塔河油田高含硫伴生氣管道腐蝕主控因素的關(guān)聯(lián)分析

程曉軍，肖雯雯，曾文廣，劉青山，廖柯熹，陳 偉，葛鵬莉，許艷艷，楊 娜

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 前 言

塔河油田內(nèi)腐蝕環(huán)境具有高含H2S(最高1.0×105mg/m3)、高含CO2(最高10%，摩爾分?jǐn)?shù))、高礦化度(最高2.4×105mg/L)、低pH值(最低5.5)的“三高一低”特點(diǎn)，其腐蝕形貌主要以點(diǎn)腐蝕為主[1]，現(xiàn)場平均點(diǎn)蝕穿孔速率高達(dá)3.5 mm/a。霍建軍等[2]、羊東明等[3]從管道輸送介質(zhì)方面(如H2S和CO2)分析了影響伴生氣管道腐蝕的原因，從腐蝕性介質(zhì)方向提出了適用于伴生氣管道腐蝕的防護(hù)措施。但是影響伴生氣管道腐蝕的不僅僅是腐蝕性介質(zhì)的原因，還有流動(dòng)的影響[4]，如保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜(碳酸鐵)、pH值穩(wěn)定劑和腐蝕抑制劑可能由于流體高流速引起的剪切應(yīng)力而不穩(wěn)定，而被從管壁沖走[5]。同時(shí)液滴和固體顆粒的沖擊力也是流動(dòng)誘導(dǎo)腐蝕的主要原因之一。Thaker等[6]在定性和定量分析的基礎(chǔ)上，提出了一套適用于侵蝕腐蝕現(xiàn)象預(yù)測的體系圖，圖中給出了剪切應(yīng)力侵蝕、空化侵蝕、液體沖擊侵蝕和流動(dòng)加速腐蝕4種不同侵蝕腐蝕現(xiàn)象的過渡邊界。金經(jīng)洋等[7]、白羽等[8]采用高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜進(jìn)行正交試驗(yàn)，考察了流速、含水率對腐蝕速率的影響，但需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能確定影響腐蝕的主控因素。李文華等[9]深入研究了密封式繼電器觸點(diǎn)的失效機(jī)理，開展了腐蝕形貌特征與腐蝕類型的關(guān)聯(lián)性分析。吳靜[10]開展了多種缺陷對涂層腐蝕性能影響的研究，探討了孔隙、氧化物層、晶體相等缺陷以及缺陷造成的成分不均勻性對管道涂層腐蝕的關(guān)聯(lián)性規(guī)律及機(jī)制?？傊?，對腐蝕的影響是多種因素相互作用的結(jié)果，因此對多種因素交互作用下的數(shù)據(jù)分析是必要的。

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘是數(shù)據(jù)挖掘中的一個(gè)重要方向，汪瑛[11]采用Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則算法對燃?xì)庀到y(tǒng)管道維修方面進(jìn)行挖掘分析，為企業(yè)決策提供依據(jù)。張新建等[12]通過對管道完整性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘流程進(jìn)行研究，對經(jīng)典Apriori算法中頻繁項(xiàng)集生成效率進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合中國石油某管道開展完整性管理積累的外檢測與內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。李龍等[13]在目前傳統(tǒng)Apriori算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)算法中數(shù)據(jù)庫的掃描次數(shù)，篩選出有用候選集。但傳統(tǒng)的Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則算法耗時(shí)長、無效規(guī)則多，不適用于高含硫伴生氣管道腐蝕因素的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析。

Pearson相關(guān)系數(shù)法易于運(yùn)行和理解，通常對于理解數(shù)據(jù)有較好的效果，但是該方法只能解決簡單的線性關(guān)系，當(dāng)2個(gè)變量可能有更復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系時(shí)，Pearson系數(shù)也可能為0；Apriori關(guān)聯(lián)挖掘算法可以挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)含的、未知的卻又實(shí)際存在的復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系，但是該算法在循環(huán)計(jì)算中產(chǎn)生的組合過多，沒有排除不應(yīng)該參與組合的元素，并且需要很大的I/O負(fù)載。為了確定流動(dòng)參數(shù)與腐蝕速率之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，本工作提出Pearson相關(guān)系數(shù)和Apriori關(guān)聯(lián)挖掘算法相結(jié)合的方法，解決單獨(dú)使用Pearson相關(guān)系數(shù)法和Apriori算法計(jì)算量大、挖掘效率低的問題，并通過高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了此方法的正確性。利用關(guān)聯(lián)性規(guī)則確定塔河油田腐蝕主控因素，以此制定針對性治理對策，解決伴生氣管線腐蝕失效隱患問題，有利于生產(chǎn)的安全運(yùn)行和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，也有利于油氣田生產(chǎn)發(fā)展和周邊社會的穩(wěn)定，具有良好的社會效益。

