金秋區塊致密氣微生物腐蝕控制措施研究及應用*

李 靜

(中國石油西南油氣田公司,四川 遂寧 629000)

腐蝕是極其復雜的化學、物理和生物過程綜合作用的結果,也是自然界非常普遍的一種現象,嚴重的腐蝕會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。其中,微生物腐蝕造成的經濟損失約占20%,通常也被定義為附著在材料表面的生物膜中微生物的生命活動導致的材料腐蝕或破壞[1-2]。一直以來,硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌(TGB)和鐵細菌(FB)等細菌是造成微生物腐蝕的主要原因,而金秋區塊致密氣產出水中又普遍存在SRB,TGB和FB等微生物,而且室內試驗也證明了其存在微生物腐蝕的風險。采用殺菌劑能夠防止這類微生物腐蝕的發生[3-4],從而也夯實金秋區塊致密氣安全平穩運行的基礎。

1 基本情況

長寧頁巖氣集氣管道從投產到失效,時間最短為4.5個月,最長為20.5個月,而CO2和SRB是造成頁巖氣集氣管道腐蝕穿孔的重要因素[5]。與開采頁巖氣相同,金秋區塊致密氣的開采也采用加砂壓裂技術,但是二者所產天然氣中CO2的含量大不相同,致密氣遠低于頁巖氣,且有凝析油存在。

為了吸取頁巖氣腐蝕控制經驗,該企業技術人員提前介入致密氣細菌腐蝕防治,從而保證致密氣生產平穩運行。

金秋區塊致密氣所產天然氣中CH4體積分數普遍在90%以上,不含H2S,CO2含量極低。含微量凝析油(質量濃度為14～20 g/m3),平均密度為0.76 g/cm3,動力黏度為0.56 mPa·s,屬于輕質油。產出水以返排液為主,水型為氯化鈣型,總礦化度為0.9～75.6 g/L,Cl-質量濃度為1.5～9.7 g/L,管網布局為井間串接與放射狀相結合。采氣管道采用氣液混輸、集氣干線采用氣液分輸,集氣站采用集中增壓脫水脫烴,根據地質及流體特征,主要采取平臺布井方式。外防腐采用“3PE+陰極保護”的聯合保護方式,管線陰極保護覆蓋率達到100%。

2 微生物濃度監測

2.1 產出水微生物濃度監測

自投產之日起,共計對29口單井、12座平臺連續加注殺菌緩蝕劑前的產出水中的SRB,FB和TGB三類微生物開展了168次濃度檢測,檢測結果表明:微生物存在率90.2%,微生物超標率75.6%(相關標準規定滿足以下任意條件即認定為超標:SRB濃度大于0;FB濃度大于10 000個/mL;TGB濃度大于10 000個/mL)。

根據檢測結果,產出水微生物濃度主要呈現出三種變化:

一是微生物濃度在超標和合格間變動。共計20口單井6座平臺,典型井站見表1。

表1 微生物濃度在超標和合格間典型井數據

二是微生物濃度合格。共計5口單井1座平臺,典型井站見表2。

表2 微生物濃度合格典型井數據

三是微生物濃度超標。共計2口單井3座平臺,典型井站見表3。

表3 微生物濃度超標典型井數據

2.2 微生物來源分析

針對檢測結果,積極開展微生物來源及濃度不規律變化分析。

微生物來源分析:在加砂壓裂過程中,隨著入井液的加入,也為各類微生物的存在及生長創造了條件,雖然現場配制壓裂液時也添加了相應殺菌劑,但是在生產階段產出水中仍然存在微生物濃度超標現象。

微生物濃度不規律變化:產出水微生物濃度受自身繁殖、溫度和水質等因素影響,從目前檢測結果來看,各平臺井產出水微生物濃度與入井液的多少、是否回用返排液、入井液是否超排無直接聯系,例如:某井入井液總量630 m3,微生物濃度檢測8次,超標6次,合格2次;某井入井液總量23 802.2 m3,微生物濃度檢測5次,超標2次,合格3次,分別見圖1和圖2。

