頁巖氣地面集輸系統(tǒng)微生物腐蝕影響因素分析*

劉華敏 王浩

1中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

2新疆油田公司風城油田作業(yè)區(qū)

頁巖氣以吸附或游離狀態(tài)儲存于泥巖、頁巖和粉砂質(zhì)巖層中[1]，需要采用長水平段大規(guī)模分段水力加砂壓裂改造儲層才能獲得工業(yè)氣流[2]。壓裂液主要是指添加了適量聚丙烯酰胺的減阻水，水源來自氣田周邊河流和已投產(chǎn)氣井的產(chǎn)出水。頁巖氣開發(fā)初期，各氣田壓裂液未進行殺菌或殺菌效果不好，壓裂液中帶入大量SRB、IB 和TGB 等細菌[3]，導致地面集輸系統(tǒng)發(fā)生嚴重微生物電化學腐蝕穿孔[4-5]。涪陵頁巖氣田腐蝕穿孔頻率高達200 a-1以上（其他頁巖氣田腐蝕頻率每年也高達數(shù)十次），氣井因處理腐蝕穿孔問題平均停產(chǎn)2天以上，影響天然氣產(chǎn)量580×104m3，造成經(jīng)濟損失近700萬元?，F(xiàn)場調(diào)研顯示，腐蝕管件既有集氣站內(nèi)的水平直管、彎頭、三通和立管，也有采氣平臺的采氣管線（圖1）。腐蝕穿孔管件最短服役期224 d，最大腐蝕速率7.38 mm/a。

圖1 涪陵頁巖氣田地面集輸管件穿孔Fig.1 Perforation of ground pipe gathering and transportation fittings of Fuling Shale Gas Field

國內(nèi)外在微生物電化學腐蝕機理方面研究報道較多[6]，但頁巖氣開發(fā)過程中微生物腐蝕影響因素的分析研究較少[7]，本文從頁巖氣集輸系統(tǒng)中細菌生長時間、環(huán)境溫度、頁巖氣集輸微生物濃度、流體介質(zhì)中固相顆粒含量和壓裂液殺菌等5個方面開展研究，以明確頁巖氣地面集輸系統(tǒng)微生物腐蝕主要影響因素，為制定腐蝕防治對策提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料及裝置

實驗材料選用國內(nèi)頁巖氣田常用的L360 鋼制成掛片，利用多相位掛片器（圖2）將掛片固定在環(huán)路腐蝕模擬實驗裝置內(nèi)開展腐蝕實驗[8]。

圖2 聚四氟乙烯夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of polytetrafluoroethylene clamp

1.2 實驗方法

以涪陵頁巖氣田地面集輸系統(tǒng)特征參數(shù)為研究對象，在不同參數(shù)條件下（表1），采用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）測量試樣管件最大局部腐蝕深度[9]，計算腐蝕速率，分析腐蝕速率與特征參數(shù)的相關(guān)性，研究其變化規(guī)律[10]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕時間對微生物腐蝕的影響

表2為不同流速條件下腐蝕時間對微生物腐蝕影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：當腐蝕時間為12 h 時，流速0.5 m/s 和2 m/s 條件下的金屬表面的點蝕深度分別為7.356μm和6.435μm，點蝕速率為5.4 mm/a和4.7 mm/a；36 h 后，流速0.5 m/s 和2 m/s 條件下的點蝕深度繼續(xù)增長至16.364μm 和16.084μm，點蝕速率約4.0 mm/a和3.9 mm/a；160 h后，點蝕深度增加至30.451μm 和30.498μm，點蝕速率均為1.6 mm/a。整體上腐蝕速率隨腐蝕時間的延長呈顯著下降趨勢（圖3）。

表1 腐蝕影響因素變量參數(shù)Tab.1 Variable parameters of corrosion influencing factors

表2 腐蝕時間對點蝕速率影響測試結(jié)果Tab.2 Testresultsofeffectofcorrosiontimeonpitting rate

圖3 點蝕速率隨時間變化Fig.3 Change of pitting rate with time

2.2 溫度對微生物腐蝕速率的影響

表3為不同流速條件下溫度對微生物腐蝕影響規(guī)律（實驗周期為7 d）。實驗結(jié)果表明：流速0.5 m/s時，試樣在不同溫度條件下的點蝕深度分別為23.245、26.232、20.721、15.009、14.841μm，點蝕速率分別為1.21、1.37、1.08、0.78、0.77 mm/a；流速為2 m/s 時，對應(yīng)不同溫度條件下的點蝕深度分別為22.487、25.646、18.415、14.918、16.363μm。點蝕速率分別為1.17、1.34、0.96、0.78、0.85mm/a。

表3 溫度對點蝕速率影響測試結(jié)果Tab.3 Test results of effect of temperature on pitting rate

當溫度在30 ℃時，試驗點蝕速率最大。分析認為：溫度主要是通過影響微生物生理活性對腐蝕速率產(chǎn)生間接影響：適宜的溫度能提高微生物代謝能力，從而加劇微生物的電化學腐蝕；當溫度過高時，微生物生理活性下降，點蝕速率明顯降低（圖4）。

