渤海油田注水井油套管的腐蚀机理

2023-08-20王桂萍

腐蚀与防护 2023年6期

谢涛,林海,徐鲲,闫伟,王桂萍

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司海洋石油高效开发国家重点实验室,天津 300459;2.中国石油大学(北京),北京 102249)

注水开发是渤海油田长期稳产的基础,由于水质复杂,井下环境不断变化,渤海油田部分注水井出现了腐蚀结垢的现象。由于地层堵塞,导致注水井压力偏高,地层能量得不到及时补充,制约了实际注水的进度和效率[1-5]。渤海绥中区域注水井现场统计数据表明,注水井套管内外壁均存在腐蚀损伤,容易导致管柱穿孔而降低套管的使用寿命。

注水井腐蚀受诸多因素影响,主要有游离CO2、H2S、硫酸盐还原菌、溶解氧等化学因素,同时还受污垢、温度、流速及矿化度等外界因素的影响[6-7]。国内外学者通过对水井(注水井和水源井)垢下腐蚀、氯离子腐蚀、CO2和H2S腐蚀防护进行研究,认为微生物腐蚀是注水井腐蚀的重要问题[8-11],对于其机理研究虽取得了较为系统的认识,但注水井的管柱腐蚀穿孔和管柱腐蚀失效问题仍未得到有效控制。

笔者基于渤海绥中区域实际的注水井腐蚀环境,结合注水井水质分析,系统分析细菌类型,明确注水井和管柱腐蚀的主控因素,为该油田注水井套管设计提供理论基础,并制定合理有效的防腐蚀措施。

1 试验

1.1 注水井水质与细菌类型分析

表1 两个平台水样的离子含量及矿化度

采用宏基组测序技术对注水井微生物分子进行生物学分析,两平台水样中均检测出大量的微生物,虽然水样离子成分接近,但是微生物类型和数量差距很大。J平台水样以硫酸盐还原菌(SRB)为主,H平台水样以铁氧化细菌(IOB)为主。

1.2 试验条件及过程

1.2.1 微生物腐蚀性评估

观察N80钢在含不同微生物的H和J平台现场水模拟溶液中的微生物腐蚀形貌,以评估不同微生物的腐蚀性,试验溶液分别为含SRB、含IOB和SRB、IOB共生的现场水模拟溶液。

1.2.2 微生物种群信息

采用的SRB和IOB是在H和J平台现场水样中富集培养获得。SRB为厌氧培养,IOB为好氧培养。SRB培养基为:3.5 mL 70%(质量分数)乳酸钠、0.5 g磷酸二氢钾、1.0 g氯化铵、0.1 g氯化钙、0.5 g硫酸钠、2.0 g硫酸镁、1.0 g酵母粉、1 000 mL去离子水。IOB培养基为:0.5 g硫酸铵、0.2 g六水氯化钙、0.5 g磷酸氢二钾、0.5 g七水硫酸镁、0.5 g硝酸钠、6.0 g柠檬酸铁铵、1 000 mL去离子水。在SRB和IOB培养基配制完成后,将其置于121 ℃,0.134 MPa的高压锅里进行高温高压灭菌20 min。

以上微生物也在现场水模拟溶液中进行富营养培养,在现场模拟水溶液中加入3.5 mL 70%乳酸钠作为微生物碳源来维持代谢过程。富营养现场水模拟溶液灭菌方式与培养基相同。在溶液温度降至室温后,缓慢通入氮气至SRB培养基和用于SRB生长的富营养现场水模拟液中1 h,以消除溶液中的溶解氧。将溶液和SRB细菌放入厌氧操作箱,向厌氧操作箱里通入氮气2 h进行除氧。最后,在厌氧箱内将SRB接种到放置腐蚀试样的测试溶液中。在对IOB培养基和用于IOB生长的富营养现场水模拟溶液进行灭菌后,在无菌操作台中进行接种操作。为获得微生物种群信息,将富集培养后的微生物进行16 s rDNA宏基因组分析。