圖1 微生物濃度(入井液總量630 m3)

圖2 微生物濃度(入井液總量23 802.2 m3)

3 微生物腐蝕控制措施研究

開展與致密氣腐蝕相關的室內試驗研究,研究凝析油對SRB生長的影響規律以及明確L245N鋼在凝析油存在條件下的微生物腐蝕規律,以指導腐蝕控制工作[6]。研究表明:凝析油的存在加速了SRB的衰亡,盡管對集輸管道的微生物腐蝕有一定的抑制作用;但在微生物作用下,集輸管道仍然存在一定的局部腐蝕風險。

3.1 微生物腐蝕風險評價

(1)投產初期:在高溫條件下,局部腐蝕現象更嚴重;在集氣管線的低洼、死角等易于積液且流速相對很低的部位可能存在微生物腐蝕穿孔的風險。

(2)穩定生產期:在低溫條件下,雖然凝析油能夠抑制SRB生長,但仍有一定的局部腐蝕;在集氣管線的低洼、死角等易于積液且流速相對較低的部位,可能存在一定的微生物腐蝕的風險。

(3)油管腐蝕預測:井下入口段的溫度接近投產初期溫度(40～60 ℃),油管材質為碳鋼,極有可能存在點蝕風險。

3.2 殺菌緩蝕劑評價

(1)藥劑篩選評價

目前,油氣田公司中應用較多的殺菌緩蝕劑有CT,CZ,TS和SL系列緩蝕劑等。針對金秋區塊致密氣微生物腐蝕現狀,篩選了CT系列非氧化性殺菌劑進行適應性評價。

CT系列殺菌劑與常用殺菌劑性能評價試驗結果見表4。試驗結果表明,CT系列殺菌劑殺菌性能優于其他常用殺菌劑。

表4 殺菌劑性能比較評價試驗結果

(2)CT系列殺菌緩蝕劑技術指標

CT系列殺菌劑主要技術指標見表5。

表5 CT系列殺菌緩蝕劑主要技術指標

(3)CT系列殺菌緩蝕劑配伍性評價

為了進一步評價天然氣研究院自主研發的CT系列殺菌緩蝕劑,將CT系列殺菌緩蝕劑加入到致密氣產出水中,根據前期評價結果,考慮到開采期集輸系統具有較重的局部腐蝕,所以需要進行重點控制。根據開采期的溫度區間,在35 ℃下恒溫靜置72 h后,觀察發現體系中液相無分層,且無沉淀生成,從而證明CT系列殺菌緩蝕劑與現場水配伍性良好。

(4)CT系列殺菌緩蝕劑殺菌效果評價

進一步評價兩類合成的CT系列殺菌緩蝕劑,結合油氣田1 000 mg/L的應用濃度,室內將藥劑評價濃度設置500 mg/L,加注藥劑24 h后,測試致密氣油水混合體系中的細菌濃度并與未加注藥劑的情況進行對比,結果見表6和7。兩類CT系列殺菌緩蝕劑都能夠取得較高的殺菌率,對SRB和TGB的殺菌率為100%,對FB的殺菌率也高于99%,都具有理想的殺菌效果。

表6 加入藥劑24 h后的細菌濃度

表7 藥劑殺菌率評價結果

(5)CT系列殺菌緩蝕劑緩蝕效果評價

在油水混合體系中加入以上兩類CT系列殺菌緩蝕劑,根據標準JB/T 7901—2001 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》,通常,在腐蝕環境相對穩定的條件下,腐蝕速率能夠在14天內逐漸趨于穩定。采氣管線和集氣管線材質L245N在水相中腐蝕14天后,測得的腐蝕速率見表8。經評價,CT系列殺菌緩蝕劑都具有較好的效果,試片腐蝕速率都低于0.1 mm/a,且有效抑制了L245N材質在水相中的點蝕現象。

