油井管柱多相流沖刷腐蝕影響因素研究＊

朱紅波，李凡，王偉，周永新

（克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000）

油井管柱是石油開采的重要通道，隨著中國(guó)油田開發(fā)不斷深入，井下采出液含水量及礦化度升高，部分區(qū)塊含CO2、H2S 等腐蝕性氣體，并伴有砂粒等固體顆粒，油井管柱長(zhǎng)期在具有腐蝕性介質(zhì)的多相流作用下，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷腐蝕[1]。尤其是非常規(guī)油氣開發(fā)過(guò)程中大排量、高壓力、強(qiáng)腐蝕、多次酸化壓裂及CO2注驅(qū)、稠油蒸汽熱采等增產(chǎn)改造技術(shù)的應(yīng)用，使井下開采條件不斷惡化，在高溫、高壓作用下沖刷腐蝕極易導(dǎo)致油井管柱管壁減薄、腐蝕穿孔甚至斷裂[2]，給油田生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全造成極大影響，甚至造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，深入研究多相流作用下油井管柱沖刷腐蝕影響因素及各因素的主次作用，對(duì)有針對(duì)性提出預(yù)防措施和保障油田安全生產(chǎn)具有重要意義。

沖刷腐蝕是帶有腐蝕性的流體介質(zhì)與金屬表面與之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的材料損壞現(xiàn)象，過(guò)程主要包括機(jī)械沖刷和電化學(xué)腐蝕及二者相互作用的協(xié)同效應(yīng)[3]。油井管柱的沖刷腐蝕因在沖刷磨損的同時(shí)伴隨化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而使材料損傷機(jī)理和流失規(guī)律變得十分復(fù)雜，由于多相流作用下沖刷腐蝕涉及多相流動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、腐蝕電化學(xué)等多個(gè)學(xué)科[4]，生產(chǎn)過(guò)程中除了管柱材料特性外，流體力學(xué)因素、固體顆粒性質(zhì)環(huán)境因素等諸多因素都會(huì)對(duì)油井管柱沖刷腐蝕造成影響。

1 流體力學(xué)因素影響

1.1 流速的影響

在石油開采過(guò)程中，油井管柱內(nèi)帶有腐蝕性的多相流介質(zhì)往往會(huì)在壓力作用下以一定速度流動(dòng)，介質(zhì)在金屬表面的流動(dòng)會(huì)對(duì)腐蝕機(jī)理造成影響，特別是流動(dòng)介質(zhì)攜帶固體顆粒對(duì)管柱內(nèi)壁面的微切削沖刷作用，不僅會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁面造成機(jī)械沖刷而產(chǎn)生沖蝕磨損，同時(shí)也會(huì)加速腐蝕介質(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程，并且使金屬表面鈍化膜的穩(wěn)定性下降和脫落。通常增大介質(zhì)流速不僅會(huì)促進(jìn)沖刷腐蝕，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致沖刷腐蝕機(jī)制由電化學(xué)腐蝕主導(dǎo)向沖刷加速腐蝕轉(zhuǎn)變。目前，比較統(tǒng)一的的觀點(diǎn)是流速對(duì)沖刷腐蝕的影響存在臨界值，當(dāng)介質(zhì)流速低于某一臨界值時(shí)，固體顆粒沖擊頻率較低，金屬可以通過(guò)再鈍化修復(fù)表面膜，幾乎觀察不到流動(dòng)引起的腐蝕加劇，沖刷腐蝕機(jī)制主要受電化學(xué)腐蝕控制；當(dāng)介質(zhì)流速超過(guò)臨界流速時(shí)，材料表面鈍化膜由于無(wú)法及時(shí)修復(fù)導(dǎo)致沖刷腐蝕速率隨流速增加而迅速增大，沖刷腐蝕機(jī)制受電化學(xué)腐蝕和沖刷磨損控制。