1.2.3 微生物腐蚀试验

试验材料为N80钢、3Cr钢和13Cr钢,取自油田套管本体,制成尺寸为50 mm×10 mm×3 mm,且一端有6 mm圆孔的腐蚀挂片试样。试验设备包括灭菌箱、FEI Quanta 200F型型扫描电镜、EDAX型能谱仪、Bruker AXS D8 Focus型X射线衍射仪等。采用400～1200号碳化硅砂纸对腐蚀试样进行打磨,打磨后的试样用蒸馏水和酒精洗净后吹干,先使用75%(质量分数)酒精擦拭试样表面,然后将试样置于紫外线(UV)下消毒30 min。为防止环境中的其他微生物污染试样和试验所使用的微生物,本试验所有用品均进行灭菌处理,将腐蚀试样固定在配制好的微生物腐蚀环境中[7-9],开始计时直至设定好的试验时间(7 d)[10-11]。

试验结束后,将腐蚀试样从培养基中取出,用磷酸盐缓冲溶液(PBS)反复冲洗试样表面3次,随后将试样放入含有2.5%(质量分数)戊二醛的溶液中浸泡30 min,将浸泡好的试样依次放入质量分数为25%、50%、75%、100%的酒精溶液中浸泡脱水各5 min。将泡好的试样放入充满氮气的厌氧箱中自然干燥,采用FEI Quanta 200F型扫描电镜观察试样表面生物膜的微观结构,用能量分散光谱仪分析生物膜的组成成分。

将试样放入由3.5%(质量分数)六次甲基四胺和10%(质量分数)盐酸配制成的除锈溶液中进行超声清洗,待试样表面生物膜与腐蚀产物洗去后,用无水乙醇进行冲洗,洗净后用吹风机吹干,放入电子天平进行称量,根据NACE RP0775-2005《油田生产中腐蚀挂片的准备和安装以及试验数据的分析》标准计算腐蚀速率。将试样表面腐蚀产物膜清除后,使用扫描电镜观察试样表面的腐蚀形貌和点蚀坑密度,并置于激光共聚焦显微镜下观察点蚀形貌。

根据NACE RP0775-2005标准计算试样的均匀腐蚀速率vCR[12],见式(1)。

(1)

式中:vCR为均匀腐蚀速率,mm·a-1;Δw为试样腐蚀前后的质量损失,g;A为挂片试样的表面积,mm2;D为钢材的密度,g·cm-3;t为试验时间,d。

1.2.4 耐微生物腐蚀性能和杀菌效果评估

在油气田系统中,微生物腐蚀的防治措施主要是使用杀菌剂和缓蚀剂。在绥中区域J和H平台水样中检测到好氧微生物IOB和厌氧微生物SRB。前期室内试验评估了3种杀菌剂:戊二醛、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1227)和添加D-氨基酸增效后的1227,同时选用氧腐蚀缓蚀剂、H2S腐蚀缓蚀剂。结果表明采用杀菌剂和缓蚀剂是抑制油田注水井微生物腐蚀的有效措施,且杀菌剂的作用大于缓蚀剂。针对注水井微生物腐蚀,为更好地确定注水井选材,需要评价N80钢、3Cr钢和13Cr钢在IOB和SRB环境中的腐蚀形貌,及不同杀菌剂对其微生物腐蚀的防护效果,试验条件见表2。

表2 注水井选材试验条件

2 结果与讨论

2.1 注水井微生物种群信息

注水井微生物宏基因组测序得出的物种信息显示,不同水样间的物种信息差异较大。不同代谢类型的微生物(SRB和IOB)间有重合,但是每种微生物的数量差异明显。例如,两种水样中的SRB种类相似,但是数量差异较大。在两种水样中,以下4种类型的微生物常见于腐蚀报道中,在国内外多个油气田现场水样中均发现此类型微生物,包括沉降型细菌、硫酸盐还原菌、地衣芽胞杆菌、铜绿假单胞菌。沉降型细菌容易产生生物膜和分泌物,易造成管道结垢现象。硫酸盐还原菌是SRB的主要类型之一,容易造成钢铁材料腐蚀,产生H2S。地衣芽胞杆菌和铜绿假单胞菌是常见的好氧型微生物,在油气田现场十分常见。数据表明,两种水样中的SRB和IOB同源性较差,意味着两种水样中SRB和IOB具体的物种类型、数量、微生物形态等有较大差异,造成的腐蚀程度也有较大区别。

