油氣井的空泡腐蝕機理

程海鵬，王君恒

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 臨邑 251507)

在油氣田開發過程中，由于油氣中含有的酸性非烴類氣體(CO2等)以及油管所處的特殊地層環境，油管腐蝕普遍存在而且不可避免。“CO2腐蝕”這個術語1925 年第一次被API(美國石油學會)采用。1943 年，在德克薩斯油田氣井中發生的油管腐蝕現象被首次認為是CO2腐蝕，目前國內外對CO2腐蝕造成的均勻腐蝕，通過實驗都得到驗證，認識的比較清楚，對于局部腐蝕機理的研究目前尚不夠深入和詳盡。在實際生產中，金屬的腐蝕過程往往是一種錯綜復雜的電化學過程，根據生產實際，從多種腐蝕機理下手來研究這種腐蝕現象。根據油管的腐蝕形態的觀察研究，認為腐蝕形態與流體力學中的空泡腐蝕類似，分析油管中的液流流動狀態，很可能在局部液流流速突變過程中產生了空化現象，因此提出空泡腐蝕參與了油管的腐蝕過程。

1 空泡腐蝕存在理論依據

1.1 研究選擇課題背景

在實際生產中，危害安全生產主要由局部腐蝕造成的，引起局部腐蝕的成因很多，多是在特定的環境下形成的。CO2腐蝕主要發生在油氣井和自噴油井內，并且都處在氣液界面處，壓力越高CO2的溶解度越大，底部油管的CO2溶解度也會越大，但并沒有局部腐蝕，所以說用CO2腐蝕的機理來解釋這種局部腐蝕是存在矛盾的，而現在國內外腐蝕專家在室內做的掛片小樣與生產實際差別很大，現在通過理論和實驗中無法得到實際生產中的CO2的腐蝕速度，現在油田有注CO2驅油新技術，分壓達到3 MPa的情況下，N80 油管的腐蝕速度只有0.6 mm/a，而是現在從生產氣井中，發現局部達到20 mm/a這樣驚人的局部腐蝕速度，分析只有CO2這種腐蝕氣體，就認定為CO2腐蝕，這是不夠嚴謹的，應當分析查找其它腐蝕原因存在的可能性，問題關鍵是做的實驗是無法模擬油井內部的實際生產狀態，而實際生產過程中的金屬腐蝕，往往是除了電化學腐蝕以外，還有其他腐蝕的機理存在，生產中的金屬腐蝕是在物理作用和化學反應共同的作用下，是在多種腐蝕機理條件下一起相互作用造成的。

1.2 空泡腐蝕油管的原理

從19 世紀后半葉在螺旋槳葉片上發現空化現象以來，空化理論及應用已經有了很大發展，并且所涉及的領域也越來越多。在生產實際中，往往發生空泡腐蝕的部位是在離心泵內和輪船螺旋槳背部，可以從離心泵的抽空知道，一旦空氣進入泵內或液體氣化，對葉輪、殼體產生較大的沖擊和沖刷的作用，機泵產生刺耳的聲音，并且造成泵體嚴重震動，液體的沖擊力大而頻繁，致使葉輪表面形成斑點、裂紋，直至蜂窩狀，這種現象就是常見的空泡腐蝕，俗稱離心泵的氣蝕(見圖1～2)。在離心泵的設計安裝過程中，都要考慮一個很重要的參數，就是氣蝕余量。氣蝕是發生局部坑窩腐蝕最常見的一種形式，在生產中也是危害是很嚴重的。