在不同的油田環(huán)境和工況條件下，管柱材料沖刷腐蝕的臨界流速值也會(huì)有所不同，并且流體介質(zhì)在金屬表面的流動(dòng)并不一定總是加快金屬的腐蝕速率，在一些特殊情況下，也會(huì)出現(xiàn)金屬?zèng)_刷腐蝕速率隨介質(zhì)流速增大而降低的現(xiàn)象[5]。由于流速對(duì)沖蝕腐蝕速率的影響受到油井管柱材質(zhì)、流場(chǎng)流型、介質(zhì)屬性等多種因素影響，影響機(jī)理十分復(fù)雜，大量研究表明腐蝕與磨損的交互作用不僅僅是單一的相互促進(jìn)或抑制作用，而是在不同工況條件下兩者間可能發(fā)生的正、負(fù)交互作用的相互影響、過(guò)渡和轉(zhuǎn)換[6]。

1.2 流場(chǎng)形態(tài)的影響

沖刷腐蝕過(guò)程中介質(zhì)流場(chǎng)的形態(tài)和速度分布有很大關(guān)系，油井管柱包括套管和油管及封隔器等多種井下作業(yè)工具，通過(guò)專用螺紋連接形成油套管柱，其內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)復(fù)雜多變。由于井筒內(nèi)不同井段壓力變化引起流體湍動(dòng)、相間沖擊作用及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩相流和多相流相界面幾何形狀與流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，形成純油流、泡狀流、段塞流、環(huán)狀流和霧狀流等[7]。管柱內(nèi)部流場(chǎng)突變會(huì)產(chǎn)生旋渦，即使是在較低速度情況下，也會(huì)產(chǎn)生湍流，有擾動(dòng)的流體由于受到阻礙而出現(xiàn)分離和沖擊管壁的情況，對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊和剪切應(yīng)力，促進(jìn)腐蝕性環(huán)境的形成及腐蝕性離子的傳質(zhì)，進(jìn)而加速管柱壁面腐蝕。有研究表明[8]，油井管柱穿孔或斷裂位置主要集中在潛油電泵分離器的下接頭以上0.2 m 左右，原因是井下流體在進(jìn)入分離器后流態(tài)變?yōu)樾?，且流速大幅提升，?duì)分離器內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，導(dǎo)致管柱表面起保護(hù)作用的氧化膜無(wú)法穩(wěn)定附著，加劇了氧化腐蝕。但由于油井管柱設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前對(duì)于復(fù)雜流型下多種腐蝕機(jī)制并存的問(wèn)題認(rèn)識(shí)還不夠全面，流場(chǎng)變化對(duì)沖刷腐蝕的影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。

1.3 沖擊角度的影響

流體對(duì)管道內(nèi)壁的沖刷作用一般分為水平和垂直2 個(gè)分量[9]，在水平方向上，固體顆粒對(duì)管壁主要產(chǎn)生剪切作用，一方面可以加快金屬表面電荷傳輸和傳質(zhì)效應(yīng)，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物膜的形成；另一方面隨著介質(zhì)流速增大剪切力隨之增大，促使腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝離，進(jìn)而使沖蝕腐蝕速率增大。在垂直方向上的沖刷作用主要產(chǎn)生正應(yīng)力，一方面，正應(yīng)力對(duì)管道壁面產(chǎn)生沖擊，促進(jìn)反應(yīng)物在材料表面上的附著接觸并發(fā)生反應(yīng)，抑制電荷轉(zhuǎn)移；另一方面，材料表面因受到固體顆粒的連續(xù)沖擊作用會(huì)產(chǎn)生塑性變形及疲勞裂紋，使材料呈片狀脫落，表面粗糙度增大，甚至產(chǎn)生沖擊坑形成點(diǎn)蝕，進(jìn)而加速腐蝕。在油井管柱中，固體粒子在一定速度的液體介質(zhì)攜帶作用下會(huì)以不同方向或角度沖擊管道內(nèi)壁，當(dāng)液固兩相流以較低角度沖刷管壁時(shí)，水平?jīng)_刷作用占主導(dǎo)地位，固體顆粒對(duì)金屬表面的切削作用是導(dǎo)致材料腐蝕和流失的主要因素；當(dāng)液固兩相流以較高角度沖擊管壁時(shí)，垂直沖刷作用占主導(dǎo)地位，固體顆粒對(duì)金屬表面的沖擊作用是導(dǎo)致材料腐蝕的主要因素[10]。隨著沖擊角的增加，沖刷腐蝕會(huì)由微切削機(jī)制向疲勞斷裂機(jī)制變化，腐蝕過(guò)程會(huì)隨之變化，因此，存在使切應(yīng)力和沖擊作用共同產(chǎn)生的損傷最大的特定角度，使管柱表面出現(xiàn)嚴(yán)重的沖刷腐蝕。由于油井管柱材質(zhì)特性和井筒介質(zhì)及工況條件不同，沖刷角度對(duì)于材料腐蝕速率的影響較為復(fù)雜，沖刷腐蝕速率最大值對(duì)應(yīng)的沖擊角度也并不完全相同，如何準(zhǔn)確表征沖擊角度對(duì)沖刷腐蝕過(guò)程的影響還需要進(jìn)一步展開研究。

