威遠區塊頁巖氣試采分離器工藝管線腐蝕原因及防治對策

王 雷 謝 奎 劉卓旻

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司試修公司，四川 成都 610056；2.中國石油西南油氣田公司川東北作業分公司，四川 成都 610000）

0 引言

在四川盆地南部威遠區塊頁巖氣開發和生產過程中，平臺井都是采用工廠化壓裂、快速式排液和“見氣”入管網生產模式，由于生產流程不能及時就位，往往用地面測試流程作為試采輸氣臨時流程，試采作業周期普遍在6個月，甚至長達1年［1-3］。在試采階段，陸續發生分離器工藝管線腐蝕穿孔和管壁減薄現象，給該區塊頁巖氣正常的生產計劃帶來諸多不利影響。因此，開展試采階段分離器工藝管線腐蝕原因的分析和研究，制定相應的對策和防治措施，對于威遠頁巖氣安全平穩生產具有重要的現實意義。

1 工藝管線腐蝕概況

2019年初，威遠頁巖氣某平臺井發生分離器工藝管線刺漏，4月在該區塊其他平臺又發生3次管線刺漏，觀察管線刺漏點周圍管壁形貌腐蝕特征（圖1），漏點周圍出現壁厚減薄現象，管壁點蝕坑較多，呈粗糙、疏松、多孔的形貌特征。至當年12月份，再次發生13處分離器工藝管線刺漏穿孔和壁厚嚴重減薄問題（表1）。綜合統計2019年數據，其中分離器管線彎頭9處、直管段3處、管線焊接部位5處出現刺漏或壁厚減薄問題（圖2），以上發生管線刺漏的分離器大多為投入該區塊使用后5到6個月即發生穿孔。

圖1 管線內壁腐蝕形狀圖

圖2 管線焊接處腐蝕穿孔圖

表1 威遠頁巖氣試采分離器刺漏和壁厚嚴重減薄統計表

2 管線腐蝕原因分析

2.1 腐蝕產物分析

腐蝕坑表面附著一層黑色物質，刮取管壁處腐蝕產物進行X射線衍射檢測（XRD）（圖3），結果表明其主要物相為硫酸鹽、碳酸鹽、鐵的硫化物和氧化物，包括FeSO4、Fe2O3、FeCO3、FeS、FeS2等。穿孔內表面附著一層結構較為疏松的腐蝕產物層，綜合能譜分析（圖4）顯示含有少量FeS等硫化物，S含量為4.49%，說明這一層腐蝕產物層與H2S密切相關。

圖3 腐蝕產物XRD分析圖

圖4 腐蝕坑管線微觀形貌及能譜分析圖

2.2 現場掛片腐蝕分析

2019年對四川頁巖氣某平臺返排介質進行掛片（材質BG90SS）腐蝕試驗，現場取出試片真空密封后帶回實驗室進行相應的分析，清洗前試片進行掃描電子顯微鏡（SEM）檢測（圖5），從清洗前試片的SEM圖可以看出，試片表面存在一層沉積物（腐蝕產物）。清洗前試片進行電子顯微鏡能譜儀（EDS）檢測（圖6）。而EDS結果中試片表層存在一定量的S，含量為7.51%。說明可能存在硫酸鹽還原菌附著在試片表面繼續生長，將水中的SO42-還原成S2-，與Fe2+結合生成FeS，沉積在試片表面，加速試片的腐蝕。通過清洗前試片的SEM和EDS分析，初步判斷可能存在細菌腐蝕。

圖5 掛片清洗前EDS鏡面掃描（500-5000倍）圖

圖6 試片腐蝕產物EDS圖

參照《水腐蝕性測試方法》，對試片進行清洗、稱重，計算腐蝕數量。得到試片均勻腐蝕速率為0.443 8 mm／a，試片平均點蝕速率為3.387 mm／a，對照SY／T 0026-1999標準對腐蝕程度的規定，試片均勻腐蝕和點蝕的均勻腐蝕等級為嚴重。另外試片清洗后做SEM表征，觀察試片表面形貌特征（圖7），試片表面存在大量明顯的點蝕坑，這一結果與宏觀腐蝕現象一致，可以判斷是由于細菌附著在試片表面生長，促進腐蝕，致使試片表面出現大量點蝕坑。同時從試片邊緣缺損部位的SEM圖觀察到，試片邊緣呈粗糙、疏松、多孔的形貌結構，這是由于管道內采出水攜砂沖刷造成的腐蝕。通過清洗后試片SEM分析，判斷試片腐蝕由細菌腐蝕和沖刷腐蝕共同作用形成。

