王俊奇， 孙彦虎,2， 张振杰

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065； 2.中国石油长庆油田分公司第四采油厂，陕西榆林 718500)



基于灰色关联分析的油田注水管线腐蚀影响因素

王俊奇1， 孙彦虎1,2， 张振杰1

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065； 2.中国石油长庆油田分公司第四采油厂，陕西榆林 718500)

基于长庆油田A区块注水管线的腐蚀现状，实验室内模拟注入水与管线接触腐蚀，采用挂片失重法，在不同影响因素的实验条件下，改变注入水的流速、温度、压力等条件进行油田注水管线腐蚀速率研究，然后利用灰色关联分析的方法，以油田注水管线腐蚀速率作为参考序列，把各个影响因素作为比较序列，获得各影响因素的关联系数，进而得出其关联度，根据关联度计算所得结果按照大小值依次进行排序，结合实验结果与理论计算，确定A区块注水管线腐蚀速率的主要影响因素。为油田同类区块注水管线防腐治理提供了参考依据。

灰色理论； 关联度； 注水管线； 腐蚀； 影响因素

注水管线的腐蚀问题已成为困扰油田生产的一个重要因素[1-3]。由于受诸多因素及其交互作用的影响，注水管线的腐蚀问题是油气田安全生产及经济运营的重大隐患，影响着油田的正常生产和经济效益的提高[4-6]。同时，管线腐蚀产生的各种各样的废水、废渣以及许多有害物质排放到土壤或者大气中，危害人们的身体健康，破坏生态平衡。注水管线腐蚀所引起的环境污染问题日益为人们所重视，因此，油田注水管线腐蚀影响因素研究具有十分重要的意义[7-9]。

目前，长庆油田A区块共有注水管线合计长度251 km。其中，服役时间小于5年的管线有79 km，5年以上的有172 km，年均因腐蚀而更换的各类注水管线30 km，直接经济损失约500万元，因注水管线腐蚀破漏而引发的安全环保等次生影响问题尤为严重。A区块注水管线的腐蚀情况复杂，而且腐蚀日益加剧，已成为油田水质控制中必须高度重视的问题。图1为A区块部分注水管线因腐蚀形成点蚀、坑蚀和穿孔的实物图。管线腐蚀问题尤为严重。同时，注水管线腐蚀的各因素之间并非线性关系，常规的实验方法不仅费时费力，也受到实验条件限制。本文引入灰色关联分析[10-11]，对各影响因素进行了腐蚀程度的排序，客观合理地评价了注水管线的主要腐蚀因素，为注水管线采取有效措施，提前更换或补强等维护对策的实施提供科学依据。

1 实验步骤

为了研究长庆油田A区块注水管线腐蚀因素，先在管线沿程依次取点采集水样，对采集到的水样进行水质分析，并室内模拟注水成分，配制不同的水样，并选择与注水管线材质、厚度、密度相同的20#碳钢挂片进行试验研究，挂片材质成分如表1所示。

图1 长庆油田A区块现场管线腐蚀实物图

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

表1 20#碳钢化学成分

实验室内模拟A区块注入水成分，配制不同的水样，添加或改变某个因素含量的研究方式，例如当各种离子浓度、溶解气体含量、矿化度、温度、流速和压力为一定量不变时，分别改变pH，使其在一个范围内变化，从而得到不同pH下的管线的平均腐蚀速率，再根据结果绘制曲线，便可直观地看出pH对腐蚀速率的影响。实验操作如下：

(1) 将20#挂片依次用从粗到细金相砂纸打磨至镜面，用游标尺测量挂片的尺寸为3.5 mm×25 mm×50 mm，总面积30.25 cm2，依次记录；

(2) 用无水乙醇擦洗钢片，吹干，放入干燥器干燥，用万分之一的电子天平称量至恒重(精确到0.000 1 g)，依次记录mgf；

(3) 在要求的实验条件下，将挂片悬吊于腐蚀介质中，腐蚀一段时间；

(4) 腐蚀实验结束后，取出挂片用自来水冲洗，再放入除锈剂中浸泡3～5 min，然后用丝刷沾少许去污粉刷洗至挂片表面光洁如初；

(5) 用布擦干，再用含无水乙醇的棉球擦拭，吹干挂片，放入干燥的称量仪中称重，依次记录mhf；

(6) 根据实验过程中记录的mgf和mhf，算出每组挂片的绝对腐蚀失重值，再按下式求出每组挂片的腐蚀速率；

(1)

