基于AHP的井下管柱腐蝕風險評估方法研究

張啟龍 張曉誠 韓耀圖 李進 陳彬

摘? ? ? 要：采用層次分析法（AHP）研究了含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素對井下油套管腐蝕破壞的影響權重，并以此為基礎形成了一套生產井腐蝕可能性的快速排序法。通過計算得到含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量對井下管柱腐蝕影響的權重為0.28、0.18、0.45、0.09。利用腐蝕可能性的快速排序法，評估了3個腐蝕環境的腐蝕風險大小，與室內實驗結果一致。研究結果可用于腐蝕環境的快速評價，為有效預防井下管柱發生腐蝕破壞有一定指導意義。

關? 鍵? 詞：井下管柱;腐蝕風險;權重;層次分析法;排序

中圖分類號：TE985? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2515-04

Study on Risk Assessment Method of

Downhole String Corrosion Based on AHP

ZHANG Qi-long1，2， ZHANG Xiao-cheng1，2， HAN Yao-tu1，2， LI Jin1，2， CHEN Bin1，2

（1. CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation， Tianjin 300459，China）

Abstract： The influence weight of water content， partial pressure of CO2， temperature and Cr content in metal on the corrosion damage of downhole string was studied by using analytic hierarchy process （AHP）. Based on this， a quick ranking method for corrosion possibility of production wells was formed. Through calculation， the weight of water content， CO2 partial pressure， temperature and metal Cr content on downhole string corrosion was as follows： 0.28， 0.18， 0.45， 0.09. The corrosion risk of three corrosive environments was evaluated by the quick ranking method of corrosion possibility， which was consistent with the results of laboratory experiments. The research results can be used for rapid evaluation of corrosion environment， and has certain guiding significance for effectively preventing corrosion damage of downhole string.

Key words：? Downhole string; Corrosion risk; Influence weight; Analytic hierarchy process（AHP）; Ranking method

油套管的腐蝕問題是渤海油田生產井在投產后期面臨的重要生產難題，常見的腐蝕類型有油套管接箍腐蝕、本體腐蝕和內扣腐蝕等，套管腐蝕易造成套管穿孔、層間互竄、井下完整性破壞等，而油管腐蝕易造成油管穿孔、密封失效，嚴重時甚至導致井下管柱的斷裂脫落等井下事故，造成重大經濟損失并威脅井口安全[1-5]。渤海油田的大多數的管柱腐蝕類型為酸性腐蝕，這是因為井下富含CO2等酸性氣體，CO2溶于地下水中形成H+和HCO3-等酸性離子，從而促使管柱發生電化學腐蝕[6-9]。為了抑制腐蝕，常在管柱材質中加入鉻元素（Cr），大量實驗證明Cr元素是最有效的抑制酸性物質的元素，這是因為Cr元素在金屬表面形成一層致密的氧化膜，隔絕管柱和流體，從而起到抑制腐蝕的作用[10-11]。但部分井雖然下入了含Cr金屬管柱，但在投產后期，受到含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素的綜合影響[9]，管柱仍然發生了腐蝕破壞。因此有必要探究各個因素對腐蝕速度的影響程度，綜合評估各井發生腐蝕破壞的可能性排序，提前對發生腐蝕概率大的井進行預防措施，防止其發生管柱的腐蝕破壞。

本文采用層次分析法（AHP）研究了含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等因素對井下油套管腐蝕破壞的影響權重，并以此為基礎形成了一套生產井腐蝕可能性的快速排序法，研究結果為有效預防井下管柱發生腐蝕破壞有一定指導意義。

1? 基于AHP的腐蝕因素權重計算

在進行生產井腐蝕可能性排序時，首先要評估各個因素的影響權重，常見的權重確定方法有灰色關聯法、正交試驗法、AHP法等，其中AHP法無須實驗結果，將復雜的多因素共同決策問題按照層次結構進行分解，以相對重要性比較為方法將復雜的權重計算簡單化，實現決策的定性和定量化，已經在經濟、能源、文化等多個領域取得成功應用經驗。通過建立多層次結構分析模型，計算不同影響因素對同一結果的影響權重，其基本步驟分為建立層次結構、構建比較矩陣、計算權重矩陣和一致性檢測等，具體步驟如下[12-17]。

