謝明1.2.3 吳貴陽1.2.3 王月1.2.3

1.中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院；

2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心；

3.中國石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地

摘 要： 長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)開發(fā)過程中返排液細(xì)菌超標(biāo)問題表現(xiàn)明顯，而細(xì)菌在適宜環(huán)境中聚集繁殖將對(duì)集輸系統(tǒng)金屬材料造成腐蝕。比較了N80S、 N80、 BG90SS、 L245N、 L360NS五種金屬材料在頁巖氣返排液中的腐蝕狀況，考察了常壓及高壓環(huán)境對(duì)每種金屬材料的腐蝕影響。結(jié)果表明：金屬材料在有菌環(huán)境中腐蝕速率高于無菌環(huán)境，而壓力變化對(duì)腐蝕速率有一定影響。

關(guān)鍵詞： 頁巖氣；返排液；金屬材料；細(xì)菌腐蝕

目前， 長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)主要使用大規(guī)模體積壓裂施工工藝，水平井壓裂液用量高達(dá)3×10 4～4×10 4m 3/井，壓裂返排液量達(dá)1×104～2×104m3/井。根據(jù)NB/T 14002.3―2015《頁巖氣 儲(chǔ)層改造 第3部分：壓裂返排液回收和處理方法》中壓裂返排液回用水指標(biāo)要求，對(duì)長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)返排液開展細(xì)菌濃度測(cè)試分析，結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，長寧頁巖氣返排液中鐵細(xì)菌濃度均小于100個(gè)/mL，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而大部分返排液樣本中硫酸鹽還原菌濃度超標(biāo)，最高可達(dá)6 000個(gè)/mL，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25個(gè)/mL以內(nèi)。威遠(yuǎn)頁巖氣返排液中鐵細(xì)菌濃度部分超標(biāo)，最高可達(dá)6 000個(gè)/mL，而硫酸鹽還原菌濃度均超標(biāo)，最高可達(dá)25 000個(gè)/mL。

采氣過程中，頁巖氣集輸系統(tǒng)低洼處極易積液積垢，若未定期開展清管作業(yè)，該部位細(xì)菌快速聚集繁殖，短時(shí)間內(nèi)即會(huì)造成管線腐蝕穿孔[1]。某頁巖氣管線投運(yùn)兩年，多處低洼位置壁厚嚴(yán)重減薄，減薄量達(dá)到3 ~5 mm。兩處低洼位置腐蝕穿孔，且多為點(diǎn)蝕，如圖 1所示。對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)鐵的硫化物Fe2S2、 Fe4S4及硫酸鹽還原菌的養(yǎng)份FeSO4，而頁巖氣H2S含量為零，表明硫酸鹽還原菌為腐蝕的原因之一[2]。

圖 1  管線腐蝕形貌

為進(jìn)一步明確N80S、 N80、 BG90SS、 L245N、L360NS五種金屬材料在頁巖氣返排液中的腐蝕狀況，根據(jù)JB/T 7901―1999《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》與SY/T 0532―2012《油田注入水細(xì)菌分析方法 絕跡稀釋法》，開展現(xiàn)場(chǎng)返排液無菌/有菌環(huán)境中及常壓/高壓條件下的腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

常壓：現(xiàn)場(chǎng)返排液650 mL：MgSO4濃度0.04 125 g/L、 CaCI 2濃度2.2 977 g/L、 NaCl濃度32.0 346 g/L、 NaHCO3濃度0.436 548 g/L。硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、試片、掛具、廣口瓶、恒溫水浴鍋。高 壓 ： 現(xiàn) 場(chǎng) 返 排 液 3 2 5 0 m L ： M g S O 4濃 度0.04 125 g/L、 CaCI 2濃度2.2 977 g/L、 NaCl濃度32.0 346 g/L、 NaHCO3濃度0.436 548 g/L。硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、試片、掛具、反應(yīng)釜。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

常壓：配置所需溶液，分別裝入已標(biāo)記好的多個(gè)廣口瓶中。將試片清洗干凈并稱重，固定在掛具上，置于廣口瓶溶液內(nèi)。將溶液內(nèi)氧氣驅(qū)除，通入一定量二氧化碳后，置于恒溫水浴鍋中，升溫至反應(yīng)溫度。恒溫168 h，取出試片并清洗稱重，計(jì)算腐蝕失重及腐蝕速率。

