頁巖氣田細(xì)菌腐蝕與控制技術(shù)研究及應(yīng)用

王月 袁曦 王彥然 楊建英 青松鑄

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中國石油集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗基地 4.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司

1 頁巖氣細(xì)菌腐蝕概況

在頁巖氣的生產(chǎn)過程中，細(xì)菌腐蝕問題一直是頁巖氣安全開發(fā)的一個重要影響因素。

美國Pinedale頁巖氣田自2001年投產(chǎn)初期就面臨細(xì)菌腐蝕問題，2009年用于微生物腐蝕控制的費(fèi)用大約200萬美元。 Haynesville頁巖氣田在3口井的3個井深處分別開展了腐蝕掛片試驗，獲得腐蝕掛片的均勻腐蝕速率為0.044 ～1.010 mm/a。掛片表面有垢層，細(xì)菌在垢層下繁殖，出現(xiàn)了中等到嚴(yán)重腐蝕級別的小孔腐蝕，腐蝕類型為CO2腐蝕、沖刷腐蝕和細(xì)菌腐蝕。川渝某頁巖氣平臺集氣管線投產(chǎn)后，在短時間內(nèi)發(fā)生穿孔失效。分析失效管段認(rèn)為，集氣管線的穿孔失效是多種因素共同作用的結(jié)果，CO2、硫酸鹽還原菌腐蝕是造成管道腐蝕穿孔的重要原因[1-3]。

通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，考查了細(xì)菌對金屬材料的影響，并對川渝某頁巖氣田生產(chǎn)整個流程的一系列水樣開展了細(xì)菌測量，對細(xì)菌來源進(jìn)行了溯源研究，并提出了細(xì)菌腐蝕控制對策。

2 細(xì)菌對金屬材料的影響

2.1 試驗內(nèi)容

對腐蝕產(chǎn)生影響的微生物主要有硫酸鹽還原菌(SRB)、鐵細(xì)菌(FB)、產(chǎn)酸菌等[4-5]。根據(jù)川渝某頁巖氣田集輸管線的輸氣溫度、氣質(zhì)、材質(zhì)、細(xì)菌情況等，針對SRB進(jìn)行了細(xì)菌腐蝕的室內(nèi)模擬實(shí)驗。

2.2 SRB腐蝕室內(nèi)比對實(shí)驗

取某頁巖氣平臺返排液1#進(jìn)行細(xì)菌比對實(shí)驗。實(shí)驗分為4組，2組水樣趕氧后，通入飽和CO2，溫度40 ℃，材質(zhì)L360N，掛片7天。另2組水樣趕氧后，注入5×105個/mL SRB，通入飽和CO2，溫度40 ℃，掛片7天。實(shí)驗結(jié)果見圖1。從圖1可知，注入SRB的試片腐蝕速率明顯加快，并且試片局部表面聚集了大量的SRB菌落。這說明SRB會明顯增大腐蝕速率。

2.3 不同含量的SRB腐蝕室內(nèi)模擬實(shí)驗

取某頁巖氣平臺返排液2#進(jìn)行細(xì)菌腐蝕實(shí)驗。模擬現(xiàn)場環(huán)境，溫度35 ℃，CO2分壓0.1 MPa，材質(zhì)L245N，掛片30天。實(shí)驗結(jié)果見表1。從表1可知，隨著SRB含量的增大，腐蝕速率明顯增大。

表1 SRB不同含量下的腐蝕速率編號SRB含量/(個·mL-1)腐蝕速率/(mm·a-1)材質(zhì)12.5×1000.174 122.5×1000.250 432.5×1020.834 242.5×1020.828 3L245N

SRB在CO2的協(xié)同作用下，會明顯加速金屬材質(zhì)的腐蝕。

3 頁巖氣田細(xì)菌溯源分析

控制細(xì)菌需要找到細(xì)菌來源，從源頭上進(jìn)行控制，減小后期處理難度。

3.1 實(shí)驗內(nèi)容

按SY/T 0532-2012《油田注入水細(xì)菌分析方法絕跡稀釋法》，在現(xiàn)場取樣后，立即進(jìn)行7級稀釋處理，處理后的測試瓶于35 ℃恒溫培養(yǎng)7天后計數(shù)。

3.2 某頁巖氣田相關(guān)液體細(xì)菌分析

頁巖氣田的液體主要來自3個方面：壓裂液、配制壓裂液的水源、配制壓裂液的藥劑。因此，對這3種液體進(jìn)行細(xì)菌測試。

3.2.1壓裂液細(xì)菌分析

對川渝某頁巖氣田抽檢壓裂液進(jìn)行SRB細(xì)菌測試，結(jié)果見表2。根據(jù)SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法》，SRB含量應(yīng)控制在25個/mL內(nèi)。由表2可見，壓裂液特別是不含殺菌劑配方的壓裂液中的SRB含量嚴(yán)重超標(biāo)。

表2 壓裂液細(xì)菌含量樣品名稱取樣平臺取樣位置配液用水SRB含量/(個·mL-1)備注壓裂液A混砂車河水25.0×104配方不含殺菌劑壓裂液B混砂車返排液>110.0×104配方不含殺菌劑壓裂液C混砂車河水2.5配方含殺菌劑壓裂液D混砂車返排液6.0×103配方含殺菌劑

3.2.2配制壓裂液的水源細(xì)菌分析

對川渝某頁巖氣田壓裂液的配制用水源進(jìn)行SRB測試，結(jié)果見表3。由表3可見，配制壓裂液的水源均存在SRB，特別是回用返排液的SRB含量嚴(yán)重超標(biāo)。

