页岩气地面集输系统微生物腐蚀影响因素分析*

2020-12-15刘华敏王浩

油气田地面工程 2020年12期

刘华敏王浩

1中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司

2新疆油田公司风城油田作业区

页岩气以吸附或游离状态储存于泥岩、页岩和粉砂质岩层中[1]，需要采用长水平段大规模分段水力加砂压裂改造储层才能获得工业气流[2]。压裂液主要是指添加了适量聚丙烯酰胺的减阻水，水源来自气田周边河流和已投产气井的产出水。页岩气开发初期，各气田压裂液未进行杀菌或杀菌效果不好，压裂液中带入大量SRB、IB 和TGB 等细菌[3]，导致地面集输系统发生严重微生物电化学腐蚀穿孔[4-5]。涪陵页岩气田腐蚀穿孔频率高达200 a-1以上（其他页岩气田腐蚀频率每年也高达数十次），气井因处理腐蚀穿孔问题平均停产2天以上，影响天然气产量580×104m3，造成经济损失近700万元。现场调研显示，腐蚀管件既有集气站内的水平直管、弯头、三通和立管，也有采气平台的采气管线（图1）。腐蚀穿孔管件最短服役期224 d，最大腐蚀速率7.38 mm/a。

图1 涪陵页岩气田地面集输管件穿孔Fig.1 Perforation of ground pipe gathering and transportation fittings of Fuling Shale Gas Field

国内外在微生物电化学腐蚀机理方面研究报道较多[6]，但页岩气开发过程中微生物腐蚀影响因素的分析研究较少[7]，本文从页岩气集输系统中细菌生长时间、环境温度、页岩气集输微生物浓度、流体介质中固相颗粒含量和压裂液杀菌等5个方面开展研究，以明确页岩气地面集输系统微生物腐蚀主要影响因素，为制定腐蚀防治对策提供依据。

1 实验

1.1 实验材料及装置

实验材料选用国内页岩气田常用的L360 钢制成挂片，利用多相位挂片器（图2）将挂片固定在环路腐蚀模拟实验装置内开展腐蚀实验[8]。

图2 聚四氟乙烯夹具示意图Fig.2 Schematic diagram of polytetrafluoroethylene clamp

1.2 实验方法

以涪陵页岩气田地面集输系统特征参数为研究对象，在不同参数条件下（表1），采用激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）测量试样管件最大局部腐蚀深度[9]，计算腐蚀速率，分析腐蚀速率与特征参数的相关性，研究其变化规律[10]。

2 实验结果与分析

2.1 腐蚀时间对微生物腐蚀的影响

表2为不同流速条件下腐蚀时间对微生物腐蚀影响规律。实验结果表明：当腐蚀时间为12 h 时，流速0.5 m/s 和2 m/s 条件下的金属表面的点蚀深度分别为7.356μm和6.435μm，点蚀速率为5.4 mm/a和4.7 mm/a；36 h 后，流速0.5 m/s 和2 m/s 条件下的点蚀深度继续增长至16.364μm 和16.084μm，点蚀速率约4.0 mm/a和3.9 mm/a；160 h后，点蚀深度增加至30.451μm 和30.498μm，点蚀速率均为1.6 mm/a。整体上腐蚀速率随腐蚀时间的延长呈显著下降趋势（图3）。

表1 腐蚀影响因素变量参数Tab.1 Variable parameters of corrosion influencing factors

表2 腐蚀时间对点蚀速率影响测试结果Tab.2 Testresultsofeffectofcorrosiontimeonpitting rate

图3 点蚀速率随时间变化Fig.3 Change of pitting rate with time

2.2 温度对微生物腐蚀速率的影响

表3为不同流速条件下温度对微生物腐蚀影响规律（实验周期为7 d）。实验结果表明：流速0.5 m/s时，试样在不同温度条件下的点蚀深度分别为23.245、26.232、20.721、15.009、14.841μm，点蚀速率分别为1.21、1.37、1.08、0.78、0.77 mm/a；流速为2 m/s 时，对应不同温度条件下的点蚀深度分别为22.487、25.646、18.415、14.918、16.363μm。点蚀速率分别为1.17、1.34、0.96、0.78、0.85mm/a。

