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(fēng)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(jìn)行殺菌或殺菌效果不好,壓裂液中帶入大量SRB、IB 和TGB 等細(xì)菌[3],導(dǎo)致地面集輸系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重微生物電化學(xué)腐蝕穿孔[4-5]。涪陵頁巖氣田腐蝕穿孔頻率高達(dá)200 a-1以上(其他頁巖氣田腐蝕頻率每年也高達(dá)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(jì)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(xué)腐蝕機(jī)理方面研究報(bào)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(xì)菌生長時(shí)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(gè)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)。
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)開展腐蝕實(shí)驗(yàn)[8]。
圖2 聚四氟乙烯夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of polytetrafluoroethylene clamp
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(jì)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]。
表2為不同流速條件下腐蝕時(shí)間對微生物腐蝕影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)腐蝕時(shí)間為12 h 時(shí),流速0.5 m/s 和2 m/s 條件下的金屬表面的點(diǎn)蝕深度分別為7.356μm和6.435μm,點(diǎn)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(diǎn)蝕深度繼續(xù)增長至16.364μm 和16.084μm,點(diǎn)蝕速率約4.0 mm/a和3.9 mm/a;160 h后,點(diǎn)蝕深度增加至30.451μm 和30.498μm,點(diǎn)蝕速率均為1.6 mm/a。整體上腐蝕速率隨腐蝕時(shí)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(shí)間對點(diǎn)蝕速率影響測試結(jié)果Tab.2 Testresultsofeffectofcorrosiontimeonpitting rate
圖3 點(diǎn)蝕速率隨時(shí)間變化Fig.3 Change of pitting rate with time
表3為不同流速條件下溫度對微生物腐蝕影響規(guī)律(實(shí)驗(yàn)周期為7 d)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:流速0.5 m/s時(shí),試樣在不同溫度條件下的點(diǎn)蝕深度分別為23.245、26.232、20.721、15.009、14.841μm,點(diǎn)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(shí),對應(yīng)不同溫度條件下的點(diǎn)蝕深度分別為22.487、25.646、18.415、14.918、16.363μm。點(diǎn)蝕速率分別為1.17、1.34、0.96、0.78、0.85mm/a。
表3 溫度對點(diǎn)蝕速率影響測試結(jié)果Tab.3 Test results of effect of temperature on pitting rate
當(dāng)溫度在30 ℃時(shí),試驗(yàn)點(diǎn)蝕速率最大。分析認(rèn)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(xué)腐蝕;當(dāng)溫度過高時(shí),微生物生理活性下降,點(diǎn)蝕速率明顯降低(圖4)。
圖4 點(diǎn)蝕速率隨溫度變化Fig.4 Change of pitting rate with temperature
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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表4),在0.5 m/s 流速條件下,三組試樣的點(diǎn)蝕深度分別為26.232、17.010、24.239μm,對應(yīng)點(diǎn)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(diǎn)蝕深度分別為25.646、16.372、24.183μm,對 應(yīng) 點(diǎn) 蝕 速 率 為1.33、0.88、1.26 mm/a。分析認(rèn)為,微生物濃度對點(diǎn)蝕速率幾乎無影響。
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(shí)驗(yàn)周期為160 h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:固相顆粒含量為1‰、流速0.5 m/s時(shí),試樣表面的點(diǎn)蝕深度為24.239μm,點(diǎn)蝕速率約1.26 mm/a;流速為2 m/s 時(shí)的腐蝕試樣表面點(diǎn)蝕的深度為24.183μm,點(diǎn)蝕速率約1.26 mm/a;彎頭外壁試樣表面的點(diǎn)蝕深度達(dá)38.226μm,點(diǎn)蝕速率約1.96 mm/a。固相顆粒含量為1%時(shí),流體流速為0.5 m/s金屬表面的點(diǎn)蝕深度為25.52μm,點(diǎn)蝕速率約1.33 mm/a;流速為2 m/s 金屬表面的點(diǎn)蝕深度為26.07μm,點(diǎn)蝕速率約1.36 mm/a;彎頭外壁點(diǎn)蝕深度34.15μm,點(diǎn)蝕速率約1.78 mm/a,仍然遠(yuǎn)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(diǎn)蝕。
表4 微生物濃度對點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yuǎn)高于直管段腐蝕,分析認(rèn)為彎頭附近以沖刷為主。
圖5 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)蝕;添加減阻劑的氣井產(chǎn)出液中點(diǎn)蝕最大深度33.815μm,點(diǎn)蝕速率1.76 mm/a;添加0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的戊二醛殺菌劑的氣井產(chǎn)出液中,點(diǎn)蝕深度為0.605μm,腐蝕速率約0.03 mm/a。分析認(rèn)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(xué)腐蝕,而在添加減阻劑的氣井產(chǎn)出液中,未進(jìn)行殺菌處理,細(xì)菌含量較高,發(fā)生了微生物電化學(xué)腐蝕,因此點(diǎn)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(xì)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(diǎn)蝕速率下降至0.03 mm/a,下降幅度達(dá)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
研究表明,頁巖氣田壓裂液往往未進(jìn)行殺菌或殺菌效果不好,壓裂液中帶入大量SRB、FB 和TGB等細(xì)菌,導(dǎo)致地面集輸系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重微生物電化學(xué)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(diǎn)蝕速率對應(yīng)的溫度為30 ℃;其次是腐蝕時(shí)間的影響,但隨腐蝕時(shí)間的延長點(diǎn)蝕速率呈顯著下降趨勢。
(2)微生物濃度對點(diǎn)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(diǎn)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(xì)菌腐蝕風(fēng)險(xiǎn),但通過加入殺菌劑能有效降低點(diǎn)蝕速率,應(yīng)對壓裂液嚴(yán)格殺菌以降低地面集輸系統(tǒng)腐蝕穿孔風(fēng)險(xiǎn)[11],保障氣田安全生產(chǎn)。