2.2 注水井水样微生物腐蚀性评估

由图1和图2可见:两种水样中的SRB、IOB和共生微生物均在试样表面形成致密的生物膜,细菌本身与腐蚀产物混合分布在试样表面;两种水样中的SRB和IOB形态差异较大,意味着两种水样中SRB和IOB的微生物组成类型有较大区别。

图1 N80钢在含不同微生物的J平台现场模拟水样中的微生物腐蚀形貌

图2 N80钢在含不同微生物的H平台现场模拟水样中的微生物腐蚀形貌

使用除锈剂清除微生物膜和腐蚀产物后,获得N80钢试样基体的微生物腐蚀形貌。如图3和图4所示:两种水样中的SRB、IOB和共生微生物均在生物膜下造成严重腐蚀,腐蚀类型以局部腐蚀为主,其中J平台水样中IOB造成的点蚀坑宽度约为50 μm,试样腐蚀程度比在另外两种微生物环境中的严重;试样在H平台水样中的微生物腐蚀程度比在J平台水样中的轻微,仅在含IOB环境中的点蚀较为严重。

图3 N80钢在J平台水样中的微生物腐蚀形貌(清洗后)

图4 N80钢在H平台水样中的微生物腐蚀形貌 (清洗后)

N80钢试样在两种水样中的微生物均匀腐蚀速率和最大点蚀速率如图5所示,可见在两种水样中N80钢试样的均匀腐蚀速率差异小,最大点蚀速率差异明显,且均匀腐蚀速率远小于对应的最大点蚀速率。以IOB条件为例,N80钢试样的平均均匀腐蚀速率为0.22 mm·a-1,对应的平均最大点蚀速率为0.68 mm·a-1,且试样在J平台水样中的微生物腐蚀速率高于H平台。

图5 在J平台和H平台水样中N80钢试样的微生物腐蚀速率

2.3 耐微生物腐蚀性能和杀菌效果

2.3.1 N80钢的耐微生物腐蚀性能和杀菌效果

如图6和图7所示:在无杀菌剂作用下,SRB能够在N80钢表面形成致密的生物膜;添加杀菌剂后,微生物数量减少,其中1227+增效剂的作用效果最好;在无杀菌剂作用下,IOB能够在N80表面形成较厚的生物膜;添加杀菌剂后,微生物数量减少,其中1227+增效剂的作用效果最好,试样表面划痕清晰可见。

图6 不同杀菌剂作用下N80钢在J平台现场水模拟溶液中腐蚀后的表面SRB生物膜形貌

图7 不同杀菌剂作用下N80钢在H平台现场水模拟溶液中腐蚀后的表面IOB生物膜形貌

使用除锈剂清除微生物膜和腐蚀产物膜后,获得不同杀菌剂作用下N80钢表面的腐蚀形貌。由图8可见:在无杀菌剂作用下,SRB造成N80钢表面发生点蚀,点蚀坑最大深度为12.35 μm,最大宽度为24.87 μm;添加戊二醛、1227和1227+增效剂杀菌剂后,仍观察到点蚀坑,但是点蚀坑宽度减小,试样表面点蚀坑数量减少,其中1227+增效剂对SRB腐蚀的抑制作用较好,该条件下的点蚀坑最大深度为7.87 μm,最大宽度为17.56 μm。

图8 不同杀菌剂作用下N80钢在J平台现场水模拟溶液中腐蚀后的表面形貌(清洗后)

由图9可见,在无杀菌剂作用下,IOB造成N80钢表面发生点蚀,点蚀坑最大深度为23.15 μm,最大宽度为60.03 μm;添加戊二醛、1227和1227+增效剂后,N80钢表面点蚀得到抑制,点蚀坑深度和宽度均减小,3种杀菌剂的作用效果基本相当,1227+增效剂条件下的点蚀坑最大深度为12.46 μm,最大宽度为25.11 μm。