吳貴陽(yáng) 王俊力 袁曦 許多林

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦

目前，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，如集輸系統(tǒng)出現(xiàn)的嚴(yán)重腐蝕穿孔和油管腐蝕[1-2]。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)采用大規(guī)模水力壓裂技術(shù)[3-5]，其是基于一種叫做水力壓裂的系統(tǒng)，它由直井和水平井系統(tǒng)組成[6]，即采用水力壓裂對(duì)含頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行改造，以提高儲(chǔ)層滲透率和氣井產(chǎn)量[7-8]。其中，壓裂液由水、砂和各種化學(xué)物質(zhì)等組成[9]，壓裂返排液中含有的細(xì)菌、礦物質(zhì)、有機(jī)物及采出天然氣中含有的CO2等會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)分析，腐蝕的主要因素有砂[10]、硫酸鹽還原菌(SRB)[2]、O2[11]、Cl-，以及多因素下的協(xié)同作用等[12]。有學(xué)者認(rèn)為：CO2/O2的頁(yè)巖氣返排水環(huán)境會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的垢下腐蝕；SRB對(duì)腐蝕的影響較大，但目前并未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。由于頁(yè)巖氣開(kāi)采不同階段呈現(xiàn)不同的腐蝕形貌，不同階段的腐蝕主控因素也未見(jiàn)報(bào)道。本研究針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的不同階段，分析不同階段的腐蝕因素，并通過(guò)室內(nèi)模擬研究了不同階段腐蝕行為及規(guī)律，考查了砂及細(xì)菌條件下集輸系統(tǒng)的腐蝕行為，提出有針對(duì)性的腐蝕應(yīng)對(duì)錯(cuò)施。

1 腐蝕主控因素研究

1.1 腐蝕因素分析

1.1.1頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)分區(qū)及腐蝕特征

頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)一般分為4個(gè)區(qū)域：①井口至除砂器；②除砂器至分離器；③排污及進(jìn)出站管線；④站外埋地管線。其示意圖如圖1所示。腐蝕易出現(xiàn)部位發(fā)生在除砂器至分離器區(qū)域及站外埋地管線等區(qū)域，且除砂器至分離器區(qū)域腐蝕失效表現(xiàn)為砂蝕穿孔及腐蝕刺漏等腐蝕特征，站外埋地管線主要表觀為局部點(diǎn)蝕穿孔。失效形貌如圖2所示。

1.1.2頁(yè)巖氣腐蝕因素及分析

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)一般分為兩個(gè)階段，即一個(gè)排采期(半年)和一個(gè)生產(chǎn)期。采用聲波式非侵入式砂監(jiān)測(cè)儀測(cè)得排采期出砂量為64～86 g/s；進(jìn)入生產(chǎn)期半年以內(nèi)，井口至除砂器出砂量為0.01～0.14 g/s，除砂器至分離器出砂量為0.01～0.02 g/s；進(jìn)入生產(chǎn)期半年以后，各個(gè)區(qū)域基本測(cè)不出砂。總體呈現(xiàn)出前期高出砂，后期出砂量急劇降低的特征。因此，根據(jù)出砂量不同，將生產(chǎn)期分為兩個(gè)階段：進(jìn)入生產(chǎn)期半年內(nèi)和進(jìn)入生產(chǎn)期半年后。

從頁(yè)巖氣氣質(zhì)分析結(jié)果可知，CH4的摩爾分?jǐn)?shù)一般大于98%，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)一般小于0.5%，最高可達(dá)3%，不存在H2S。對(duì)壓裂液和壓裂返排液的分析結(jié)果表明，壓裂返排液pH值為6.0～7.5，ρ(SO42-)在500 mg/L以內(nèi)，ρ(Cl-)在10 000～30 000 mg/L，礦化度在10 000～50 000 mg/L。壓裂液及壓裂返排液中含有SRB，檢測(cè)的平臺(tái)井中SRB最高含量為110×104個(gè)/mL，高于NB/T 14002.3-2015《頁(yè)巖氣 儲(chǔ)層改造 第3部分:壓裂返排液回收和處理方法》中規(guī)定的25個(gè)/mL。

另一方面，頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)不同階段不同位置管線內(nèi)氣液流速也不相同，排采期場(chǎng)站管線氣液流速最高可達(dá)18 m/s，生產(chǎn)期場(chǎng)站管線流速2～4 m/s，集氣管線氣體流速2～3 m/s，液體流速低于0.5 m/s。