1.1? 建立層次結構模型

首先選出對結果有影響的因素作為節點，根據因素和結果之間的層次關系，建立AHP模型的層次關系結構，低層為影響結果的因素層，高層為被因素共同決定的結果層，因素層可以由多層次結構組成，每一層次為不同因素的聚集組合，上層與下層的關系為包含關系。

根據層次結構的定義，建立了管柱腐蝕層次結構模型，如圖1。該模型由兩層構成，目標層為管柱的腐蝕情況，因素層包括含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量4個因素。

1.2? 構建比較矩陣

層次分析法采用兩兩比較的方法對指標進行賦值，常采用1～9對重要程度的相對關系賦值，不同值代表不同的含義[18]，如表1。根據建立的層次結構模型，含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量等4個因素分別設置為r1-r4，根據以往作業經驗，采用專家打分法對各因素之間的重要關系進行賦值，構建了比較矩陣R，如式（1），其中rij表示ri相對于rj的重要性。

。? ? ? ? ? （1）

1.3? 計算權重矩陣和一致性檢驗

由于比較矩陣為正定互反矩陣，因此其必定存在最大特征根λmax，且該值唯一，而其對應的向量即為特征向量W [19-21]。利用式（2）和（3）對其進行求解，其中n為因素的個數;再對特征向量W歸一化處理后就得到了各個因素的權重向量w。利用以上步驟，對式（1）進行求解，得到了權重向量w為（0.28、0.18、0.45、0.09）T，最大特征根λmax為4.04。

;（2）

。? ? ?（3）

由于比較矩陣賦值時有人為主觀性的影響，因此為了消除其誤差，計算完成后需對結果進行一致性檢驗，以證明結果的合理性[22-25]。一致性檢驗公式如式（4），其中，CR為一致性比率（當CR<0.1時，證明賦值結果較為合理，否則重新賦值）;n為因素的個數;RI為一次性指標（其取值與因素個數n直接相關，當n=4時，RI的值為0.9）。

因此將本模型中的取值（λmax=4.04，n=4，RI=0.9）帶入式（2），求得一致性比率CR=0.015<0.1，因此證明賦值較為合理，因此含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量4個因素對管柱腐蝕影響的權重為0.28、0.18、0.45、0.09。

。? ? ? ? ? ? （4）

2? 腐蝕可能性的快速排序法

得到各因素的影響權重后，通過建立綜合評價模型即可得到生產井管柱腐蝕可能性快速排序法，以評估各井腐蝕現象發生的可能性大小，從而對重點井進行提前預防。

2.1? 綜合評價模型

正進行綜合評價時第一步首先對各因素進行歸一化處理，消除單位的影響，構建因素矩陣Bm×n。由于各因素對結果的影響方向可能不同，根據其對結果的影響情況可以分為正相關因素和負相關因素。因素值越大，越對結果起促進作用的因素，稱為正相關因素，此時其歸一化公式如式（5）;因素值越大，越對結果起抑制作用的因素，稱為負相關因素，此時其歸一化公式如式（6）。其中，bij為第i口井的第j個因素值; 和 分別為所有井中第j個因素的最大值和最小值。根據其定義，腐蝕因素中的含水率、CO2分壓、溫度屬于正相關因素，采用式（5）計算，金屬含Cr量屬于負相關因素，采用式（6）計算。

;? ? ? ? ?（5）

）。? ? ? ? （6）

構建完因素矩陣，將其與權重向量相乘，如式（7），就得到各個方案的綜合指標向量Qm，根據值的大小就可以進行各個方案的排序。本例中，將構建的腐蝕因素矩陣Bm×4與權重向量w相乘，得到各井或各腐蝕環境的腐蝕綜合指標向量Qm，其中m為待評價井數，綜合指標較大的井對應的腐蝕風險也較高。