圖1 不銹鋼葉輪發生空泡腐蝕的形貌

圖2 鑄鐵材料的葉輪空泡腐蝕形貌

同樣，回歸到石油行業，在氣井和自噴高含水井管柱內流動的垂直混合多相流，氣液界面處更是有多種流態變化，這就為空泡的生成提供了條件。空化現象是流體流動過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力時出現的空泡生成、長大、潰破現象，空泡潰破時產生巨大的沖擊破壞作用，近年來的研究表明，空泡破裂瞬時壓力可達1.5 GPa。由于空泡破裂時產生微射流沖擊和激波沖擊，能量高度集中，并局限在非常小的面積上，從而在物體表面局部區域產生極高的沖擊壓力和應力集中，使物體表面迅速破壞。根據實際生產把空泡腐蝕和CO2腐蝕等腐蝕形式一起結合研究，更好的解釋局部腐蝕的現象。

1.3 空泡生成的基本條件

空化是由于液流系統中的局部低壓(低于相應溫度下該液體的飽和蒸氣壓)使液體蒸發而引起的微氣泡(或稱為氣核)爆發性生長現象。通常見到的液體都不是純液體，里面含有許多微粒雜質，如固體微粒、微生物和微氣泡。這種微氣泡的半徑一般在20 μm 以下，稱為氣核或空化核。當液體壓強低到相應溫度下的飽和蒸氣壓強時，空化核開始膨脹，實現空化。當環境壓強高于相應溫度下的飽和蒸氣壓強時，空化泡湮滅。圖3表示一段收縮擴張管內發生的空化現象;水流的上游絕對壓強為p1，下游絕對壓強為p2;下游的速度為ν2;收縮管內的絕對壓強為pc，速度為νc。則當pc﹤pν(pν為液體在當前溫度下的絕對飽和蒸氣壓)時，發生空化［1］。

圖3 收縮擴張管內的空化現象

研究表明空泡產生的基本條件是:

(1)存在氣液兩相高速流體;

(2)存在局部壓力突變環境;

(3)氣相能夠溶解液相中，溶解量的大小受其分壓的變化而變化。

1.4 空泡腐蝕的基本過程

空蝕中氣泡潰滅是一種瞬時物理現象，人們已利用高速攝像等測試技術從實驗上證實氣泡潰滅形成微射流，揭示了氣泡形成，長大和潰滅的動態過程，氣泡潰滅的實際約2～3 μs，微射流速度可達100～500 m/s，當液體從低壓區進入高壓區，氣泡破裂，同時產生很大的沖擊波，沖擊波對金屬表面施加壓力超過140 MPa，足以破壞金屬表面膜，甚至造成金屬表面產生塑形變形，有研究這種局部臺地腐蝕存在應力腐蝕開裂，也能佐證這種局部臺地腐蝕與空泡腐蝕相似之處，空泡腐蝕過程有6 個步驟:

(1)在金屬表面膜上形成氣泡;

(2)氣泡破裂使膜破壞;

(3)暴露出的金屬基本腐蝕并重新成膜;

(4)在該處容易形成新的氣泡;

(5)氣泡破后，膜再次破壞;

(6)裸區腐蝕并重新成膜;

上述步驟反復進行，在表面形成空穴甚至出現裂紋，使材料迅速失效［2］。空泡腐蝕過程見圖4。

2 油氣井內存在的局部腐蝕

在四川中壩氣田36 井，該氣井內的最嚴重局部腐蝕部位，位置在汽水交界處，處于氣液兩相交替變化的地方，暴露在氣相的油管完好無損，浸于水中只有層很薄的銹層。

圖4 空泡腐蝕過程示意

局部腐蝕的形態:坑蝕主要表現為單個坑蝕，其邊界明顯并且很圓，也有多個蝕坑重疊在一起，且這些蝕坑的邊界似各種不同曲率半徑圓弧連線，邊界一般呈銳利狀態［3］(見圖5)。

圖5 中36 井的油管外腐蝕形貌

在油管外絲扣最后的1-3 扣和油管根部端面上形成了環狀腐蝕，也是有多個曲率半徑不同的圓組成的。其原因是用油管接箍連接后，在此處產生臺階狀，氣液在流動時，讓大量的氣泡儲存在此處，一旦發生空泡腐蝕，多個臺地坑連接在一起，形成了環狀的腐蝕。油管接箍處的腐蝕見圖6。

