地下储气库注采井临界冲蚀流量优化计算方法

2019-04-08张建军

天然气工业 2019年11期

王云张建军

中国石油勘探开发研究院

0 引言

注采井必须具备“强注强采”的能力，才能保证地下储气库具有较高的调峰能力，从而为冬季天然气安全保供提供保障[1-4]。注采井采气能力由储层供应能力和管柱通过能力共同决定，两者的较小值即为最大采气能力。临界冲蚀流量是管柱通过能力的上限，在注采运行阶段注采气量不能超过临界冲蚀流量，否则，注采管柱将发生冲蚀失效[5-7]。临界冲蚀流量是临界冲蚀流速与管柱内横截面积的乘积。临界冲蚀流速与管柱材质、流体组分（CO2含量、H2S含量）、温度、压力、含水率、砂粒（浓度、粒度、粒径）等有关。根据API RP 14E标准《海上生产平台管道系统的设计和安装》[8]，临界冲蚀流速仅与流体密度、临界冲蚀系数（C）有关，并且C值为100～250。在国内，储气库注采管柱C的取值通常介于100～150[9]，有学者认为该取值偏保守，未能有效发挥注采管柱的注采能力，但盲目参照国外经验增大C值进而提高临界冲蚀流量也存在着很大的风险，亟需开展针对性的研究。

为此，笔者基于腐蚀速率首次提出了临界冲蚀速率的概念；综合考虑影响管柱冲蚀的温度、压力、气体组分、含水率、含砂量以及管柱材质等因素，同时引入壁面剪切应力，开展真实注采工况下的室内等效模拟实验，进而求得实验工况下的C值；在此基础上，建立了现场常用的N80、SM80S和S13Cr等3种材质管柱的C取值图版，并将图版软件化；所取得的研究成果在现场进行了应用实践。

1 实验原理与方法

由于呼图壁、苏桥、相国寺等地下储气库注采工况复杂，温度最高达156 ℃、压力最高达47 MPa、CO2分压最高达0.97 MPa，现有实验设备无法真实模拟冲蚀工况，而理论研究又需要现场或室内实验数据来验证，给注采管柱冲蚀研究带来了极大挑战。由于冲蚀的本质是流体对管柱内壁的冲刷，采用壁面剪切应力可以在现有实验设备条件下，等效模拟各冲蚀因素，得到可靠的实验结果。

本次实验采用高温高压湿气环路，环路总长为12 m，内径为50 mm，材质为316L不锈钢；实验样品采用N80、SM80S和S13Cr等3种材质，呈圆环状薄片，样品外径为16.10 mm、内径为6.15 mm、厚度为3 mm，嵌在环路管壁上，一侧与环路内壁贴合，环路中流体冲蚀样品表面以模拟注采流体对管柱的冲蚀；实验所用液相组分与现场相同。

实验开始前，先对样品进行打磨、清洗、干燥和称重；实验开始后，向环路中注入CO2＋N2并达到设计压力，同时采用电加热配合保温层来调节环路温度；通过风机来控制气相流速，配合使用注液泵和流量计来控制液相流速以模拟现场冲蚀工况；实验结束后，采用失重法计算样品的冲蚀速率。

2 临界冲蚀速率

目前，国内外冲蚀研究多采用失重速率来评价冲蚀，而无统一的标准。失重速率多用于对比不同工况下样品的冲蚀程度，或相同工况下不同位置样品的冲蚀程度；仅有相对概念，无法评价样品的冲蚀程度是否满足现场要求，是否可进一步提高或降低，对现场注采管柱注采能力的设计指导作用有限[10-16]。

CO2腐蚀和流体冲蚀的结果都是样品失重（管柱壁厚减薄），腐蚀是化学作用，冲蚀是物理作用。油气田生产现场采用腐蚀速率来评价腐蚀是否满足要求，采气工程方案设计要求腐蚀速率不超过0.076 mm/a。相关行业标准规定，采用防腐材质油管或者添加缓蚀剂后，如果管柱腐蚀速率不超过0.076 mm/a，管柱的腐蚀就在可接受的范围内，该防腐工艺则满足需求。借鉴腐蚀速率提出了冲蚀速率的概念，设置0.076 mm/a为临界冲蚀速率，对应流速为临界冲蚀流速，进而可计算得到管柱的临界冲蚀流量。注采管柱若以低于0.076 mm/a对应的临界冲蚀流量进行生产，则不会发生冲蚀失效。临界冲蚀速率的提出，为管柱冲蚀实验和理论研究提出了定量、统一的评价标准，理论上可以得出任意工况下的临界冲蚀流速。

