长宁页岩气区块集输站场风险评价技术研究

王勇 郑鹤

1.中国石油西南油气田公司集输工程技术研究所 2.中国石油西南油气田公司天然气研究院

长宁页岩气区块是中国石油西南油气田公司于2007年提出的勘探开发有利区块，2009年开始联合威远区块建立长宁-威远页岩气产业化示范区[1-3]。截至2017年初，已经建成10×108m3/a的配套产能，具备了310×104m3/d的产量规模，其安全、高效生产是我国天然气产能的重要保障[4]。

目前，长宁页岩气区块内普遍采取适度出砂开采技术，以防止储层堵塞，从而形成良好的近井地带开采环境。但是，采出气中携带的砂粒对平台设备、弯头等产生了较为显著的冲蚀损伤。同时，页岩气气井压力伴随着开采时间的延长而迅速衰减，导致砂含量、水含量、站场压力等参数剧烈变化，从而使得集输系统的腐蚀速率不断变化。另一方面，长宁页岩气集输站场普遍采用撬装化设备，以适应产量衰减后的滚动开发，增加设备的利用率、减少投资。然而撬装设备的结构紧凑，设备密度大，同时平台井站的生产撬装、增压撬装常随着滚动开发的进行而搬迁，增加了设备的损伤风险。因此，如何通过合理的风险评价方法，准确地评估设备风险，保证集输站场的无事故连续运营就成为长宁页岩气区块亟待解决的问题。

以基于风险的检验(RBI)评价技术为核心的站场设备风险评价方法，已经成为油气站场静设备的主要风险评价标准[5-9]。本研究针对页岩气集输站场参数波动造成的腐蚀速率不断变化的问题，基于三次样条插值法动态地预测页岩气集输设备的腐蚀速率[10-11]，建立页岩气集输站场静设备腐蚀速率预测模型，以修正RBI技术中默认腐蚀速率为常数的算法；针对撬装设备结构密集易引发多米诺效应事故的问题[12-14]，基于传统的多米诺后果计算方法并结合撬装设备的特点加以改进，建立撬装设备多米诺后果计算模型。结合传统的RBI技术与建立的修正模型共同构建页岩气集输站场静设备的风险评价技术。

1 RBI技术的改进

针对页岩气集输站场静设备的特点，对RBI技术减薄损伤的腐蚀速率与传统的多米诺效应后果分别进行改进，以实现对静设备科学、准确的评价。

1.1 三次样条插值法腐蚀速率预测模型

根据页岩气气质特点，页岩气集输站场静设备失效主要考虑的是腐蚀减薄的影响。通常对于腐蚀速率的预测，可通过对页岩气集输站场设备或管道进行现场挂片实验，或根据检验结果，得到一定时间的腐蚀速率，然后采用最小二乘法进行曲线拟合[15-17]，从而可对未来腐蚀速率进行预测。在区块开发时，即对长宁页岩气H19区块的生产管道进行腐蚀速率挂片实验，结果见表1。由表1可见，第7年、第8年腐蚀速率有所增加，腐蚀数据突然增加与当年的测量环境有关系，原因可能是上游新井投产导致气质条件发生变化或者存在细菌腐蚀导致腐蚀速率增加。由于腐蚀机理不是本研究的重点，直接引用实测腐蚀速率进行拟合预测。采用最小二乘法对腐蚀速率进行多项式拟合，利用三次多项式拟合，得到腐蚀速率预测结果(见图1)。

表1 腐蚀速率

这种方法的优点是操作简单、可用性强。缺点是在实际生产过程中，温度、流速、压力等影响腐蚀速率的因素都会发生变化，因此难以得到准确的函数关系，用已有监测数据拟合得到的曲线无法准确地反映未来腐蚀速率的变化。

为适应页岩气集输系统腐蚀速率不断变化的特点，利用三次样条插值法预测腐蚀速率代替RBI技术中默认腐蚀速率为常数的算法。

样条插值是使用一种名为样条的特殊分段多项式进行插值的形式。由于样条插值可以使用低阶多项式样条实现较小的插值误差，这样就避免了使用高阶多项式所出现的龙格现象，所以样条插值得到了流行。由于页岩气地面集输站场设备的腐蚀数据量有限，多元回归分析和神经网络分析不现实。同时，简单的初等函数拟合难以反应真实的腐蚀速率变化趋势，因此，在缺乏在线监测数据的情况下，三次样条曲线可以较精确地预测设备短期的腐蚀速率。

一般而言，对于n+1个给定点的数据集{xi}，采用n段三次多项式在数据点之间构建一个三次样条。如果用S(xi)(i取0～i-1)表示对函数f(x)的样条插值函数[18]，则需要满足：

(1)插值特性：

S(xi)=f(xi)

(1)

(2)样条相互连接：

Si-1(xi)=Si(xi),i=1,…,n-1

(2)

(3)两次连续可导：

(3)

