常壓頁巖氣油管斷裂原因與防腐策略討論

馮旻祎，高茂萍，周成香

(中石化重慶頁巖氣有限公司，重慶 408400)

“十三五”期間，中國頁巖氣進入創(chuàng)新突破與快速發(fā)展快車道,頁巖氣已成為天然氣增儲上產重要領域[1]。頁巖氣作為一種清潔的非常規(guī)天然氣，越來越受到世界各國重視。然而，在開采過程中，各國頁巖氣田油管均發(fā)生過腐蝕穿孔，一旦油管發(fā)生腐蝕穿孔甚至斷裂，不僅影響正常的開采，而且打撈油管作業(yè)需要花費上百萬元。美國Pinedale頁巖氣田[2]和Barnett頁巖氣田[3]井下油管均發(fā)生過腐蝕穿孔。2017年，四川某頁巖氣田通過生產動態(tài)分析發(fā)現(xiàn)多口氣井油管發(fā)生腐蝕穿孔[4]。以上頁巖氣田油管發(fā)生腐蝕穿孔均與硫酸鹽還原菌(SRB)有關。因此，弄清硫酸鹽還原菌是如何導致井下油管斷裂是很有必要的。

1 油管斷裂原因分析

南川頁巖氣田儲量規(guī)模大，預測儲量5000億方以上，探明儲量2387億方，是國內重要的頁巖氣資源富集區(qū)。南川頁巖氣壓力系數(shù)為1.12～1.32，是我國首個實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的以常壓頁巖氣為主的頁巖氣田。2021年3月，南川頁巖氣田某井實施檢管作業(yè)，發(fā)現(xiàn)油管1500 m處腐蝕斷裂，起出油管多處腐蝕穿孔嚴重。該井日產氣量4.5萬方，發(fā)生腐蝕的井下管柱運行溫度在25～55 ℃范圍內。

該區(qū)塊井下管柱輸送介質為氣水混合物，氣相分析CO2含量在0.44%～1.62%，該區(qū)塊的頁巖氣不含H2S。該區(qū)塊頁巖氣采出液礦化度主要在20000～40000 mg/L。

圖1 油管斷裂圖Fig.1 The diagram of broken tubing

圖2 油管內壁結垢圖Fig.2 The diagram of fouling on the inner wall of the tubing

1.1 采出氣成分分析

通過氣相分析看出，該井微含CO2，不含H2S。

表1 采出氣成分分析

1.2 采出水分析

采出水中硫酸鹽還原菌數(shù)量為6000個/mL，遠遠超過SY-T 5329-2012碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法中 SRB≤25個/mL的要求。

表2 采出水成分分析Table 2 The analysis of produced water composition

1.3 腐蝕產物分析

對油管內壁腐蝕產物(圖3a)和公扣腐蝕產物(圖3b)進行鹽酸浸泡實驗。用硫化氫含量分析儀測量硫化氫含量，發(fā)現(xiàn)經過鹽酸浸泡的油管內壁腐蝕產物中的H2S含量為47 ppm，公扣腐蝕產物中的H2S含量為6 ppm。

圖3 油管內壁腐蝕產物(a)和公扣腐蝕產物(b) 鹽酸浸泡實驗結果圖Fig.3 The diagram of the corrosion product of the inner wall of the tubing (a) and the corrosion product of the male button (b) hydrochloric acid immersion test

2 腐蝕機理分析

南川頁巖氣田井下管柱服役溫度在25～55 ℃范圍內，該溫度范圍符合硫酸鹽還原菌大量繁殖的條件[5]。陽極鋼鐵表面發(fā)生氧化反應，生成Fe2+，陰極SRB去極化產生S2-，生成鐵基體生成FeS、Fe(OH)2；同時與采出水中的Ca2+結合，生成CaSO4(圖4a)：

此時，鐵基體表面被腐蝕產物與垢層覆蓋。Cl-半徑小、滲透性強進入垢層后，起到催化與促進點蝕的作用。耦合作用下，誘發(fā)油管形成腐蝕坑，最終斷裂(圖4c)。

圖4 油管斷裂原因分析Fig.4 The diagram of causing analysis of tubing fracture

3 現(xiàn)場防護措施

3.1 殺菌劑

通過加注殺菌劑的辦法，殺滅來自地層和注水引入的細菌。氧化型殺菌劑如次氯酸、次氯酸鹽等，可以分解產生氧抑制生長，這類殺菌劑殺菌效果好但持久性差，且藥劑消耗量大。吸附型殺菌劑季銨鹽類、醛類、酚類、雜環(huán)類化合物、有機錫化合物，主要以其毒性致使細菌死亡，這類殺菌劑效果持久性好但易產生抗藥性。

用殺菌劑方法主要存在以下方面的弊端，一是長時間的使用某一殺菌劑，細菌易產生抗藥性，致使殺菌效果降低,不得不更換殺菌劑。二是大量使用殺菌劑成本較高，增加經濟負擔。三是大量的向水環(huán)境中投加各類殺菌劑，污染水體，危害生態(tài)環(huán)境。

3.2 耐蝕鋼

從材料的制備和選擇上考慮，使用抗SRB腐蝕的材料可在一定程度上避免或者抵抗SRB腐蝕產生的危害。鐵及不銹鋼、鋁及其合金、混凝土等多種材料都能發(fā)生SRB腐蝕，而通常鉻及高分子聚合材料、鈦及其合金、玻璃鋼對SRB具有較好的抵抗性。所以可以通過對材料表面進行處理或者在基體材料中添加耐SRB腐蝕元素的方法，達到防止SRB腐蝕的目的。通過在材料的表面涂上一層鈦或鈦合金形成二氧化鈦薄膜層，也能夠防治SRB引起的微生物腐蝕。

4 結 論

頁巖氣油管發(fā)生腐蝕穿孔斷裂主要是由硫酸鹽還原菌(SRB)引起，CO2的存在促進了點蝕的發(fā)展，同時，Cl-起到催化與促進點蝕的作用，最終導致油管腐蝕穿孔甚至斷裂。為了有效遏制油管穿孔現(xiàn)象，需對井筒加注緩釋殺菌劑，并結合對油管涂敷內防腐涂層，實現(xiàn)對油管腐蝕的有效控制。