页岩气集输管道生物膜的形成及腐蚀行为研究

吴虹宇 谭 鹏，2 刘汉军 邱海燕 兰贵红 王顺慧

（1. 西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500；2. 中国石油塔里木油田分公司监督中心，新疆 库尔勒 841000；3. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 德阳 618300）

0 引言

微生物腐蚀（MicrobiologicallyInfluenced Corrosion，MIC）是页岩气地面集输管道点蚀穿孔失效的主要原因[1]，造成了严重的经济损失与环境污染。因此，研究MIC机理，有效地进行腐蚀防护，保障页岩气集输管道的安全运行十分重要。目前，对四川盆地的页岩气集输管道的MIC研究主要集中于SRB腐蚀，如Wu和刘华敏等[2,3]研究表明，SRB的富集是导致页岩气集输管道出现点蚀的主要原因；Liao等[4]研究认为，在低流速的集输管道中，SRB与CO2、O2和Cl-等腐蚀介质的协同腐蚀是导致集输管道出现腐蚀穿孔的主要原因。生物膜的形成是MIC发生的关键步骤之一，但对页岩气集输管道内壁形成腐蚀产物/生物膜的过程研究较少，大部分对腐蚀产物/生物膜的研究集中于海水和油田。如舒韵等[5]研究模拟海水中X80钢表面的SRB生物膜形成过程，结果表明SRB在金属表面形成的腐蚀产物/生物膜且逐渐致密的过程中，SRB的浓度上升，SRB腐蚀加剧。尚未有学者对腐蚀产物/生物膜形成过程中的主要腐蚀微生物演替变化进行研究。

因此，本研究模拟长宁区块页岩气地面集输管道环境，通过动态腐蚀挂片失重法、电化学阻抗谱图、高通量测序以及腐蚀产物形貌表征等手段，研究在L360N钢表面逐渐形成腐蚀产物/生物膜的过程中，试片表面的主要腐蚀微生物演替以及腐蚀机制变化，有利于更好地防控MIC。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用水样为四川盆地某页岩气单井压裂投产四个月后的采出水，其水质情况（mg/L）为：pH 6.6，Na+15240.00，K+571.00，Fe2+/Fe3+47.25，Ca2+769.00，Mg2+85.00，Ba2+188.90，Cl-24722.39，SO42-35.89。实验材料为页岩气开采现场外输管道所用管材L360N钢加工制成。动态腐蚀挂片实验的试片尺寸为40×13×3mm（含Φ2mm的孔）；电化学测试所用工作电极尺寸为10×10×2mm。试片经打磨抛光后，依次使用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗，称重后，紫外消毒20min。

高通量测序和腐蚀形貌观察需要使用0.2mol/L磷酸缓冲液（Phosphate Buffer Saline，PBS），PBS的配方为（g/L）：5.2gNaH2PO4·H2O，58.0gNa2HPO4·12H2O，调pH值至7.4。戊二醛固定液的配方为：10mL 25%（质量分数）戊二醛，40mL无菌水，50mL 0.2 mol/LPBS溶液，调节pH为7.3。腐蚀酸洗液配方为（g/L）：3.5g六次甲基四胺，500mL浓盐酸。

1.2 动态腐蚀挂片与电化学测试

根据页岩气地面集输管线的现场实际情况，设置实验条件为35℃、水相流速为0.5m/s的厌氧环境（使用高纯氮气2h对采出水进行除氧处理），分别进行周期为1、3、5、7、10、14d的动态腐蚀挂片实验。实验结束后，取出试片，使用1.1节中所配的腐蚀酸洗液除去试片表面腐蚀产物，再使用去离子水和无水乙醇清洗，称重，计算试片腐蚀速率，腐蚀速率计算公式如式（1）所示[6]：

式中，vcor为腐蚀速率，mm·a-1；m0为试片初始质量，g；m1为试片除去腐蚀产物后的试片质量，g；S为试片表面积，cm2；t为腐蚀挂片实验周期，h；ρ为试片密度，g·m-3。

使用CorrTest（CS310H）电化学工作站进行电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）测试。工作电极为L360N钢（工作面积为1cm2），辅助电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极（Saturated Calomel Electrode，SCE），设置交流激励信号振幅为5mV（vs Eocp），扫描频率范围为10-2～104Hz。EIS数据使用ZsimpWin软件进行拟合分析。

1.3 腐蚀产物/生物膜形貌及元素分析

将实验周期为3、7、14d的动态腐蚀挂片取出后，立即放入1.1节中配的戊二醛固定液浸泡4h，随后依次在25%、50%、75%、100%（体积分数）的乙醇溶液中浸泡15min，冷风吹干后进行形貌表征。采用SU3500型扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对试片表面的腐蚀产物/生物膜进行观察，Aztec X-Max20型能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）进行元素能谱分析[7]。使用1.1节中配的腐蚀酸洗液和无水乙醇清洗试片后，采用SEM和ContourGT InMotion型三维光学显微镜观察试片表面腐蚀形貌，并测量试片点蚀深度。