高壓：配置所需溶液，分次裝入反應(yīng)釜中。將試片清洗干凈并稱重，固定在掛具上，置于反應(yīng)釜溶液內(nèi)。將溶液內(nèi)氧氣驅(qū)除，通入一定量二氧化碳后，將反應(yīng)釜升溫至反應(yīng)溫度，同時(shí)升壓至反應(yīng)壓力。恒溫恒壓168 h，取出試片并清洗稱重，計(jì)算腐蝕失重及腐蝕速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 常壓條件下頁巖氣返排液對(duì)金屬材料的腐蝕影響往配置溶液中同時(shí)加入硫酸鹽還原菌1×10 6個(gè)和鐵細(xì)菌1×106個(gè)，在40℃、 0 MPa環(huán)境中恒溫168 h，考察有菌/無菌環(huán)境中五種金屬材料的腐蝕狀況，如表 1所示。

根據(jù)NACE RP0775― 2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析》，從表 1可以看出：①N80S在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.136 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.28倍，均屬于嚴(yán)重腐蝕。②N80在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.042 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.10倍，均屬于中等腐蝕。③BG90SS在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.062 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的2.63倍，分別屬于中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。④L245N在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.091 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.45倍，分別屬于中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。⑤L360NS在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.043 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.98倍，均屬于中度腐蝕。試片表面為均勻腐蝕，部分存在點(diǎn)蝕，如圖 2所示。

圖2  N80S試片腐蝕形貌（常壓）

2.2 高壓條件下頁巖氣返排液對(duì)金屬材料的腐蝕影響

往配置溶液中同時(shí)加入硫酸鹽還原菌1×106個(gè)和鐵細(xì)菌1×106個(gè)，在40 ℃、 6 MPa環(huán)境中恒溫168 h，考察有菌/無菌環(huán)境中五種金屬材料的腐蝕狀況，如表 2所示。

根據(jù)NACE RP0775―2005，從表 2可以看出：①N80S在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.021 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的8.48倍，分別屬于輕度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。②N80在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.114 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.31倍，分別屬于中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。③BG90SS在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.102 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.41倍，分別屬于中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。④L245N在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.023 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的9.65倍，分別屬于中度腐蝕和嚴(yán)重腐蝕。⑤L360NS在無菌環(huán)境中腐蝕速率為0.128 mm/a，有菌環(huán)境中的腐蝕速率是無細(xì)菌環(huán)境中的1.71倍。均屬于嚴(yán)重腐蝕。試片表面為均勻腐蝕，部分存在點(diǎn)蝕，如圖 3所示。

圖3  N80S試片腐蝕形貌（高壓）

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了N80S、 N80、 BG90SS、 L245N、L360NS五種金屬材料在頁巖氣返排液無菌/有菌環(huán)境中及常壓/高壓條件下的腐蝕狀況，結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）常壓及高壓條件下，頁巖氣返排液有菌環(huán)境中金屬材料腐蝕速率均高于無菌環(huán)境。

（2） N80S常壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率高于高壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率，而常壓有菌環(huán)境中的腐蝕速率與高壓有菌環(huán)境中腐蝕速率相近。 N80常壓有/無菌環(huán)境中的腐蝕速率相近，高壓有/無菌環(huán)境中的腐蝕速率相近，且高壓環(huán)境中腐蝕速率變大。 BG90SS在高壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率高于常壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率，而高壓有菌環(huán)境中的腐蝕速率低于常壓有菌環(huán)境中的腐蝕速率。 L245N在高壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率低于常壓無菌環(huán)境中的腐蝕速率，而高壓有菌環(huán)境中的腐蝕速率高于常壓有菌環(huán)境中的腐蝕速率。L360NS在高壓有/無菌環(huán)境中的腐蝕速率均高于常壓有/無菌環(huán)境中的腐蝕速率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李家俊，劉玉民，張香文，等. 油田回注水中硫酸鹽還原菌對(duì)金屬腐蝕的機(jī)理及其防治方法[J].工業(yè)水處理， 2007， 27（11）： 4-6.

[2]黃金營，魏紅飚，金丹，等. 抑制油田生產(chǎn)系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌的方法[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù)，2005， 22（6）： 48-50.

[3]魏利，馬放，劉廣民，等. 二氧化氯用于油田注水系統(tǒng)殺菌的試驗(yàn)[J]. 給水排水， 2006 ， 32（4）：51-53.

項(xiàng)目來源：中國石油西南油氣田分公司2018年科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣集輸系統(tǒng)腐蝕原因、控制措施及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究（20180305-11）”。

四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司2018年科技現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)項(xiàng)目“2018年長寧壓裂液與返排液細(xì)菌濃度分析控制及跟蹤評(píng)價(jià)（20180501-06）”。

作者：謝明，男，工程師，目前主要從事頁巖氣腐蝕與防護(hù)工作。