。（7）

2.2? 應用實例

建立完綜合評價模型后，利用該模型對渤海油田A1、A2和A3三個腐蝕環境的腐蝕風險進行評估，并利用室內實驗對計算結果進行驗證，A1、A2和A3的腐蝕環境具體參數如表2所示。

首先利用式（5）和（6）對參數進行歸一化處理，結果如表3，然后再利用式（7）求解各腐蝕環境的腐蝕綜合指標，最終計算的綜合指標向量Qm為（0.72，0.38，0.01）T，因此腐蝕的風險由大到小排序為A1、A2、A3。

2.3? 腐蝕實驗驗證

為了驗證模型計算結果的準確性，采用室內腐蝕實驗對A1、A2和A3三個環境的腐蝕速率進行模擬，實驗裝置如圖2所示。通過更改高壓釜體內的水油比、調節注入CO2壓力、調節水浴加熱溫度，以調節腐蝕環境內的含水率、CO2分壓、溫度，通過更換N80、1Cr和3Cr鋼材試片以模擬不同金屬含Cr量，按照表2的A1、A2和A3的腐蝕環境參數對實驗參數進行設置。

具體實驗步驟如下：

1）根據渤海A油田的水質成分分析報告，按照其成分進行水質配比，模擬實際井下水的成分;

2）取渤海A油田的地下原油試樣，和地層水進行混合配比，按照不同比例配置不同含水率的腐蝕溶液，裝入腐蝕裝置內;

3）取待測材質的金屬試片，如圖3，將其在乙醇浸泡一定時間后，擦拭并烘干后，放入稱重器測試其腐蝕前的質量;

4）將金屬試片放入高壓釜后，利用循環水進行水浴加熱到預設溫度;

5）通入預設壓力的CO2氣體，模擬實際井下的CO2氣體腐蝕環境，高壓釜體的總壓力通過通入N2進行調節;

6）通過調節旋轉電機轉速，模擬井下的流動狀態，在預設腐蝕環境下動態腐蝕金屬試片24 h;

7）取出腐蝕后的金屬，表面處理并烘干后，放入稱重器進行稱重，計算腐蝕質量，利用式（8）計算不同腐蝕環境下的金屬腐蝕速率;

8）根據不同環境的腐蝕速率結果，進行腐蝕風險排序，與模型計算得到的排序結果進行對比，評估模型計算的準確性。

。? ? ?（8）

式中：vcor — 金屬的腐蝕速率，mm·a-1;

m1 — 金屬試片腐蝕前的重量，g;

m2 — 金屬試片腐蝕后的重量，g;

A—掛片的面積，mm2;

T— 室內腐蝕實驗時間，mm2;

D— 測試金屬試片的密度，g·cm-3。

根據實驗的測試結果，利用式（8）計算得到了A1、A2、A3的腐蝕速率，結果分別為0.027、0.020、0.005 mm·a-1。腐蝕風險排序與求得的綜合指標向量排序一致，證明了模型計算結果的準確性，結果表明A1腐蝕環境的腐蝕風險最高，應該提前采取相應的防腐措施。

3? 結 論

1）建立了腐蝕情況的層次結構模型，利用AHP法計算得到了井下管柱腐蝕因素的影響權重，含水率、CO2分壓、溫度、金屬含Cr量對井下管柱腐蝕影響的權重為0.28、0.18、0.45、0.09。

2）基于計算得到的腐蝕因素影響權重，建立了井下管柱腐蝕綜合評價模型，利用其可以快速預測不同井或者不同腐蝕環境的腐蝕風險排序，指導現場的防腐作業。

3）利用井下管柱腐蝕綜合評價模型，評估了3個腐蝕環境的腐蝕風險大小，腐蝕風險由大到小排序為A1、A2、A3，與室內實驗結果一致，鑒于A1的腐蝕風險最高，應該提前采取相應措施。

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