1.4 腐蚀产物分析及高通量测序

动态腐蚀挂片试验结束后，使用X射线衍射仪（X-Ray Diffractometer，XRD）对试片表面的腐蚀产物进行定性分析。用PBS对试片表面的生物膜进行清洗，对清洗后的PBS溶液进行16S rRNA基因V3-V4区高通量测序。

2 结果与讨论

2.1 动态腐蚀失重实验与电化学测试结果

图1是动态腐蚀挂片实验的试片平均腐蚀速率图。随着时间的推移，试片的平均腐蚀速率呈下降趋势，7～14d时平均腐蚀速率维持在0.0143mm/a左右。图2是电化学阻抗谱图。通常容抗弧大小与电极表面形成的腐蚀产物膜和生物膜有关[6]。容抗弧的半径越大，电极表面的保护膜越致密，工作电极的均匀腐蚀减缓[8]。由图2（a）可知，随着时间的推移，容抗弧半径呈逐渐增大的趋势。这表明工作电极表面腐蚀产物/生物膜形成，并逐渐致密。

图1 试片平均腐蚀速率随时间的变化

图2 L360N钢在采出水中浸泡不同实验时间的电化学阻抗谱图

为更好地理解L360N钢电极表面腐蚀产物/生物膜的阻抗特性，使用ZsimpWin软件对EIS测试结果进行拟合，等效电路图如图3所示。3～14d的测试结果采用图3（b）进行拟合，1d的测试结果采用图3（a）进行拟合，拟合结果误差均＜10%。在等效电路中，Rs为溶液电阻，Qf为腐蚀产物/生物膜电容，Rf为腐蚀产物/生物膜电阻，Qdl为双电层电容，Rct为电荷转移电阻。其中，Q是常相位元件，Y0为阻纳，n为弥散指数，拟合结果如表1所示。可以看出，3d后Rf值呈逐渐增大的趋势，从8.085Ω·cm-2增加到12860Ω·cm-2，这表明电极表面有腐蚀产物/生物膜形成并逐渐致密。同时Rct值的大小可以用来评价金属腐蚀程度[9]，Rct值呈逐渐增大的趋势，这表明电极腐蚀程度逐渐减低，与Rf的变化规律以及动态腐蚀挂片的实验结果一致。

表1 EIS拟合数据

图3 EIS拟合等效电路图

2.2 腐蚀产物/生物膜形貌及元素分析结果

试片表面腐蚀产物/生物膜的SEM形貌表征和EDS分析结果如图4所示，试片表面的微生物和腐蚀产物逐渐增多且分布均匀，14d时试片表面形成了较致密的腐蚀产物/生物膜，其中Fe元素和S元素含量达到最高。试片表面的腐蚀产物XRD分析结果如图6所示，随着实验周期的增加，主要腐蚀产物由Fe2O3，变为Fe2O3、FeS2和FeS，14d时主要腐蚀产物为FeS，这些均为典型的SRB腐蚀产物[10]。这都表明腐蚀后期试片表面的主要MIC是SRB腐蚀。由于采出水介质中存在CaCO3悬浮物，3d和7d试片表面的腐蚀产物中检测出CaCO3。

图4 不同实验时间的试片表面腐蚀产物/生物膜SEM图和EDS分析结果图

试片的腐蚀形貌表征分别由图6和图7所示。3d时L360N试片表面主要呈均匀腐蚀形貌，局部区域有深度为3.0138μm的点蚀坑；7d时试片开始出现明显的典型点蚀形貌，局部点蚀坑深度为7.4624μm；14d时试片表面点蚀数量变多，点蚀直径变大，试片局部点蚀深度为7.8564μm。这表明，在腐蚀产物/生物膜逐渐致密的过程中，试片表面由均匀腐蚀变为点蚀，且点蚀深度和数量逐渐增加。

图6 不同实验时间的试片表面腐蚀形貌SEM图

图7 不同实验时间试片表面点蚀的三维显微镜图

2.3 腐蚀产物/生物膜细菌菌群结构变化

属水平上的群落结构组成如图8所示，采出水与试片表面腐蚀产物/生物膜的细菌菌群结构有较大差异。采出水中的主要菌属是脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）和嗜蛋白菌属（Proteiniphilum），而试片表面的主要菌属是假单胞菌属（Pseudomonas）、弓形杆菌属（Arcobacter）、脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）和脱硫化曲菌属（Desulfocurvus）。采出水中的嗜蛋白菌属（Proteiniphilum）属于产酸菌（Acid-producing Bacteria，APB），是一种严格厌氧的APB，能代谢产生有机酸腐蚀金属[11]。而试片表面相对丰度逐渐上升的假单胞菌（Pseudomonas）是一种产粘液菌（Slime-producingBacteria，SPB）菌属[12]，可产生大量胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance,EPS），促进金属表面生物膜的形成[13]。假单胞菌（Pseudomonas）在试片表面的相对丰度逐渐上升，这意味着试片表面的生物膜逐渐增多。脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）和脱硫化曲菌属（Desulfocurvus）等典型的SRB菌属[14]，海细菌属（Marinobacterium）、弓形杆菌属（Arcobacter）和Dethiosulfatibacter等可以代谢产生H2S的非典型SRB菌属[15-17]，在试片表面的相对丰度也在逐渐上升。硫膨大杆菌属（Thioclava）和Thiomicrospira等硫氧化菌（Sulfur-oxidizing Bacteria，SOB）菌属的相对丰度在逐步降低[18,19]。

