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(fā)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(huán)境，油管腐蝕普遍存在而且不可避免。“CO2腐蝕”這個術(shù)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(fā)生的油管腐蝕現(xiàn)象被首次認為是CO2腐蝕，目前國內(nèi)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(chǎn)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(jù)生產(chǎn)實際，從多種腐蝕機理下手來研究這種腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)油管的腐蝕形態(tài)的觀察研究，認為腐蝕形態(tài)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(tài)，很可能在局部液流流速突變過程中產(chǎn)生了空化現(xiàn)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(jù)

1.1 研究選擇課題背景

在實際生產(chǎn)中，危害安全生產(chǎn)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(huán)境下形成的。CO2腐蝕主要發(fā)生在油氣井和自噴油井內(nèi)，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(xiàn)在國內(nèi)外腐蝕專家在室內(nèi)做的掛片小樣與生產(chǎn)實際差別很大，現(xiàn)在通過理論和實驗中無法得到實際生產(chǎn)中的CO2的腐蝕速度，現(xiàn)在油田有注CO2驅(qū)油新技術(shù)，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(xiàn)在從生產(chǎn)氣井中，發(fā)現(xiàn)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?shù)模瑧敺治霾檎移渌g原因存在的可能性，問題關(guān)鍵是做的實驗是無法模擬油井內(nèi)部的實際生產(chǎn)狀態(tài)，而實際生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象以來，空化理論及應用已經(jīng)有了很大發(fā)展，并且所涉及的領(lǐng)域也越來越多。在生產(chǎn)實際中，往往發(fā)生空泡腐蝕的部位是在離心泵內(nèi)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(nèi)或液體氣化，對葉輪、殼體產(chǎn)生較大的沖擊和沖刷的作用，機泵產(chǎn)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(xiàn)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(shù)，就是氣蝕余量。氣蝕是發(fā)生局部坑窩腐蝕最常見的一種形式，在生產(chǎn)中也是危害是很嚴重的。

圖1 不銹鋼葉輪發(fā)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(yè)，在氣井和自噴高含水井管柱內(nèi)流動的垂直混合多相流，氣液界面處更是有多種流態(tài)變化，這就為空泡的生成提供了條件。空化現(xiàn)象是流體流動過程中局部壓力低于飽和蒸汽壓力時出現(xiàn)的空泡生成、長大、潰破現(xiàn)象，空泡潰破時產(chǎn)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(chǎn)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(qū)域產(chǎn)生極高的沖擊壓力和應力集中，使物體表面迅速破壞。根據(jù)實際生產(chǎn)把空泡腐蝕和CO2腐蝕等腐蝕形式一起結(jié)合研究，更好的解釋局部腐蝕的現(xiàn)象。

1.3 空泡生成的基本條件

空化是由于液流系統(tǒng)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(fā)而引起的微氣泡(或稱為氣核)爆發(fā)性生長現(xiàn)象。通常見到的液體都不是純液體，里面含有許多微粒雜質(zhì)，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(xiàn)空化。當環(huán)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(nèi)發(fā)生的空化現(xiàn)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(nèi)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(fā)生空化［1］。

圖3 收縮擴張管內(nèi)的空化現(xiàn)象

研究表明空泡產(chǎn)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(huán)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(xiàn)象，人們已利用高速攝像等測試技術(shù)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(tài)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(qū)進入高壓區(qū)，氣泡破裂，同時產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(xiàn)裂紋，使材料迅速失效［2］。空泡腐蝕過程見圖4。

2 油氣井內(nèi)存在的局部腐蝕

在四川中壩氣田36 井，該氣井內(nèi)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(tài):坑蝕主要表現(xiàn)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(tài)［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(huán)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(chǎn)生臺階狀，氣液在流動時，讓大量的氣泡儲存在此處，一旦發(fā)生空泡腐蝕，多個臺地坑連接在一起，形成了環(huán)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(nèi)部發(fā)生的空泡腐蝕，沿氣液流動方向出現(xiàn)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(xù)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(shù)》中對CO2腐蝕局部腐蝕特性是:在表面不連續(xù)區(qū)域失去金屬，而在其他部分沒有腐蝕或只發(fā)生輕微的腐蝕，出現(xiàn)凹空并且四周光滑，臺地腐蝕出現(xiàn)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(tài)表現(xiàn)看，該腐蝕的形態(tài)符合空泡腐蝕的形態(tài)。

在氣井或自噴油井內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)部屬于垂直混合多相流，氣體在底水交界處，會發(fā)生復雜的流態(tài)型狀，并會出現(xiàn)多種流態(tài)互相轉(zhuǎn)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(guān)閉井口閥門或調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)，存在管柱內(nèi)的液體就會回流，就會使局部壓力突變，氣泡就會發(fā)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(fā)生空蝕，這樣在多次沖擊下，造成空泡腐蝕。

3 結(jié)論

(1)發(fā)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(fā)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(xiàn)象不是普遍存在，只存在于部分高產(chǎn)高壓井中，此類井中的垂直管流狀態(tài)更加多變，對于空化現(xiàn)象產(chǎn)生創(chuàng)造了條件;

(3)根據(jù)空泡產(chǎn)生的條件，以及列舉的幾個明顯的現(xiàn)場實例可發(fā)下，空泡腐蝕往往發(fā)生在流場發(fā)生變化的地方，因此油管內(nèi)存在不光滑段以及油管與油管的絲扣接縫，均可能發(fā)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(nèi)襯或涂層油管，改善油管內(nèi)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(xiàn)幾率;

(4)目前在油管中空泡腐蝕現(xiàn)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(shù)值模擬分析的方法，分析油氣多相管流中的空化現(xiàn)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(fā)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(yè)中的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001:98-99.