3 冲蚀速率影响因素分析

综合考虑各影响因素，开展多组冲蚀实验，基于实验结果分析各因素对冲蚀的影响。

3.1 温度

随着温度升高，不同材质（N80、SM80S和S13Cr）管柱的冲蚀速率均先升后降，温度介于60～80 ℃时冲蚀速率最高，冲蚀最严重。由于实验介质中含有CO2，样品失重由腐蚀和冲蚀共同影响；60～80 ℃为N80、SM80S腐蚀敏感温度区间，样品腐蚀相对严重，流体冲刷后更易导致腐蚀产物膜脱落，裸露出未发生腐蚀的样品。实验工况下，S13Cr的耐冲蚀性能较好，样品冲蚀速率小于0.076 mm/a。

3.2 CO2分压

随着CO2分压升高，N80和SM80S样品冲蚀速率明显增高，且在敏感温度区间会出现明显的局部腐蚀；N80和SM80S样品的耐冲蚀性能随着CO2分压升高而降低，0.210 MPa是一个临界点；当CO2分压高于0.210 MPa，冲蚀速率明显升高。S13Cr样品的耐冲蚀性能较好，对于CO2分压不敏感，在实验工况下冲蚀速率小于0.076 mm/a。

3.3 含水率

含水率指标况下冲蚀流体中，液相和气相的体积比，表征现场工况下产出流体的水气比。含水率越高，表明产出流体的水气比越高。随着含水率升高，N80和SM80S样品冲蚀速率显著提高，样品表面的冲蚀痕迹也越来越明显，说明N80和SM80S的耐冲蚀性能随着含水率升高而降低；当含水率低于0.0002‰时，SM80S样品的冲蚀速率低于0.076 mm/a；当含水率高于0.000 2‰时，需要考虑CO2分压的影响；CO2分压低于0.021 MPa时，N80和SM80S样品的冲蚀速率低于0.076 mm/a，CO2分压高于0.210 MPa时，N80和SM80S样品的冲蚀速率均高于0.076 mm/a，需要结合具体工况开展针对性的冲蚀实验。S13Cr的耐冲蚀性能较好，冲蚀速率小于0.076 mm/a。

3.4 含砂量

随着含砂量增加，样品冲蚀速率大幅增加。在此次所开展的实验工况条件下，N80和SM80S样品的冲蚀速率均大于0.253 mm/a，明显超过了临界冲蚀流速（0.076 mm/a），不满足冲蚀要求，应开展针对性实验以评价现场冲蚀工况下样品是否发生冲蚀。S13Cr样品表面因冲蚀产生的痕迹也随着含砂量的升高而有所增加（图1）；当含砂量为250 mg/L时，冲蚀速率为0.067 mm/a，略低于临界冲蚀速率（图2），可将250 mg/L设置为临界含砂量。当含砂量高于250 mg/L后，应开展针对性实验，评价现场冲蚀工况下样品是否发生冲蚀。

3.5 壁面剪切应力

壁面剪切应力综合考虑了流体流速与密度、压力、温度等各个因素对于管道冲蚀性能的影响。

图1 S13Cr样品冲蚀形貌随含砂量变化的照片

图2 不同含砂量条件下S13Cr样品冲蚀速率柱状图

壁面剪切应力的计算式为：

式中τ表示壁面剪切应力，Pa；fD表示达西摩擦系数，无量纲；ρ表示流体密度，kg/m3；v表示流体流速，m/s；ε表示材质表面粗糙度，无量纲；D表示管径，mm；Re表示雷诺数，无量纲。

图3 不同材质样品冲蚀速率随壁面剪切应力变化曲线图

如图3所示，当壁面剪切应力小于69.9 Pa时，N80和SM80S样品的冲蚀速率在一定范围内波动；当壁面剪切应力高于69.9 Pa后，冲蚀速率急剧上升。可以认为，69.9 Pa是临界壁面剪切应力；当壁面剪切应力高于69.9 Pa时，该参数为影响冲蚀速率的主控因素，样品耐冲蚀性能将随壁面剪切应力增大而大幅下降；当壁面剪切应力低于69.9 Pa时，其余参数对冲蚀的影响较大。为方便起见，取70.0 Pa为临界壁面剪切应力。