圖4 點蝕速率隨溫度變化Fig.4 Change of pitting rate with temperature

2.3 微生物濃度對微生物腐蝕速率的影響

設(shè)定的三組微生物濃度分別為：SRB 為2.5×105mL-1、TGB為1×104mL-1，SRB為2.5×103mL-1、TGB為1×103mL-1，SRB為25 mL-1、TGB為60 mL-1。實驗結(jié)果表明（表4），在0.5 m/s 流速條件下，三組試樣的點蝕深度分別為26.232、17.010、24.239μm，對應(yīng)點蝕速率為1.36、0.89、1.26 mm/a；在2 m/s 流速條件下，三組試樣的點蝕深度分別為25.646、16.372、24.183μm，對 應(yīng) 點 蝕 速 率 為1.33、0.88、1.26 mm/a。分析認為，微生物濃度對點蝕速率幾乎無影響。

2.4 固相顆粒含量對微生物腐蝕速率的影響

表5為不同流速條件下固相顆粒含量對微生物腐蝕影響規(guī)律（實驗周期為160 h）。實驗結(jié)果表明：固相顆粒含量為1‰、流速0.5 m/s時，試樣表面的點蝕深度為24.239μm，點蝕速率約1.26 mm/a；流速為2 m/s 時的腐蝕試樣表面點蝕的深度為24.183μm，點蝕速率約1.26 mm/a；彎頭外壁試樣表面的點蝕深度達38.226μm，點蝕速率約1.96 mm/a。固相顆粒含量為1%時，流體流速為0.5 m/s金屬表面的點蝕深度為25.52μm，點蝕速率約1.33 mm/a；流速為2 m/s 金屬表面的點蝕深度為26.07μm，點蝕速率約1.36 mm/a；彎頭外壁點蝕深度34.15μm，點蝕速率約1.78 mm/a，仍然遠高于流速0.5 m/s 和流速2 m/s 條件下水平管道沖刷處產(chǎn)生的點蝕。

表4 微生物濃度對點蝕速率影響測試結(jié)果Tab.4 Test resurts of effect of microbial concentration on pitting rate

表5 固相顆粒含量對點蝕速率影響測試結(jié)果Tab.5 Test resurts of effect of solid particle content on pitting rate

圖5為點蝕速率隨固相顆粒含量變化規(guī)律，直管段微生物腐蝕速率受液體中固相顆粒含量影響不大，但彎頭外壁腐蝕速率遠高于直管段腐蝕，分析認為彎頭附近以沖刷為主。

2.5 減阻劑和殺菌劑對微生物腐蝕速率的影響

圖5 點蝕速率隨固相顆粒含量變化Fig.5 Change of pitting rate with solid-phase particle content

圖6 減阻劑和殺菌劑對點蝕速率影響測試結(jié)果Fig.6 Test results of effect of drag reducer and bactericide on pitting rate

圖6 為減阻劑和殺菌劑對微生物腐蝕影響規(guī)律。參照氣井產(chǎn)出液配制的未添加減阻劑和殺菌劑的溶液中基本沒有點蝕；添加減阻劑的氣井產(chǎn)出液中點蝕最大深度33.815μm，點蝕速率1.76 mm/a；添加0.03%（質(zhì)量分數(shù)）的戊二醛殺菌劑的氣井產(chǎn)出液中，點蝕深度為0.605μm，腐蝕速率約0.03 mm/a。分析認為，按照氣井產(chǎn)出液配制的溶液中沒有微生物，未發(fā)生電化學腐蝕，而在添加減阻劑的氣井產(chǎn)出液中，未進行殺菌處理，細菌含量較高，發(fā)生了微生物電化學腐蝕，因此點蝕速率較高，但是與現(xiàn)場穿孔管件腐蝕速率相比較低，可能是受到現(xiàn)場溫度、含砂量及細菌聚集等因素影響所致。而在溶液中加入戊二醛殺菌劑后點蝕速率下降至0.03 mm/a，下降幅度達98.3%（圖7），說明殺菌效果明顯。

圖7 減阻劑和殺菌劑對微生物腐蝕速率的影響Fig.7 Effect of drag reducer and bactericide on the corrosion rate of microorganism

3 結(jié)論

研究表明，頁巖氣田壓裂液往往未進行殺菌或殺菌效果不好，壓裂液中帶入大量SRB、FB 和TGB等細菌，導致地面集輸系統(tǒng)發(fā)生嚴重微生物電化學腐蝕穿孔。通過對氣田集輸系統(tǒng)腐蝕速率影響因素分析，得出以下結(jié)論：

（1）溫度對頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕速率的影響最大，最大點蝕速率對應(yīng)的溫度為30 ℃；其次是腐蝕時間的影響，但隨腐蝕時間的延長點蝕速率呈顯著下降趨勢。

（2）微生物濃度對點蝕速率幾乎無影響，沖蝕速率和固相顆粒含量對直管段的微生物點蝕速率影響不大，但在彎管段影響明顯，通過其沖蝕作用能明顯加劇腐蝕。

（3）頁巖氣井產(chǎn)出水中加入減阻劑會增加細菌腐蝕風險，但通過加入殺菌劑能有效降低點蝕速率，應(yīng)對壓裂液嚴格殺菌以降低地面集輸系統(tǒng)腐蝕穿孔風險[11]，保障氣田安全生產(chǎn)。