表8 藥劑緩蝕效果評價結果

綜上所述,在金秋致密氣區塊的油水混合體系中,CT系列殺菌緩蝕劑能夠發揮理想的殺菌和緩蝕作用,可以滿足現場的腐蝕控制需求。

4 微生物腐蝕控制措施實施

4.1 工作思路

根據生產實際,形成了單井微生物監測→單井腐蝕控制→區塊整體微生物監測→區塊整體腐蝕控制→持續監測→持續優化調整防腐與監測方案的腐蝕控制工作思路。

根據微生物濃度監測結果,結合生產實際,對標腐蝕防護相關管理制度,編制致密氣腐蝕控制及監/檢測方案,并動態調整。

其中,腐蝕控制及監/檢測方案要求,參照NB/T 14002—2015《頁巖氣 儲層改造 第3部分:壓裂返排液回收和處理方法》,將加注殺菌緩蝕劑后的產出水SRB菌落控制到25個/mL以內,力爭控制到0,FB和TGB 控制在10 000個/mL以內;電化學腐蝕平均腐蝕速率控制在 0.076 mm/a以下,且沒有明顯的局部腐蝕發生。

如果滿足三種情況中的任一種出現,則立即進行殺菌緩蝕劑加注:SRB濃度大于0,FB濃度大于10 000個/mL,TGB濃度大于10 000個/mL。

4.1.1 產出水性質監/檢測

殺菌效果評定按照SY/T 0532—2012《油田注入水細菌分析方法 絕跡稀釋法》進行檢測, 如果滿足SRB在25個/mL以內,FB和TGB在 10 000個/mL以內,即證明合格。

4.1.2 微生物及鐵離子濃度監測

根據實際分為三類,第一類是未加注殺菌緩蝕劑和殺菌效果已穩定的氣井,以3個月為周期開展檢測;第二類是開始加注殺菌緩蝕劑的氣井,檢測周期調整為1個月,待連續三次檢測的微生物濃度均達標后,再將檢測周期調整回3個月;第三類是新投產井需在1個月內完成第一次取樣。

4.1.3 壁厚監測

對采氣管線和排污管線的彎頭、三通、焊縫周邊等部位開展超聲波測厚(周期1年),也可以根據生產實際及檢測結果動態調整檢測周期。

4.2 實施情況及效果

目前共有28口井已連續加注殺菌緩蝕劑,2022年對7口井水樣持續開展微生物濃度監測15次,其中,合格13次,合格率86.7%,微生物濃度整體得到有效控制,一般殺菌緩蝕劑加注后1～2月見效。

濃度超標出現2井次,一次是4號井2022年11月SRB濃度超標,采取稍微加大藥量后,2023年1月監測合格,見圖3;二次是5號井,藥劑加注前期曾出現FB濃度超標,后續監測結果均為合格,目前維持加注現狀,見圖4。

圖3 4號井微生物濃度監測

圖4 5號井微生物濃度監測

5 結論及建議

(1)金秋區塊致密氣產出水普遍存在腐蝕性較強的微生物。

(2)殺菌緩蝕劑加注后的生產井,水中微生物濃度控制到了極低水平,達到相關標準要求,腐蝕風險降低。

(3)隨著致密氣不斷開發,投產井數量也越來越多,鑒于目前監測手段單一,細菌濃度單次監測周期較長(取樣1～2天,分析7天),于是建議加快研發檢測精度高、下限低、周期短的快速檢測方法。

(4)目前腐蝕監測手段單一,除了定期開展易沖蝕/微生物腐蝕位置定點測厚及鐵離子濃度檢測外,尚未開展系統性的全面檢測,不能全面掌握井筒、站場工藝管線腐蝕現狀。建議:一是開展站場工藝管線全面檢測等;二是對細菌超標井開展井筒腐蝕檢測。

(5)由于通過清管可清除管線內積液和積污等,而微生物主要存在于液體中,因此加密清管可減少微生物對管線的腐蝕;但現有的清管方式需要工作人員到達現場并且需要多次倒換清管流程,工作量較大。建議在存在微生物腐蝕風險的管線,推廣使用清管自動收發球裝置,僅通過系統遠程控制裝置即可完成自動收發清管球,此舉可以大大提高清管效率。