圖7 掛片清洗后EDS鏡面掃描（200-1000倍）圖

2.3 返排介質及細菌含量分析

由于井筒返排介質為氣水混合物，氣相分析CO2含量在0.79%～1.42%，H2S含量在0.001～0.032 mg／L，基本不含硫化氫［4］。該區塊介質液體整體呈中性至弱酸性，礦化度在20 000 mg／L左右，部分Cl-含量較高，達到20 000 mg／L以上。值得注意的是，由于水源的成本問題，該區塊大量回收利用返排液進行壓裂施工，井筒返出液體的細菌含量很高，部分井硫酸鹽還原菌（SRB）的含量達20 000個／mL以上，遠超過碎屑巖回注水的行業標準要求（≤25個／mL）（表2）。

表2 返排介質液相化驗結果表

工況顯示刺漏均發生在試采輸氣階段，井口壓力為10 MPa左右，產量液為10～40 m3／d，天然氣產量為10×104m3／d左右，返排溫度為30～35℃。一般認為SRB在pH值為6～9，溫度為30～35℃及55～60℃的環境下適宜繁殖［5-6］，該區塊大部分平臺井運行環境與其相符，是硫酸鹽還原菌（SRB）生長的良好環境。

2.4 刺漏部位統計分析

統計該區塊試采分離器工藝管線腐蝕穿孔和管壁腐蝕減薄情況，刺漏點在分離器工藝管線的變徑、直管、彎頭、三通均有分布，刺漏部位的內環境為液相或氣水混合，刺漏管線的管徑普遍為DN50 mm和DN80 mm，且29.4%的腐蝕點集中分布在分離器管線焊縫周圍（表3）。

表3 分離器刺漏及嚴重減薄部位統計表

用于該區塊的試采分離器工藝管線為非標件，全以焊接方式連接。在工藝管線焊接過程中，受到焊縫坡口加工的平直度、焊接中電流大小、焊接工藝參數選擇及焊工操作熟練程度等因素的影響，導致焊縫表面存在缺陷，如咬邊、焊瘤、弧坑等外部缺陷，但常見的多是焊后不清理焊渣和焊疤。通過對分離器生產廠家管線焊接后質量檢查，發現小管徑管線焊接后存有焊瘤、弧坑等缺陷（圖8）。分離器工藝管線焊接后焊縫表面存在的缺陷，為介質中的硫酸鹽還原菌提供了聚集場所。

圖8 工藝管線焊接缺陷圖

此外，在頁巖氣排采流程中，分離器上、下游均用鍛造法蘭管線或油管連接，在相同的井況、相同的流體介質、相同的環境條件未發生管線腐蝕穿孔情況，也進一步佐證了分離器工藝管線焊縫質量問題給SRB提供了聚集場所，并形成穩定的菌落，SRB長期對管線腐蝕導致管線管壁減薄和穿孔。

SRB造成的腐蝕主要為SRB將介質中的SO42-作為電子受體，在代謝過程中還原成S2-或H2S進而形成鐵的硫化物，包裹在金屬基體表面的生物膜中，改變了生物膜下碳鋼表面的微環境，促使碳鋼表面形成點腐蝕，進而在其表面形成大而不均勻的潰斑。陰極去極化的總反應式為［7-9］：

2.5 腐蝕原因

通過上述研究和分析，結合現場的生產數據得出：井筒返排介質中的硫酸鹽還原菌（SRB）是導致該區塊頁巖氣試采分離器工藝管線腐蝕的主要原因；工藝管線焊接處的不均勻和不規則表面加劇了硫酸鹽還原菌附著堆積；返排介質中的微量砂粒的沖刷作用加快了局部區域的腐蝕過程［10-12］；硫酸鹽還原菌（SRB）與二氧化碳共同作用加劇了點蝕的發展，同時Cl-促進了腐蝕的發生［13-15］。