由于每个三次多项式需要4个条件才能确定曲线形状，所以对于组成S的n个三次多项式，就意味着需要4n个条件才能确定这些多项式。这样，n个区间可以找出n-1对导数相等条件。至此，可以找出2n+2(n-1)=4n-2个条件。另外两个条件，可以根据不同的因素使用不同的条件。由于三次样条曲线推导过程较为复杂，因此借助Matlab软件内置的三次样条函数Spline函数进行计算。对表1的腐蚀速率进行拟合，三次样条曲线的腐蚀速率拟合结果见图2。

图2中采用三次样条曲线得到的腐蚀速率预测与图1相比更接近于实测值，在计算静设备失效概率的过程中，采用样条曲线预测的腐蚀速率计算设备损伤因子，提高了腐蚀速率计算的准确性。

1.2 撬装设备附加多米诺效应失效后果计算模型

传统的多米诺效应失效后果的计算方法为初始设备失效后果与多米诺效应后果的和，其计算公式如式(4)所示。

(4)

式中：F为多米诺效应失效后果；Fp为初始事件的失效后果；Pd,i为由初始事件引起第i个设备发生失效的概率；Fd,i为第i个事件的失效后果。

对于储罐等独立静设备而言，将后果进行相加是可行的，但是撬装设备结构紧密，因此两个临近设备的后果值按式(4)计算会出现高估，示意图如图3所示。

如图3所示，撬装设备初始事件的后果和多米诺后果出现了一部分重叠，因此必须对传统的多米诺效应后果计算方法进行改进。假设发生多米诺效应事故时，撬装设备各个组件之间相互联通且泄漏过程不受干扰，认为整个撬的流体介质全部发生泄漏，则在计算失效后果时认为潜在最大介质泄漏量等于整个撬装单元的介质存储量，计算公式如式(5)所示。撬装设备的后果简化为图4，对于结构紧凑的撬装设备可以更为精准地预测其后果。

Mavail,n=Minv

(5)

式中：Mavail,n为潜在的最大介质泄漏量；Minv为全部部件的介质存储量。

2 实例应用

2.1 集气站概况

长宁页岩气区块某集气站为新建集气站，累计工作年限为3年。主要作用是对周边单井来气进行汇集、分离，之后通过集气干线输往某中心站，预留有后期增压接口。站内设有清管收发球装置、卧式重力分离器等设备。整体的工艺流程如图5所示。

在已有的现场资料分析中，获取现场的主要静设备包括管束整流器、汇气管、卧式重力分离器共计3个。输气管道按照管径与安装年份划分为5种，包括联结到发球筒的管-1(DN273.1)、联结到收球筒-2的管-2(DN219.1)、接收2平台来气的管-3(DN168.3)、接收1平台来气的管-4(DN114.3)、联结到收球筒-3的管-3(DN273.1)。污水管道按照不同的联结位置划分为3种，包括联结到分离器的污水管-1(DN88.9)、联结到收球筒-2的污水管-2(DN88.9)、联结到收球筒-3的污水管-3(DN88.9)。

2.2 集气站静设备风险评价

基于常规RBI技术的计算流程，结合上述建立的腐蚀速率预测模型与撬装设备附加多米诺效应失效后果计算模型对集气站进行风险评价。重点关注设备腐蚀速率与失效后果的变化值。

基于三次样条插值法腐蚀速率预测模型获得集输站场设备第4年的腐蚀速率之后，将其应用于RBI技术计算腐蚀减薄因子中，以计算设备修正系数。根据现场实际情况，在充分与现场管理人员交流，了解现场管理情况的条件下给管理系统评分表打分，对集气站进行打分为521分，计算得到站场管理因子为0.695。在API 581-2016《基于风险的检验》中[9]，获得设备的通用失效概率之后可计算设备的失效概率。

在RBI技术计算失效后果的过程中，在计算撬装设备潜在的最大介质泄漏量时[6]，基于建立的撬装设备附加多米诺效应失效后果计算模型假设，默认撬装设备潜在的最大介质泄漏量为整个撬装单元的介质存储量，然后确定泄漏类型、计算泄漏速率或泄漏量，最终计算设备的失效后果面积，计算结果见表2。

由表2可知，同类设备失效频率确定原则是基于其腐蚀速率，分离器排污管道失效概率较大，这是因为现场反应污水管道的细菌腐蚀较为严重，该失效概率中附加了细菌腐蚀造成的损伤，细菌失效概率与冲蚀造成的失效概率进行了叠加，使得现场的污水管道失效概率急剧增加，是符合现场的生产规律的。采用三次样条曲线腐蚀速率预测模型较常规腐蚀速率增大1.25～1.48倍。采用撬装设备附加多米诺效应失效后果计算模型对失效后果进行修正，面积风险最大增加30.18%。

表2 集气站静设备计算结果汇总

3 结论

本研究采用三次样条曲线腐蚀速率预测模型对传统RBI技术的失效概率进行修正，同时建立了撬装设备附加多米诺效应失效后果计算模型，对失效后果进行修正。计算结果表明，建立的腐蚀速率预测模型较常规腐蚀速率增大1.25～1.48倍，面积风险最大增加30.18%，说明了模型的有益性。相比于传统的RBI技术，本研究建立的新模型在评价页岩气集输站场撬装静设备时更为精确，更加适应页岩气集输站场的工作特点，为页岩气集输站场静设备风险计算提供了理论依据。