1 多相流計(jì)算模型

高含硫伴生氣在管道內(nèi)流動(dòng)過程中，流體流速、液相分布、湍動(dòng)能、壓力的大小和分布都發(fā)生了變化，引起管壁處某些部位的剪切應(yīng)力、含液率、湍動(dòng)能、壓力發(fā)生變化，這將加速管道的腐蝕[14]。

氣液兩相流連續(xù)性方程：

(1)

液相：

(2)

氣相：

(3)

氣液相混合：

(4)

動(dòng)量方程：

液相：

(5)

氣相：

(6)

氣液相混合：

(7)

基于高含硫伴生氣管道的基礎(chǔ)信息，利用計(jì)算流體力學(xué)方法，根據(jù)流體流動(dòng)的規(guī)律，建立管道的里程 - 高程模型，運(yùn)用多相流計(jì)算模型[15]，對管道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模擬，可以確定管道沿線溫度、壓力、流速、持液率等流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。

2 Pearson相關(guān)系數(shù)與Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的結(jié)合

2.1 Pearson相關(guān)系數(shù)法

Pearson相關(guān)系數(shù)(r)用于評估2個(gè)變量之間的線性關(guān)系強(qiáng)度[16]，可以采用從-1到+1的數(shù)值范圍。正值表示正線性相關(guān)，負(fù)值表示負(fù)線性相關(guān)。該數(shù)值越接近+1或-1，線性相關(guān)性越強(qiáng)。Pearson相關(guān)系數(shù)定義如下[17]：

(8)

通常認(rèn)為r≤0.39表示弱相關(guān)，r在0.40～0.69為中等相關(guān)，r在0.70～1.00為強(qiáng)相關(guān)或高相關(guān)，r≥0.90表示非常高的相關(guān)[11]。

2.2 Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法

高含硫伴生氣管道介質(zhì)和多相流計(jì)算參數(shù)為基本數(shù)據(jù)集，設(shè)基本數(shù)據(jù)集為D，D={t1，t2，t3，t4，t5}，tk(k=1，2，3，4，5)稱為事務(wù)，其中t1代表H2S濃度，t2代表壓力，t3代表溫度，t4代表流速，t5代表持液率。每個(gè)事務(wù)再細(xì)分，即tk= {i1，i2，i3，…，in，…，ip}，其中im(m= 1，2，3，…，p)稱為項(xiàng)。i1代表具體的參數(shù)值。

設(shè)I= {i1，i2，i3，i4}是D中全體項(xiàng)的集合，I的任意子集X稱為D中的項(xiàng)集。如果項(xiàng)集中項(xiàng)的個(gè)數(shù)為k，稱為k項(xiàng)集。出現(xiàn)次數(shù)較多的項(xiàng)集則稱為頻繁項(xiàng)集。X、Y均為項(xiàng)集，X?I，Y?I，X∩Y=?，則蘊(yùn)含式X?Y表示一個(gè)關(guān)聯(lián)規(guī)則。X為關(guān)聯(lián)前提，Y為關(guān)聯(lián)規(guī)則的結(jié)果。

某數(shù)據(jù)項(xiàng)在事務(wù)中出現(xiàn)的頻度稱為支持度。Support(X)表示D中包含X的事務(wù)數(shù)與D的總事務(wù)數(shù)量的比值[18]：

(9)

關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的支持度等于項(xiàng)集X∪Y的支持度，如式(10)所示：

(10)

關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的置信度表示D中包含X的事務(wù)中同時(shí)包含Y的可信度，記作Confidence(X?Y)：

(11)

Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的2個(gè)主要步驟：(1)產(chǎn)生頻繁項(xiàng)集?；谥С侄鹊募糁夹g(shù)發(fā)現(xiàn)滿足支持度閾值的全部項(xiàng)集。(2)產(chǎn)生強(qiáng)規(guī)則。在生成頻繁項(xiàng)集之后，使用基于置信度的修剪技術(shù)提取滿足置信閾值的規(guī)則[19，20]。

Pearson相關(guān)系數(shù)與Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的主要流程如圖1所示。

3 基于Pearson相關(guān)系數(shù)的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析

10 - 2至三聯(lián)為高含硫伴生氣管道，全長6.268 km，公稱直徑323.0 mm，壁厚7.1 mm，材質(zhì)為L290MCS，于2011年開始投產(chǎn)。管道的里程 - 高程變化如圖2所示，全線高程變化在8 m左右。