2 固體粒子屬性的影響

2.1 固體粒子的硬度與形狀

一般條件下，隨著粒子硬度提高，材料表面沖刷腐蝕度不斷增大，但當(dāng)固體粒子硬度比管道材料硬度高很多時(shí)，單純提高粒子硬度對(duì)沖刷腐蝕的影響則不明顯。尖銳、多角粒子由于對(duì)材料的切削撞擊作用很強(qiáng)，它能迅速破壞氧化膜，使新的金屬基體暴露出來(lái)，從而促進(jìn)電化學(xué)腐蝕[11]。同時(shí)，固體粒子的形狀將會(huì)影響其接觸管道壁面的沖擊角度，造成低角度沖擊時(shí)硬度對(duì)沖刷腐蝕影響更為顯著。主要原因是低角度沖擊時(shí)表面犁削作用顯著，粒子硬度越高產(chǎn)生的切削作用越強(qiáng)，而且硬度低的粒子在磨損過(guò)程中容易被磨去尖角，降低其切削作用[12]。一些情況下硬度較低但有尖角的固體顆粒甚至?xí)斐杀扔捕容^高的圓形顆粒更為嚴(yán)重的沖刷腐蝕。

2.2 固體粒子的尺寸與含量

固體顆粒的尺寸和含量會(huì)影響材料沖刷腐蝕機(jī)制，在相同流速下，固體顆粒尺寸越大其動(dòng)能越大，對(duì)管道壁面的沖擊損傷會(huì)增大沖刷腐蝕速率，但當(dāng)固體顆粒粒徑超過(guò)某一臨界尺寸后，它對(duì)沖刷腐蝕速率等影響趨于平穩(wěn)甚至不再增加。主要是因?yàn)殡S著粒徑增大，固體顆粒容易破碎，在一定程度上降低對(duì)沖刷腐蝕的作用[13]，同時(shí)，在顆粒含量一定的條件下，顆粒直徑越大則數(shù)目越少，沖擊頻率減小，單個(gè)粒子作用材料表面使承受作用的面積也增大，從而導(dǎo)致腐蝕速率減小。隨著固體顆粒含量增加，單位時(shí)間內(nèi)沖擊管柱壁面的粒子數(shù)量增多，沖刷腐蝕速率增大，但不會(huì)隨著顆粒含量增加而一直增大，主要原因是固體粒子含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致粒子之間交互作用加劇，沖擊動(dòng)能衰減，過(guò)多的粒子可能積存在材料表面而產(chǎn)生“屏蔽效應(yīng)”，導(dǎo)致沖刷腐蝕速率減小[14]。