表3 温度对点蚀速率影响测试结果Tab.3 Test results of effect of temperature on pitting rate

当温度在30 ℃时，试验点蚀速率最大。分析认为：温度主要是通过影响微生物生理活性对腐蚀速率产生间接影响：适宜的温度能提高微生物代谢能力，从而加剧微生物的电化学腐蚀；当温度过高时，微生物生理活性下降，点蚀速率明显降低（图4）。

图4 点蚀速率随温度变化Fig.4 Change of pitting rate with temperature

2.3 微生物浓度对微生物腐蚀速率的影响

设定的三组微生物浓度分别为：SRB 为2.5×105mL-1、TGB为1×104mL-1，SRB为2.5×103mL-1、TGB为1×103mL-1，SRB为25 mL-1、TGB为60 mL-1。实验结果表明（表4），在0.5 m/s 流速条件下，三组试样的点蚀深度分别为26.232、17.010、24.239μm，对应点蚀速率为1.36、0.89、1.26 mm/a；在2 m/s 流速条件下，三组试样的点蚀深度分别为25.646、16.372、24.183μm，对应点蚀速率为1.33、0.88、1.26 mm/a。分析认为，微生物浓度对点蚀速率几乎无影响。

2.4 固相颗粒含量对微生物腐蚀速率的影响

表5为不同流速条件下固相颗粒含量对微生物腐蚀影响规律（实验周期为160 h）。实验结果表明：固相颗粒含量为1‰、流速0.5 m/s时，试样表面的点蚀深度为24.239μm，点蚀速率约1.26 mm/a；流速为2 m/s 时的腐蚀试样表面点蚀的深度为24.183μm，点蚀速率约1.26 mm/a；弯头外壁试样表面的点蚀深度达38.226μm，点蚀速率约1.96 mm/a。固相颗粒含量为1%时，流体流速为0.5 m/s金属表面的点蚀深度为25.52μm，点蚀速率约1.33 mm/a；流速为2 m/s 金属表面的点蚀深度为26.07μm，点蚀速率约1.36 mm/a；弯头外壁点蚀深度34.15μm，点蚀速率约1.78 mm/a，仍然远高于流速0.5 m/s 和流速2 m/s 条件下水平管道冲刷处产生的点蚀。

表4 微生物浓度对点蚀速率影响测试结果Tab.4 Test resurts of effect of microbial concentration on pitting rate

表5 固相颗粒含量对点蚀速率影响测试结果Tab.5 Test resurts of effect of solid particle content on pitting rate

图5为点蚀速率随固相颗粒含量变化规律，直管段微生物腐蚀速率受液体中固相颗粒含量影响不大，但弯头外壁腐蚀速率远高于直管段腐蚀，分析认为弯头附近以冲刷为主。

2.5 减阻剂和杀菌剂对微生物腐蚀速率的影响

图5 点蚀速率随固相颗粒含量变化Fig.5 Change of pitting rate with solid-phase particle content

图6 减阻剂和杀菌剂对点蚀速率影响测试结果Fig.6 Test results of effect of drag reducer and bactericide on pitting rate

图6 为减阻剂和杀菌剂对微生物腐蚀影响规律。参照气井产出液配制的未添加减阻剂和杀菌剂的溶液中基本没有点蚀；添加减阻剂的气井产出液中点蚀最大深度33.815μm，点蚀速率1.76 mm/a；添加0.03%（质量分数）的戊二醛杀菌剂的气井产出液中，点蚀深度为0.605μm，腐蚀速率约0.03 mm/a。分析认为，按照气井产出液配制的溶液中没有微生物，未发生电化学腐蚀，而在添加减阻剂的气井产出液中，未进行杀菌处理，细菌含量较高，发生了微生物电化学腐蚀，因此点蚀速率较高，但是与现场穿孔管件腐蚀速率相比较低，可能是受到现场温度、含砂量及细菌聚集等因素影响所致。而在溶液中加入戊二醛杀菌剂后点蚀速率下降至0.03 mm/a，下降幅度达98.3%（图7），说明杀菌效果明显。