10 - 2至三聯(lián)高含硫伴生氣管道的輸送介質(zhì)為氣液兩相流，氣質(zhì)組分如表1所示，H2S含量為4 567.19mg/m3(GB17820-2018中規(guī)定一類天然氣含量≤6 mg/m3)。

表1 10 - 2至三聯(lián)伴生氣管道天然氣組分含量(摩爾分?jǐn)?shù))

3.1 多相流模擬與分析

按照NACE SP0116-2016“Multiphase Flow Internal Corrosion Direct Assessment (MP - ICDA) Methodology for Pipelines”評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，管道節(jié)點(diǎn)劃分按照每段≤50 m為依據(jù)，將10 - 2至三聯(lián)伴生氣管道劃分為11 070個(gè)節(jié)點(diǎn)，管道進(jìn)口流量4.3×105m3/d，進(jìn)口壓力0.64 MPa，進(jìn)口溫度41 ℃，出口壓力0.17 MPa，出口溫度35 ℃。利用全動(dòng)態(tài)多相流模擬計(jì)算軟件對10 - 2至三聯(lián)伴生氣管道進(jìn)行模型的建立，分析管道沿線流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。模擬溫度和壓力符合實(shí)際情況時(shí)，分析流速、壁面剪切力、持液率沿程的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

從圖3a可知，管道壓力隨著里程的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且下降速率較為平穩(wěn)，符合實(shí)際情況。溫度隨著管道里程的增加也呈現(xiàn)下降的趨勢，下降速率逐漸降低，符合熱力學(xué)規(guī)律。圖3(e)揭示了沿線H2S分壓和CO2分壓的變化規(guī)律，與壓力的規(guī)律變化一致。

從圖3b可知，管道氣液的表觀流速整體隨著里程的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。由于管道起伏造成流速的波動(dòng)，管道的壁面剪切力也是同樣的規(guī)律(圖3c)。

由圖3d可知，管線持液率隨管線高程變化而起伏，當(dāng)流體處于管線低洼處時(shí)，液態(tài)水在此洼處聚集，因此管線持液率迅速升高，10 - 2至三聯(lián)伴生氣管道的持液率最高可達(dá)35%。在管線爬坡過程中，持液率基本保持不變；在管線下坡段，持液率迅速降低；在管線相對平緩的地方，管內(nèi)持液率沒有明顯的波動(dòng)。

3.2 Pearson相關(guān)系數(shù)分析

根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)分析得到，高含硫伴生氣管道中腐蝕速率與溫度、壓力、CO2分壓、H2S分壓、流速、壁面剪切力、持液率、管道傾角等因素的絕對值相關(guān)性排序?yàn)椋撼忠郝?0.732)>溫度(0.696)>壓力(0.677)=CO2分壓(0.677)=H2S分壓(0.677)>氣體流速(0.618)=氣體壁面剪切力(0.618)>管道傾角(0.577)>液體壁面剪切力(0.341)>液體流速(0.027)。根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)的定義，確定液體壁面剪切力和液體流速為弱相關(guān)；壓力與CO2分壓、H2S分壓的關(guān)聯(lián)度相等；氣體流速與氣體壁面剪切力的關(guān)聯(lián)度相等。因此進(jìn)行Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則分析時(shí)，不考慮液體壁面剪切力和液體流速的影響；考慮H2S分壓和氣體流速對腐蝕速率的影響。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合OLGA計(jì)算得到的多相流參數(shù)，原始數(shù)據(jù)共11 070項(xiàng)。數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到影響腐蝕的主要因素共5個(gè)，如表2所示。為方便計(jì)算、表達(dá)和存儲，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類編碼，各腐蝕影響因素的分類及編碼見表2。

表2 腐蝕影響因素的編碼

(續(xù)表2)

編碼后的數(shù)據(jù)存儲形式如表3所示。表格中的1行就是1條記錄，1個(gè)事務(wù)。用這樣的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。

表3 挖掘過程中的數(shù)據(jù)形式

3.4 Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法分析

以10 - 2至三聯(lián)高含硫伴生氣管道的介質(zhì)數(shù)據(jù)、流動(dòng)數(shù)據(jù)和腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，挖掘出的部分腐蝕分布規(guī)律如表4所示。

從表4得到的挖掘信息，可以發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕速率>0.38 mm/a的情況較多，可以從表4中得出以下結(jié)論：

表4 基于Apriori挖掘的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則

(1)H2S分壓在0.05～0.06 MPa，溫度在36～40 ℃，氣體流速在0～8 m/s，持液率在10%～30%，管道傾角<-50°時(shí)，腐蝕速率vcorr>0.38 mm/a；