3 環(huán)境因素的影響

3.1 流體介質(zhì)成分

油田采出液中的H2S、CO2等介質(zhì)成分對(duì)油井管柱會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕作用，因此在多相流沖刷腐蝕研究或試驗(yàn)中往往將流體介質(zhì)屬性的腐蝕性因素簡(jiǎn)化為某些成分的含量，如用Cl-、CO2質(zhì)量濃度及溶液的pH 值等參數(shù)來(lái)表示。流體的pH 值會(huì)影響電化學(xué)腐蝕過(guò)程，在中性及堿性條件下，腐蝕過(guò)程主要是由氧去極化反應(yīng)控制，而在酸性條件中，腐蝕過(guò)程主要由氫去極化效應(yīng)控制[15]。因此，在酸性環(huán)境中沖刷腐蝕速率較高，在堿性環(huán)境中沖刷腐蝕速率較低，在中性環(huán)境中沖刷腐蝕速率最低。采出液中的H2S、CO2易溶于水，進(jìn)而增加管柱內(nèi)部流體介質(zhì)H 離子的質(zhì)量濃度，降低溶液pH 值，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕，在一定流速作用下加快沖刷腐蝕速率[16]。CO2分壓是影響油井管柱沖刷腐蝕的重要因素，CO2的腐蝕過(guò)程是隨著氫去極化過(guò)程而進(jìn)行的，而且是由溶液本身的水合氫離子和碳酸中分解的氫離子共同完成的，隨著CO2分壓升高，氫離子質(zhì)量濃度升高，導(dǎo)致腐蝕加速[17]。腐蝕介質(zhì)中的Cl-質(zhì)量濃度會(huì)隨井筒內(nèi)介質(zhì)礦化度升高而增加，在沖刷腐蝕協(xié)同作用下，吸附在金屬表面的Cl-加劇對(duì)保護(hù)性氧化膜的破壞作用，增大沖刷腐蝕速度和協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而加速?zèng)_刷腐蝕。

3.2 流體的溫度

溫度對(duì)沖刷腐蝕的影響主要體現(xiàn)在影響氧擴(kuò)散系數(shù)及氣體和各種化學(xué)成分的溶解度、腐蝕產(chǎn)物膜特性等方面。流體溫度升高不僅會(huì)使黏度降低、流體的流動(dòng)阻力減小，對(duì)管住表面的沖擊能增大，也會(huì)加快去極化劑的傳質(zhì)過(guò)程，使氧擴(kuò)散速率變大，金屬反應(yīng)活性增強(qiáng)，電荷轉(zhuǎn)移速率變大而加劇電極表面損傷。同時(shí)，溫度也可以影響金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜的組成和結(jié)構(gòu)，隨著溫度升高，高溫阻止管柱表面腐蝕產(chǎn)物膜的沉積和鈍化，進(jìn)而影響材料的耐沖刷腐蝕性能。對(duì)于不同材質(zhì)的井下管柱，在不同工況條件下溫度對(duì)其腐蝕產(chǎn)物膜形成機(jī)制也會(huì)產(chǎn)生不同影響。在不考慮腐蝕動(dòng)力學(xué)情況下，隨著溫度的升高，大多數(shù)金屬和合金會(huì)因塑性下降導(dǎo)致沖刷磨損率下降，但隨著溫度進(jìn)一步升高，材料會(huì)因短時(shí)高溫強(qiáng)度下降引起抗沖刷磨損能力下降，磨損率上升。

4 結(jié)束語(yǔ)

油井管柱多相流沖刷腐蝕是影響油田安全生產(chǎn)的重要因素，通過(guò)對(duì)影響油井管柱沖刷腐蝕的因素的總結(jié)，為油田開采中后期預(yù)防井下管柱沖刷腐蝕提供參考。研究人員采用試驗(yàn)或數(shù)值仿真方法從不同角度圍繞油井管柱的沖刷磨損和腐蝕損傷開展了大量研究，但大多基于特定試驗(yàn)條件，與井下真實(shí)環(huán)境存在一定差異，試驗(yàn)或仿真結(jié)果適用范圍有限，同時(shí)對(duì)流體介質(zhì)屬性與溫度等環(huán)境因素交互作用及溫度對(duì)介質(zhì)屬性的影響研究還不夠深入。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于井下作業(yè)工況條件復(fù)雜，流體介質(zhì)屬性容易受溫度、流速及流場(chǎng)變化的影響，它對(duì)管柱的沖刷腐蝕特性和腐蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制的產(chǎn)生和發(fā)展影響十分復(fù)雜，對(duì)于機(jī)械沖刷和電化學(xué)腐蝕的交互作用機(jī)理及各因素影響效應(yīng)的權(quán)重還需要深入分析和研究。