綜合以上分析可知，排采前期由于放壓生產(chǎn)，出砂量較大，由現(xiàn)場(chǎng)腐蝕形貌可知，腐蝕主要表現(xiàn)為砂的沖刷腐蝕，腐蝕主要發(fā)生在砂含量較大的排污及流態(tài)變化較大的彎頭、三通等位置；生產(chǎn)階段的兩階段(進(jìn)入生產(chǎn)期半年以內(nèi)和進(jìn)入生產(chǎn)期半年以后)，前一階段少量出砂，腐蝕則主要為積砂、積液下的腐蝕，后一階段腐蝕以積液下的腐蝕為主，其主要發(fā)生在排污彎頭、出站爬坡及低洼位置。此外，排采期砂礫的沖蝕起主要作用，腐蝕因素主要為砂含量、砂的粒徑、砂的流速、砂的攻角、砂的硬度等；生產(chǎn)期逐漸由砂的沖蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榉e砂條件下的腐蝕及積液條件下的腐蝕，腐蝕因素主要為CO2、Cl-、砂、垢以及細(xì)菌等。

1.2 腐蝕行為研究

1.2.1排采期高含砂排污及高流速管線砂蝕行為

在排采期高出砂階段，現(xiàn)場(chǎng)用的一個(gè)堵頭20天內(nèi)減薄了42.73 mm?，F(xiàn)場(chǎng)條件為壓力20～30 MPa、溫度40～50 ℃、砂量64 g/s、流速15～18 m/s、日產(chǎn)水量100 m3。生產(chǎn)期前期砂量較大的排污彎頭同樣出現(xiàn)較大的沖蝕現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況見(jiàn)圖3。

由圖4可知，生產(chǎn)期前期腐蝕產(chǎn)物主要為SiO2、FeOOH、FeCO3，SiO2為介質(zhì)中砂的主要成分，F(xiàn)eCO3為CO2的腐蝕產(chǎn)物。由此可知，腐蝕與砂及CO2有關(guān)。為了研究?jī)烧呦嗷プ饔玫母g行為，考查了砂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為1%～7%、攻角為30°～90°、流速為5～18 m/s對(duì)砂蝕的影響規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖5～圖8。由圖5和圖6可知，隨著砂含量的增加，在砂含量為5%～7%時(shí)，減薄速率有一個(gè)快速上升的趨勢(shì)；砂含量為1%時(shí)，材料沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的顆粒撞擊的壓痕，只出現(xiàn)局部剝落，呈現(xiàn)出以腐蝕為主的損傷痕跡。SEM結(jié)果顯示，表面主要以O(shè)和Fe元素為主。這表明：試樣表面覆蓋著碳酸亞鐵膜；隨著砂量的增加，加劇了材料表面的力學(xué)損傷，破壞了表面碳酸亞鐵膜的完整性，裸露出金屬基體；砂含量為7%時(shí)，SEM顯示金屬基體本征元素。由此可知，腐蝕存在電化學(xué)腐蝕和沖蝕競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在砂含量低的條件下，腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，在砂含量高的條件下則以機(jī)械沖蝕為主。

由圖7可知，在砂含量為5%、攻角為90°的條件下，通過(guò)不同流速實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，損傷隨流速增大呈線性增長(zhǎng)，且5～18 m/s流速均處在材料的臨界流速之上。從腐蝕形貌觀察，其損傷形式類似，表面均分布密度蝕坑，且均為典型的正應(yīng)力作用下的壓痕蝕坑。原因在于顆粒撞擊材料表面的速度可以分為正向速度分量和切向速度分量，高攻角條件下的正向速度分量大于切向速度分量，90°時(shí)為正向速度分量，撞擊到材料表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯冸x材料的能量。因此，速度越大，剝離能力越強(qiáng)，當(dāng)速度不足以提供剝離材料表面產(chǎn)物膜的能量時(shí)，腐蝕主要呈現(xiàn)電化學(xué)腐蝕特征，顆粒撞擊損傷減弱。此外，液體的流動(dòng)也有利于傳質(zhì)，從而有利于電化學(xué)腐蝕進(jìn)程，電化學(xué)腐蝕與沖蝕相互促進(jìn)。

由圖8可知，在砂含量5%、流速8 m/s、不同攻角實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)現(xiàn)，60°損傷較其他攻角條件低，從形貌觀察到呈現(xiàn)長(zhǎng)的塑性犁削形劃痕，劃痕方向與流向一至，隨角度增大，劃痕彎短。在高攻角條件下，正應(yīng)力占據(jù)支配地位，隨著角度的降低，切應(yīng)力會(huì)逐漸占據(jù)支配地位。另一方面，攻角對(duì)材料質(zhì)量損失的影響還依賴于材料的屬性[13]，通常來(lái)說(shuō)，犁削作用在小攻角沖擊作用下對(duì)延展性材料造成的損傷更加明顯。

1.2.2砂沉積及積液管線腐蝕行為

隨著出砂量降低及流速降低，集輸系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)砂沉積及積液，腐蝕由開(kāi)始的沖刷腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榉e液及積砂條件下的腐蝕。在埋地外輸失效管線的腐蝕產(chǎn)物中檢測(cè)到FeS，說(shuō)明SRB參與了腐蝕過(guò)程(見(jiàn)圖9)。