式中：F为平均腐蚀速率，mm/a；mgf、mhf为试验前、后试片质量，g；S为试片表面积，cm2；tf为挂片时间，d；ρ为试片材质密度，g/cm3。

根据上述实验原理及步骤，分析A区块注水沿程采集到的水样A、B、C，水质分析结果见表2。

表2 A区块注水沿程水质分析结果

2 实验过程及分析

实验所用金属挂片面积30.25 cm2，厚度3.5 mm，密度7.85 g/cm3，实验时长30 d。由58组腐蚀实验前后的挂片可知，挂片表面均有腐蚀产生，以均匀腐蚀为主，兼有点蚀、坑腐蚀等局部腐蚀。

2.1 实验过程

实验过程分为5个部分：(1)配置水样。测定现场注水管线中注入水的成分，按比例模拟配置水样；(2)挂片准备。对选取的实验挂片进行打磨、清洗、初始称重；(3)水浴实验。按照水浴实验规范，悬挂挂片，使挂片完全浸入水样中；(4)高温实验。将水浴试验完毕的挂片放入电热恒温鼓风干燥箱中进行高温处理；(5)酸洗挂片。高温实验结束后，将挂片分别置于酸洗剂和无水乙醇中进行处理。实验前后挂片的对比如图2所示。

图2 挂片腐蚀前后实验结果对比

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

2.2 实验分析

采用日本电子株式会社生产的JSM-6390型扫描电子显微镜，对部分实验挂片进行了微观形貌分析(SEM)并进行了成分测定，结果如图3-5所示。

图3 新挂片表面电镜扫描

Fig.3 SEM result of the new coupon surface

图4 腐蚀挂片表面SEM图谱和产物检测(1)

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

图5 腐蚀挂片表面SEM图谱和产物检测(2)

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

通过对实验部分挂片进行了微观形貌检测(SEM)、成分测定，可以初步推断以下结果：

(1) 在对腐蚀产物作能谱分析时，发现挂片表面主要含有C、O、Fe、S等4种主要元素，也存在Si、Ca等其他元素。

(2) 挂片表面有均匀腐蚀、坑蚀及点蚀，分布不均匀。以均匀腐蚀为主，腐蚀现象比较严重。

3 实验结果的灰色关联分析

3.1 确定数据序列

3.2 数据的无量纲化

每个影响因素的量纲不同，要同时进行影响程度的分析，就要对所有数据进行无量纲化处理。本文用均值法进行无量纲化。

表3 10个主要因素实验数据表

3.3 计算关联系数

关联系数是比较曲线序列与参考序列的相对差值，根据文献[10]计算参考序列与比较序列的关联系数，即确定各影响因素与腐蚀速率的关联系数。

如用关联系数ζl(k)来分析各因素影响程度，会由于数据太多而导致信息分散度大，不便于结果的比较。因此，通过关联系数ζl(k)的算术平均值作为关联度来进行分析衡量，将会更便于结果的对比。

关联度的计算公式为：

(2)

式中：ζ为关联系数，ζ∈(0,1)；r为关联度；k为参考序列上选取得的点；l为曲线序列上对应参考序列的点；i为影响因素的序号。

关联度ri构成的序列，能够体现各因素对腐蚀速率的影响程度大小，变化范围在0～1。一般地，关联度ri>0.6，则认为该因素对结果影响较大。通过关联度值的比较，可以对A区块注水管线腐蚀速率的10个影响因素进行顺序排列，以便找出主要的影响因素。

通过灰色关联法，分析实验中得出的10种因素对A区块注水管线腐蚀速率的影响程度，并对各因素的影响程度进行降序排列。

以pH为例，进行关联度计算，

(1) 根据无量纲化公式

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]

根据母因素无量纲化公式

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) 绝对值计算

|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) 关联系数计算

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) 根据关联度公式

得到pH关联度ri=0.637 0

同理可计算其余各因素与腐蚀速率的关联度值，并按从大到小排列，结果见表4。

表4 10个影响因素关联度排列表

续表4

4 结论

(2) 通过室内进行了58组挂片实验研究，获得了实验前后的腐蚀产状。该方法具有一定的普遍性，可以用于分析其它区块及其它油田的注水管线腐蚀因素，以便采取相应的措施维护注水管线的正常运行。

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(编辑 王亚新)

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

国家自然科学基金项目(51374170)。

王俊奇(1966-)，男，博士，教授，从事油气田开发研究；E-mail:wjq_xasy@163.com。

TE38

A

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