(2)H2S分壓在0.05～0.06 MPa，溫度在36～40 ℃，氣體流速在5～8 m/s，持液率在>31%，管道傾角在-50～0°時(shí)，腐蝕速率vcorr>0.38 mm/a；

(3)H2S分壓在0～0.03 MPa，溫度在30～35 ℃，氣體流速9～11 m/s，持液率在10%～20%，管道傾角<-50°時(shí)，腐蝕速率vcorr為0.21～0.38 mm/a；

(4)H2S分壓在0.03～0.05 MPa，溫度在36～40 ℃，氣體流速在9～11 m/s，持液率在21%～30%，管道傾角<-50°時(shí)，腐蝕速率為0.21～0.38 mm/a。

3.5 關(guān)聯(lián)規(guī)則驗(yàn)證分析

根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)與Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法得到的規(guī)則，采用高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)的分析結(jié)果，考慮H2S分壓、溫度和氣體流速對腐蝕速率的影響，驗(yàn)證的關(guān)聯(lián)規(guī)則分布是：(1)H2S分壓在0.05～0.06 MPa，溫度在36～40 ℃，氣體流速在5～8 m/s時(shí)，腐蝕速率vcorr>0.38 mm/a；(2)H2S分壓在<0.03 MPa，溫度在30～35 ℃，氣體流速>9 m/s時(shí)，腐蝕速率為0.21～0.38 mm/a。高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜的試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方法參考SY/5273-2014，詳細(xì)試驗(yàn)步驟如下：

(1)試樣用400，600，800，1 000號砂紙逐級打磨；

(2)試樣采用石油醚和無水乙醇清洗；

(3)將試樣用冷風(fēng)吹干后，用濾紙包好放入干燥器中，24 h后稱量腐蝕前試樣的質(zhì)量m1，精確到0.1 mg，再用游標(biāo)卡尺測量試樣尺寸，精確到0.01 mm，計(jì)算出腐蝕試樣的表面積S；

(4)配置4 L模擬水，并用N2除氧4 h，倒入反應(yīng)釜內(nèi)；

(5)將試樣懸掛放入反應(yīng)釜內(nèi)，通N2約2 h除去釜內(nèi)空氣；

(6)根據(jù)試驗(yàn)的工況條件進(jìn)行試驗(yàn)；

(7)試驗(yàn)完成后，將試樣取出用去膜液超聲清洗，去膜液參考GB/T 16545-2015進(jìn)行配制，采用無水乙醇浸泡清洗10 min，同樣將試樣用冷風(fēng)吹干后，放入干燥器中，2 h后稱量試樣腐蝕后的質(zhì)量m2，精確至0.1 mg；

(8)根據(jù)公式(12)計(jì)算腐蝕速率。

(12)

式中：vcorr為試樣腐蝕速率，mm/a；m1為試樣腐蝕前質(zhì)量，g；m2為試樣腐蝕后質(zhì)量，g；t為試樣腐蝕反應(yīng)時(shí)間，h；ρ為試樣鋼材的密度，g/cm3；S為試樣的表面積，cm2。

高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜的試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)條件1的腐蝕速率0.529 3 mm/a>0.38 mm/a，試驗(yàn)條件2的腐蝕速率0.211 4 mm/a∈0.21～0.38 mm/a之間，與Pearson+Apriori分析方法得到的規(guī)則一致，說明了關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的正確性。

4 結(jié) 論

根據(jù)多相流瞬態(tài)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)和Apriori關(guān)聯(lián)挖掘算法分析了伴生氣管道腐蝕速率與介質(zhì)組分、流動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，結(jié)論如下：

(1)基于多相流瞬態(tài)模擬仿真軟件模擬結(jié)果，揭示了流動(dòng)參數(shù)溫度、壓力、流速、持液率沿程的規(guī)律。

(2)采用Pearson相關(guān)系數(shù)和Apriori關(guān)聯(lián)挖掘相結(jié)合的算法，確定了流動(dòng)參數(shù)對腐蝕的影響程度分布：持液率(0.732)>溫度(0.696)>壓力(0.677)=CO2分壓(0.677)=H2S分壓(0.677)>氣體流速(0.618)=氣體壁面剪切力(0.618)>管道傾角(0.577)；管道腐蝕速率與H2S分壓、溫度、持液率、流速、管道傾角之間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則。

(3)采用高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜驗(yàn)證了腐蝕速率與介質(zhì)組分、流動(dòng)參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的正確性。