針對(duì)生產(chǎn)期積砂及積液下的電化學(xué)及細(xì)菌腐蝕，開(kāi)展了砂沉積條件下及細(xì)菌存在條件下的腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。由圖10可知，局部砂沉積會(huì)造成管線腐蝕速率加劇，原因在于砂沉積影響腐蝕介質(zhì)傳遞，形成阻塞電池，加速腐蝕。因此，對(duì)于積砂較多的設(shè)備應(yīng)定期開(kāi)展清洗。

此外，壓裂返排液中檢測(cè)到FB、TGB、SRB，SRB發(fā)生成膜后腐蝕速率迅速增加，F(xiàn)B、TGB等也會(huì)不同程度地對(duì)腐蝕產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立細(xì)菌于試片表面成膜的腐蝕評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用此方法模擬了細(xì)菌成膜后，管線材質(zhì)在工況條件下的腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果(見(jiàn)圖11～圖13)。由圖11～圖13可知，細(xì)菌的富集是造成點(diǎn)蝕加速的原因之一，而且使用培養(yǎng)基預(yù)培養(yǎng)SRB腐蝕性較大，點(diǎn)腐蝕速率最高可達(dá)5.86 mm/a。

SRB的富集促進(jìn)細(xì)菌生物膜的形成，硫酸鹽陰極還原將消耗陽(yáng)極鐵溶解釋放出來(lái)的電子，生物膜和金屬的界面是催化硫酸鹽還原陽(yáng)極和陰極的反應(yīng)場(chǎng)所[14]。

2 腐蝕控制對(duì)策及應(yīng)用效果

(1) 含砂介質(zhì)條件下的腐蝕控制對(duì)策。針對(duì)頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)砂蝕可以從兩方面進(jìn)行腐蝕控制。一是材料控制：在生產(chǎn)階段合理考慮沖蝕裕量，彎頭迎沖面加厚及采用方彎頭等措施，對(duì)除砂器排液管線彎頭、分離器排液管線彎頭及除砂器下游天然氣管線彎頭等易出現(xiàn)沖蝕穿孔部位，可選用內(nèi)襯陶瓷材料制成的內(nèi)襯陶瓷彎頭、內(nèi)襯陶瓷三通等耐沖蝕部件。二是防腐工藝控制：通過(guò)提高除砂器與分離器的清洗頻率、使用高效除砂器、增加二級(jí)分離器等手段控制。目前，排采階段用大型旋流除砂器，除砂效果可達(dá)到91%以上。

(2) 積砂積液條件下的腐蝕控制對(duì)策。針對(duì)細(xì)菌富集及CO2電化學(xué)腐蝕，可采用加注泵連續(xù)加注殺菌緩蝕劑的方式。殺菌緩蝕劑使用過(guò)程中為了避免細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性，應(yīng)及時(shí)更換不同類型的殺菌緩蝕劑，建議每季度更換一次。

(3) 應(yīng)用效果。目前，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊已普遍采用上述腐蝕控制對(duì)策，如2019年7月8日，用三節(jié)氧化鋯陶瓷彎頭材料于頁(yè)巖氣地面流程，分別位于井口至除砂器、除砂器至分離器、分離器排污管線，截至2021年5月，未發(fā)生失效情況。平臺(tái)彎頭處采用壁厚較大的方彎頭設(shè)計(jì)，平臺(tái)因砂沖蝕的失效，從原來(lái)的117余次沖蝕失效降至8余次，失效率降低93%；頁(yè)巖氣集氣管線加注殺菌緩蝕劑控制SRB小于25 個(gè)/mL，管線失效由原來(lái)半年8次穿孔失效降至0次，未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)生的失效。

3 結(jié)論

(1) 頁(yè)巖氣氣田開(kāi)發(fā)前期由于放壓生產(chǎn)，出砂量較大，流速較高，腐蝕以沖刷腐蝕為主，砂為主要腐蝕因素；進(jìn)入生產(chǎn)期后，則以積砂和積液下的電化學(xué)及細(xì)菌腐蝕為主，CO2及細(xì)菌為主要腐蝕因素。

(2) 排采期腐蝕特征主要為砂沖蝕溝槽形貌，以砂蝕穿孔為主要特征，生產(chǎn)期腐蝕特征則主要為局部腐蝕形貌，以局部點(diǎn)蝕穿孔為主要特征。

(3) 排采期采用高效旋風(fēng)除砂器，生產(chǎn)期采用耐沖蝕材料、合理考慮沖蝕余量和加注殺菌緩蝕劑可有效控制頁(yè)巖氣集輸系統(tǒng)的腐蝕，可使失效降低90%以上。