3 防腐對策

針對分離器腐蝕的問題，結合腐蝕原因分析，采用了更換材質、改變連接方式、修改結構、內涂層、泵注藥劑、加強管理等方式進行逐一提升。

優化材質選擇，將分離器工藝管線材質從A105改為35CrMo，提高管材抗腐蝕能力。改變分離器進出口管線、排污管線等連接方式，將原來的焊接管件改成鍛造管件（圖9），并采用法蘭連接方式，減少工藝管線上的焊接點，提高管線內壁的光滑度。

圖9 工藝管線法蘭連接圖

對于分離器工藝管線上須采用焊接方式連接的非標結構件、調整短節等，改用與母材成分接近的焊絲或焊條，焊縫成分和組織與母材一致，提高焊接工藝，降低熱量輸入，減少焊縫表面咬邊、焊瘤、弧坑等外部缺陷，避免溝槽腐蝕發生。同時依據井筒返排介質特點，優選了環氧粉末涂層材料，在管線焊接后采用內涂層防腐處理技術進行內涂層防腐處理（圖10），并且形成光滑表面層以減少細菌附著。

圖10 內涂層處理后的管線圖

從抑制細菌生長，加強分離器工藝管線防腐角度出發，部分排采平臺試點在測試分離器上游泵注殺菌劑和緩蝕劑。在防腐劑的選擇上，采用高效非氧化性殺菌劑為主要成分的殺菌劑對SRB進行殺菌作用，防止SRB將SO42-轉化為H2S，造成對鋼材的腐蝕。對腐蝕的保護，是根據成膜時間和水／氣相流動的長效性因素設計緩蝕劑主要成分，在管線內壁形成緩蝕劑膜。

強化設備檢維修和使用過程監測和檢測，在基地檢修過程中對分離器進行全面的配管、筒體超聲波壁厚檢測、配管焊縫磁粉探傷、筒體焊縫探傷等檢測和安全評估工作；設備在現場使用過程中，易腐蝕和沖刷部位加密布點測厚，如分離器流體入口端，管線腐蝕沖刷嚴重的部位：彎頭、三通及油嘴下游等，根據井況定期開展管線壁厚監測工作，發現問題提前采取措施，確保安全生產，壁厚監測資料專人收集、整理，通過數據分析發現腐蝕規律。

4 效果評價

通過綜合采取上述防腐措施，目前已經完成兩臺分離器改造，并在威遠頁巖氣區塊投入應用，現場評價如下：①兩臺分離器分別使用4 905 h和5 257 h，未出現腐蝕刺漏現象，較以往測試分離器在頁巖氣平臺平均運行3 500 h即發生腐蝕穿孔或壁厚嚴重減薄的運行時長大為延長。②加注防腐劑和緩蝕劑后，由現場水質細菌含量檢測結果可知：分離器內部的細菌含量得到有效控制，硫酸鹽還原菌從10 000個／mL以上，下降到25～50個／mL之間，腐蝕得到控制并逐漸好轉。③通過超聲波漏磁檢測技術定期對分離器筒體及配管關鍵部位（如進口下彎處、進口上彎處、液路出口）進行壁厚檢測，長期持續跟蹤腐蝕狀況，兩臺測試分離器運行跟蹤點的壁厚未發生明顯的減薄。

5 結論

井筒返排介質中的硫酸鹽還原菌（SRB）是導致該區塊分離器工藝管線腐蝕穿孔的主要原因；工藝管線焊接處的不均勻和不規則表面加劇了硫酸鹽還原菌附著堆積；返排介質中的微量砂粒的沖刷作用加快了局部區域的腐蝕過程。

通過優化管線材質選擇、減少分離器工藝管線焊接點、提高焊接質量、管線內涂層防腐處理以及泵注殺菌劑和緩蝕劑、強化設備檢維修和使用過程監測和檢測等技術措施，實現了對分離器工藝管線腐蝕的有效控制，效果明顯。