表3 壓裂液配制水源細(xì)菌含量樣品名稱SRB含量/(個·mL-1)河水25.0×100返排液6.0×103返排液+河水25.0×103

3.2.3配制壓裂液的藥劑細(xì)菌分析

對川渝某頁巖氣田壓裂液配方藥劑進(jìn)行SRB測試，結(jié)果見表4。由表4可見，壓裂液配方藥劑用返排液調(diào)制后，SRB含量嚴(yán)重超標(biāo)。

表4 壓裂液配方藥劑單劑細(xì)菌含量樣品名稱SRB含量/(個·mL-1)備注金屬減阻劑70.0×104用返排液調(diào)制后胍膠110.0×103用返排液調(diào)制后

綜上所述，在頁巖氣田開發(fā)過程中，細(xì)菌主要來源于周邊環(huán)境。由于這些周邊環(huán)境攜帶有腐蝕性細(xì)菌，而壓裂液中膠液、滑溜水等成分及有機(jī)物又可為細(xì)菌生長提供營養(yǎng)，這些液體攜帶的腐蝕性細(xì)菌在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中不斷繁殖，導(dǎo)致SRB這類腐蝕性細(xì)菌在頁巖氣田的油管及集輸系統(tǒng)富集，協(xié)同環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)，加速腐蝕，最終導(dǎo)致管線穿孔失效。

4 頁巖氣田細(xì)菌控制措施

根據(jù)頁巖氣田開發(fā)流程可將細(xì)菌全流程控制分為壓裂液細(xì)菌控制和返排液細(xì)菌控制兩個部分。壓裂液細(xì)菌控制主要是通過控制入井流體細(xì)菌含量，減小井筒中的細(xì)菌腐蝕。返排液細(xì)菌控制主要是通過控制進(jìn)入集輸管線液體的細(xì)菌含量，減小集輸管線中的細(xì)菌腐蝕。

4.1 壓裂液細(xì)菌控制

壓裂液細(xì)菌的控制步驟如下：

(1) 采用含殺菌配方的壓裂液。

(2) 對壓裂液用水特別是多次回用的返排液殺菌處理后回用。

(3) 入井流體在入井前采用物理或化學(xué)的方式進(jìn)行殺菌。

4.2 返排液細(xì)菌控制

返排液細(xì)菌控制應(yīng)先對返排液進(jìn)行細(xì)菌監(jiān)測，對會給金屬造成腐蝕的大量SRB等細(xì)菌的區(qū)域?qū)嵤⒕幚碜鳂I(yè)，形成細(xì)菌控制方案并及時根據(jù)周期性細(xì)菌監(jiān)測評定細(xì)菌控制效果，保持或調(diào)整控制方案。作業(yè)流程如圖2所示。

4.3 現(xiàn)場試驗

4.3.1試驗方案

(1) 壓裂液采用含殺菌劑的配方，并對壓裂液用水殺菌處理后再使用。

(2) 返排液采用篩選評價出的高效殺菌劑CT10-4，采用沖擊式加注方式，3天加注一次，直至細(xì)菌被全部殺滅為止，持續(xù)監(jiān)測SRB含量。

4.3.2實(shí)施效果

(1) 返排液外觀變化。通過連續(xù)觀察返排液顏色的變化，可以確定CT10-4殺菌劑對A平臺返排液殺菌效果良好，加注后返排液明顯變清澈(見圖3)。

(2) 殺菌效果。通過加注CT10-4殺菌劑，A平臺返排液SRB細(xì)菌很快被完全殺滅，殺菌劑現(xiàn)場應(yīng)用效果良好(見表5)。由表5可見：在第2次加注殺菌劑后，返排液中的SRB被完全殺滅，殺菌率達(dá)到了100%；CT10-4殺菌劑對A平臺返排液殺菌效果良好且持續(xù)有效，停止加藥后，持續(xù)有效期達(dá)28天。

表5 SRB含量變化加注次數(shù)加注日期取樣日期SRB含量/(個·mL-1)控制指標(biāo)/(個·mL-1)合格情況備注未加注未加注3.7250 000≤25超標(biāo)第1次3.73.8250≤25超標(biāo)殺菌率99.9%3.90≤25合格殺菌率100%3.102 500≤25超標(biāo)可能為帶有SRB的返排液從井底巖縫中滲出,并返排至地面第2次3.103.110≤25合格殺菌率100%3.120≤25合格殺菌率100%3.130≤25合格殺菌率100%第3次3.133.140≤25合格殺菌率100%3.150≤25合格殺菌率100%3.160≤25合格殺菌率100%第4次3.163.170≤25合格殺菌率100%3.180≤25合格殺菌率100%3.190≤25合格殺菌率100%第5次3.193.200≤25合格殺菌率100%3.210≤25合格殺菌率100%3.220≤25合格殺菌率100%未加注4.1625≤25合格停止加注殺菌劑第28天 7.16600≤25超標(biāo)停止加注殺菌劑第119天 8.186 000≤25超標(biāo)停止加注殺菌劑第152天

5 結(jié)論

(1) SRB在CO2協(xié)同作用下會明顯加速金屬材質(zhì)的腐蝕。

(2) 在頁巖氣田開發(fā)過程中，細(xì)菌主要來源于周邊環(huán)境(井場周邊的河流、湖泊、水庫、池塘)以及回用于壓裂液的周邊井場返排液。

(3) CT10-4殺菌劑對A平臺返排液殺菌效果良好且持續(xù)有效，停止加藥后，持續(xù)有效期達(dá)28天。