图8 微生物16S rRNA基因序列属水平分类图

2.4 成膜过程中的腐蚀机制变化

L360N试片在实验室模拟的页岩气地面集输管线的环境中（35℃、水相流速为0.5m/s的厌氧环境），由于微生物的存在，表面会逐渐形成一层较致密的腐蚀产物/生物膜。在腐蚀产物/生物膜逐渐形成的过程中，试片表面的腐蚀反应也在发生变化，如图9所示。

图9 试片表面各阶段主要腐蚀反应过程

3d时试片表面有局部腐蚀产物/生物膜形成，有SOB菌属硫膨大杆菌属（Thioclava）附着在试片表面，相对丰度为7.18%。而采出水中相对丰度为29.37%的嗜蛋白菌属（Proteiniphilum）是一种严格厌氧的APB。试片的腐蚀产物主要为Fe2O3为主，且表面呈均匀腐蚀状。这表明0～3d时，试片表面的腐蚀反应以SOB腐蚀和APB生长代谢导致的酸腐蚀为主。

有研究表明[20]，Cl-浓度为30g/L时，金属对Cl-的腐蚀敏感度最高且体系中的SRB代谢活性最强，有助于SRB在金属表面形成生物膜并与Cl发生腐蚀协同作用，而采出水中Cl-含量为24722.39mg/L，这表明该体系的SRB代谢活性最强，且形成生物膜。因此，7d时试片表面的腐蚀产物/生物膜覆盖率增加，如图4（c）所示。试片表面的主要菌属为假单胞菌属（Pseudomonas）、脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）、弓形杆菌属（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大杆菌属（Thioclava）等，SOB、SPB和SRB菌属的相对丰度上升。试片表面的主要腐蚀产物有FeS2和FeS，并开始出现点蚀形貌。这表明试片表面的硫循环腐蚀过程加强，但腐蚀产物/生物膜的存在阻挡了Cl-的扩散[21]，降低了Cl-对试片的腐蚀。因此，试片的均匀腐蚀下降，开始出现点蚀。试片表面发生的主要腐蚀反应开始由SOB腐蚀和APB导致的酸腐蚀，转变为以SRB和SOB为主的硫循环腐蚀。SRB引起的主要腐蚀[22]反应如下：

14d时试片表面形成较致密的腐蚀产物/生物膜，主要腐蚀产物为FeS，如图4（e）和图5所示。试片的主要细菌是假单胞菌属（Pseudomonas）、脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）、弓形杆菌属（Arcobacter）和脱硫化曲菌属（Desulfocurvus），SPB和SRB菌属的相对丰度持续增加，但SOB菌属降低。由于SRB的腐蚀产物FeS与EPS交织在一起形成腐蚀产物/生物膜，因此大多数微生物会嵌入腐蚀产物/生物膜中[23]，膜下的微生物浓度较高。而腐蚀产物/生物膜下的SRB会用金属代替碳源获取电子进行生长代谢，使点蚀加剧。SRB产生的HS和H2S会与Fe2O3反应，使试片腐蚀产物以FeS为主。

图5 不同实验时间试片表面腐蚀产物XRD图

3 结语

（1）在实验室模拟的页岩气地面集输管道环境（常压、35 ℃、流体流速为0.5m/s的厌氧环境）中，L360N试片表面形成腐蚀产物/生物膜并逐渐致密。在试片表面成膜的过程中，试片均匀腐蚀速率下降，7d后稳定在0.0143 mm/a左右，试片的点蚀数量和深度逐渐上升，点蚀深度升至7.8564μm；

（2）在L360N试片表面腐蚀产物/生物膜形成并逐渐致密的过程中，试片表面的主要腐蚀细菌发生变化，SPB和SRB菌属富集，SOB菌属逐渐减少。0～3d时，试片表面主要发生APB和SOB的均匀腐蚀，尚未形成明显腐蚀产物/生物膜，主要腐蚀细菌是嗜蛋白菌属（Proteiniphilum）和硫膨大杆菌属（Thioclava）；3～7d时，试片表面形成局部腐蚀产物/生物膜，SRB菌属开始富集，7d时试片表面出现点蚀，腐蚀产物/生物膜中的主要腐蚀细菌是假单胞菌（Pseudomonas）、脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）、弓形杆菌属（Arcobacter）、Thiomicrospira和硫膨大杆菌属（Thioclava），主要腐蚀机制是SRB和SOB的硫循环腐蚀；7～14d时，试片表面逐渐形成完整且较为致密的腐蚀产物/生物膜，点蚀加剧，14d时腐蚀产物/生物膜中的假单胞菌（Pseudomonas）、脱硫微杆菌属（Desulfomicrobium）和弓形杆菌属（Arcobacter）富集，SOB菌属相对丰度减少，主要腐蚀机制是SRB腐蚀。