圖6 中36 井油管接箍處的腐蝕形貌

遼河油田油管腐蝕見圖7。從圖7 看出，該油管是從油管內部發生的空泡腐蝕，沿氣液流動方向出現了重疊，形成溝槽狀，符合空泡腐蝕機理。

圖7 遼河油田氣井油管的腐蝕形貌

由圖8 從塔里木輪南油田腐蝕存在1 800～2 100 m(見圖8)，多是坑蝕，為臺地腐蝕坑，連續重疊，形成溝槽狀，符合空泡腐蝕機理。

圖8 塔里木油田油管腐蝕形貌

由楊全安主編的《實用油氣井防腐技術》中對CO2腐蝕局部腐蝕特性是:在表面不連續區域失去金屬，而在其他部分沒有腐蝕或只發生輕微的腐蝕，出現凹空并且四周光滑，臺地腐蝕出現較大面積的凹臺，底部平整，周邊垂直凹底，流動誘使局部腐蝕形狀如凹溝，即平行于物流流動方向的刀形線槽溝。從腐蝕形態表現看，該腐蝕的形態符合空泡腐蝕的形態。

在氣井或自噴油井內部看，當壓力增高時，CO2快速溶于水，壓力降低時又從水中析出，這樣在氣液不斷轉換的時候，氣泡被壓縮或冷凝，或被流體溶解而破裂，從而在原氣泡處形成局部真空，周圍液體則以極大的速度沖向氣泡中心的空間，油氣水在油井內部屬于垂直混合多相流，氣體在底水交界處，會發生復雜的流態型狀，并會出現多種流態互相轉化，氣液在上升過程中，CO2氣泡或天然氣氣泡在油管外表吸附，當關閉井口閥門或調節生產參數，存在管柱內的液體就會回流，就會使局部壓力突變，氣泡就會發生潰滅，氣泡不斷沿著油管做沖擊作用，并且下次更容易在這個腐蝕坑里發生空蝕，這樣在多次沖擊下，造成空泡腐蝕。

3 結論

(1)發生在氣井底部氣液分界段的局部腐蝕主要是由空泡腐蝕形成的，是在空泡沖擊下，同時CO2和硫化氫等腐蝕性氣體對金屬又發生析氫腐蝕，兩種作用交替作用下，而部分腐蝕坑洞存在重疊時，在沖刷腐蝕的作用下又形成了溝槽狀腐蝕;

(2)此類空泡腐蝕現象不是普遍存在，只存在于部分高產高壓井中，此類井中的垂直管流狀態更加多變，對于空化現象產生創造了條件;

(3)根據空泡產生的條件，以及列舉的幾個明顯的現場實例可發下，空泡腐蝕往往發生在流場發生變化的地方，因此油管內存在不光滑段以及油管與油管的絲扣接縫，均可能發生空泡腐蝕，這就要求油管制造過程中的工藝要求提高，或者采用新型的內襯或涂層油管，改善油管內壁的光滑程度;以及改良油管絲扣的連接方式，降低接縫的出現幾率;

(4)目前在油管中空泡腐蝕現象，還沒有見到任何直接檢測資料，本文提出淺陋建議，希望能夠起到拋磚引玉的效果。希望流體力學方面學者，能夠利用計算機流體力學(CFD)數值模擬分析的方法，分析油氣多相管流中的空化現象，直觀地觀察空泡湮滅時空泡周圍的壓力場，以及油管壁的受力情況。

［1］楊慶，張建民.空化形成機理和比尺效應［J］.水力發電，2004，30(4):56-59.

［2］王保成.材料腐蝕與防護［M］.北京:北京大學出版社，2012:159-160.

［3］盧綺敏.石油工業中的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業出版社，2001:98-99.