、熔結(jié)玻璃粉末、無溶劑陶瓷顆粒、雙組分環(huán)氧涂料、環(huán)氧玻璃鱗片等內(nèi)涂層防腐技術(shù)的對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧粉末或無溶劑陶瓷顆粒內(nèi)防腐技術(shù)更能適應(yīng)勝坨油田干線管網(wǎng)運行介質(zhì)的要求，同時配套應(yīng)用不銹鋼堆焊補(bǔ)口技術(shù)可大大增強(qiáng)干線內(nèi)防工藝的適應(yīng)性。這種工藝特別適合腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境，在現(xiàn)場管網(wǎng)優(yōu)化中取得了很好的應(yīng)用效果。

2.3 提高風(fēng)險管控能力措施

2.3.1 明確技術(shù)原則，做優(yōu)設(shè)計方案

（1）管線材質(zhì)選擇原則。針對注采集輸管網(wǎng)出現(xiàn)的多種腐蝕風(fēng)險耦合特征，遵循以下幾點原則：油井單井管線采用超高分子量聚乙烯內(nèi)襯防腐油管；水井單井管線采用高強(qiáng)度厚壁管線；集油、注水干線采用內(nèi)防腐及補(bǔ)口技術(shù)；敏感區(qū)域、特殊地帶，提高局部管道的設(shè)計強(qiáng)度。同時在設(shè)計時嚴(yán)格按照GB 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》第7.2 條規(guī)定“集油管道與居民區(qū)、村鎮(zhèn)、公共福利設(shè)施、工礦企業(yè)等的距離不宜小于10 m。當(dāng)管道局部管段不能滿足上述距離要求時，可降低設(shè)計系數(shù)，提高局部管道的設(shè)計強(qiáng)度，可以將距離縮短到5 m?！眻?zhí)行空間距離要求。

（2）管線外防腐應(yīng)用原則。外防腐采用3PE外防，稠油熱采管線采用黃夾克（30 mm級）防腐保溫。加強(qiáng)防腐工藝質(zhì)量檢測，回填土不得含巖石或礫石，穿套管拖拉過程中使用保護(hù)措施，破損后使用補(bǔ)傷片及時處理。外防腐層必須連續(xù)，上返至地面。

（3）質(zhì)量管控原則。鋼制管線焊縫檢測采用超聲波及射線探傷工藝，確保施工無缺陷。

2.3.2 合理優(yōu)化布局，提高管網(wǎng)運維效率

（1）整合規(guī)劃，降低風(fēng)險。結(jié)合油田信息化計量技術(shù)，單井液量、產(chǎn)量及水井注水量等參數(shù)均在井口進(jìn)行數(shù)字化計量并實現(xiàn)遠(yuǎn)傳，給單井管網(wǎng)的集輸整合提供了優(yōu)化實施空間。單井管線通過優(yōu)化合理的碰頭節(jié)點配套建設(shè)閥組，降低單井管線長度和管線密集程度，縮小管網(wǎng)規(guī)模，降低損傷、穿孔、占壓概率，提高了管網(wǎng)運維能力。

172計量站管網(wǎng)整體規(guī)劃改造見圖10。設(shè)計優(yōu)化前該計量站已使用30 多年，井?dāng)?shù)多，單井液量低，多條管線跨越藕池、水溝等敏感地帶，且由于取土影響，管線外防腐層出現(xiàn)破損，匯管腐蝕穿孔嚴(yán)重。為此對該站管網(wǎng)進(jìn)行了整體優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)油水井就近原則，新建3 處閥組，單井就近合走，碰頭支干線，縮小管網(wǎng)規(guī)模，管線總長較之前減少7.8 km，避開了藕池、水溝等區(qū)域，大大降低了安全隱患。

圖10 172站管網(wǎng)整體優(yōu)化圖Fig.10 Overall optimization map of 172 Station pipeline network

（2）優(yōu)化實施管廊帶工程。面對地面管網(wǎng)錯綜復(fù)雜、異常占壓等隱患風(fēng)險，大力推進(jìn)管廊帶規(guī)劃設(shè)計，縮小管網(wǎng)規(guī)模，延長管線壽命，以便于日常運維管理，提高運行效率和安全環(huán)保管控能力；同時使地面管網(wǎng)更新與城市發(fā)展相適應(yīng)，實現(xiàn)科學(xué)整體布局。

管廊帶設(shè)計原則是在油井相對密集的井場建立閥組，增加管線集結(jié)點，縮短單井管線距離；避開占壓密集區(qū)域及水塘、水渠等，閥組聚結(jié)而成的集油干線沿進(jìn)井路和井排路敷設(shè)管廊帶，且均規(guī)劃至已征地范圍內(nèi)，不增加新征地費用。同時建立管線數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)地面管網(wǎng)動態(tài)管理，為管網(wǎng)運行維護(hù)、效能評價提供決策支持。

原井區(qū)管網(wǎng)見圖11。原油水井管線穿越農(nóng)田、水塘、溝渠，受穿越地域影響，穿孔頻發(fā)，污染嚴(yán)重。在管廊帶優(yōu)化工程中，選取油井較集中的2-212井場建設(shè)油井閥組，然后沿進(jìn)井路連接至井排集油干線，水井管線就近整合沿進(jìn)井路集中至219配水間。管郎帶優(yōu)化見圖12。沿進(jìn)井路形成的管廊帶合理避開了各種復(fù)雜的地理環(huán)境，便于敷設(shè)施工和維護(hù)管理，極大地降低了運行和環(huán)保風(fēng)險。

圖11 原管網(wǎng)圖Fig.11 Original pipe network map

圖12 管廊帶優(yōu)化圖Fig.12 Optimization map of pipe corridor

3 結(jié)論

（1）射線衍射分析研究表明，油田地面管網(wǎng)存在CO2腐蝕、沖刷腐蝕、垢下腐蝕、氧腐蝕等多種風(fēng)險因素，研究規(guī)避這些風(fēng)險的有效防腐技術(shù)是延長管網(wǎng)壽命、防范安全環(huán)保風(fēng)險的必由之路。

（2）單根由壬連接內(nèi)襯管配套工藝可以作為內(nèi)防腐應(yīng)用的重要技術(shù)手段，且充分利用了舊油管，大大節(jié)約投入，在油井管線現(xiàn)場應(yīng)用中取得了很好的效果。

（3）實驗對比及現(xiàn)場應(yīng)用表明，環(huán)氧粉末或無溶劑陶瓷顆粒防腐配套不銹鋼堆焊補(bǔ)口技術(shù)更適應(yīng)集油干線內(nèi)防處理和管網(wǎng)運行介質(zhì)的要求。

（4）實施管廊帶工程設(shè)計方案，合理優(yōu)化管網(wǎng)布局，可以大大提高油水井集輸管網(wǎng)運維效率和安全環(huán)保管控水平，實現(xiàn)油田開發(fā)與城市規(guī)劃建設(shè)和諧發(fā)展。