頁巖氣地面集輸系統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有限公司

2新疆油田公司風城油田作業區

頁巖氣以吸附或游離狀態儲存于泥巖、頁巖和粉砂質巖層中[1]，需要采用長水平段大規模分段水力加砂壓裂改造儲層才能獲得工業氣流[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氣井的產出水。頁巖氣開發初期，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]，導致地面集輸系統發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十次），氣井因處理腐蝕穿孔問題平均停產2天以上，影響天然氣產量580×104m3，造成經濟損失近700萬元。現場調研顯示，腐蝕管件既有集氣站內的水平直管、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中細菌生長時間、環境溫度、頁巖氣集輸微生物濃度、流體介質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微生物腐蝕主要影響因素，為制定腐蝕防治對策提供依據。

1 實驗

1.1 實驗材料及裝置

實驗材料選用國內頁巖氣田常用的L360 鋼制成掛片，利用多相位掛片器（圖2）將掛片固定在環路腐蝕模擬實驗裝置內開展腐蝕實驗[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特征參數為研究對象，在不同參數條件下（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的相關性，研究其變化規律[10]。

2 實驗結果與分析

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律。實驗結果表明：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Tab.1 Variable parameters of corrosion influencing factors

表2 腐蝕時間對點蝕速率影響測試結果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律（實驗周期為7 d）。實驗結果表明：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 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律（實驗周期為160 h）。實驗結果表明：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生的點蝕。

表4 微生物濃度對點蝕速率影響測試結果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律。參照氣井產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出液中點蝕最大深度33.815μm，點蝕速率1.76 mm/a；添加0.03%（質量分數）的戊二醛殺菌劑的氣井產出液中，點蝕深度為0.605μm，腐蝕速率約0.03 mm/a。分析認為，按照氣井產出液配制的溶液中沒有微生物，未發生電化學腐蝕，而在添加減阻劑的氣井產出液中，未進行殺菌處理，細菌含量較高，發生了微生物電化學腐蝕，因此點蝕速率較高，但是與現場穿孔管件腐蝕速率相比較低，可能是受到現場溫度、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，導致地面集輸系統發生嚴重微生物電化學腐蝕穿孔。通過對氣田集輸系統腐蝕速率影響因素分析，得出以下結論：

（1）溫度對頁巖氣集輸系統腐蝕速率的影響最大，最大點蝕速率對應的溫度為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，應對壓裂液嚴格殺菌以降低地面集輸系統腐蝕穿孔風險[11]，保障氣田安全生產。