4 临界冲蚀系数的确定

室内实验模拟的注采工况参数包括管柱材质、流体组分、温度、压力、含水率及含砂量。根据业内主流的临界冲蚀流速计算方法，如式（2）所示，可知临界冲蚀流速仅与流体密度（ρm）和临界冲蚀系数（C）有关。

临界冲蚀流速计算式为：

式中ve表示临界冲蚀流速，m/s；C表示临界冲蚀系数，[kg/（s2·m）]0.5；ρm表示工况压力、温度条件下的流体密度（气液两相混合密度），kg/m3。

流体密度较易计算，如果能确定任意工况下C值，即可得到该工况下的临界冲蚀流速，如何将注采工况与C值建立对应关系是关键。采用壁面剪切应力可模拟现场任意冲蚀工况，将实验工况下样品的冲蚀速率与0.076 mm/a进行对比，若高于0.076 mm/a则判定发生了冲蚀。取冲蚀速率为0.076 mm/a左右的实验工况对应的实验流速为临界冲蚀流速，并计算对应工况下流体的密度，将其代入式（2）则可计算得到该工况对应的C值。

5 临界冲蚀系数取值图版构建

基于前述分析，认为导致注采管柱发生冲蚀的主要因素包括含砂量、含水率、CO2分压以及壁面剪切应力。通过实验测得的冲蚀流速转化得到实验工况对应的C值，考虑安全系数，分别建立现场常用的N80、SM80S和S13Cr等3种材质管柱的C取值图版。

1）流体含砂工况。对于N80、SM80S材质管柱，如果流体含液，则应进行对应工况的冲蚀评价实验，实验结果应无局部腐蚀，且全面冲蚀速率小于0.076 mm/a，如果流体不含液，则当含砂量小于等于250 mg/L时，C等于100。对于S13Cr材质管柱，当含砂量小于等于250 mg/L时，C等于100，当含砂量大于250 mg/L时，应进行冲蚀评价实验，实验结果应无点蚀，且全面冲蚀速率小于0.076 mm/a。

2）纯气相工况。对于N80、SM80S和S13Cr材质管柱，C等于275。

3）气液两相工况。对于S13Cr材质管柱，C等于180。对于N80、SM80S材质管柱，当不含腐蚀性气体时，C等于180；如果存在腐蚀性气体，则需要计算壁面剪切应力，当壁面剪切应力大于等于70.0 Pa时，应考虑进行针对性的冲蚀评价实验，如果壁面剪切应力小于70.0 Pa，当含水率小于0.000 2‰时，则C等于120，当含水率大于等于0.000 2‰时，则需要进一步判断CO2分压；当CO2分压小于0.021 MPa时，C等于120；当CO2分压大于0.210 MPa时，应考虑进行针对性的冲蚀实验评价，当CO2分压介于0.021～0.210 MPa时，C等于100。

为使展示更直观，形成了C取值图版（图4）。图版应用流程如下：①根据现场注采管柱的材质选择相应的C取值图版；②收集现场注采工况，包括注采气量、温度、压力、产水量、气体组分、出砂情况等，确定CO2分压、含水率、含砂量及对应工况下的壁面剪切应力；③参照图版确定C值。以S13Cr临界冲蚀系数C取值图版为例，如果流体为纯气相，则其工况范围处于含水率为零和含砂量为零的位置，C取值为275；如果现场为含液、不含砂的工况，则其工况范围落在含水率坐标轴和壁面剪切应力坐标轴组成的平面上，C取值为180。对于N80和SM80S管柱则需要进一步考虑CO2分压和含水率的影响。另外，又将C取值图版软件化，输入注采工况参数，即可得出临界冲蚀流速和临界冲蚀流量，便于相关技术人员使用。

6 现场应用

呼图壁储气库注采井管柱材质为S13Cr，采出气体中CO2体积分数为1.89%，含水率为0.001 0‰，不出砂。在设计注采方案时，参照API RP 14E标准，将临界冲蚀系数（C）取值为120，而采用前述软件，得到C等于180，增幅超过50%。通过开展室内冲蚀实验，如表1、图5所示，在含水率为0.001 0‰的工况下，该储气库S13Cr管柱样品均未出现冲蚀痕迹，且冲蚀速率极低，无点蚀，验证了图版的可靠性。

目前，该储气库有注采井21口，采用外径为88.9 mm油管，运行压力介于7～24 MPa；如果临界冲蚀流量增幅超过50%，在设置井口压力为15 MPa的前提下，平均单井日采气量可增加61×104m3，从而使储气库的调峰能力得到大幅提升。