防腐緩釋技術下延長油田采油井腐蝕演化過程模擬分析

中圖分類號 TE983 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0627-07

在石油開采過程中，油井及其相關工程設施長期暴露在復雜的地下環境中，面臨著嚴重的腐蝕問題。這些腐蝕問題不僅會導致設備性能下降、使用壽命縮短，還可能引發安全事故，對油田生產安全和環境保護構成重大威脅[1]。防腐緩釋技術通過向油井中添加緩蝕劑或應用防腐涂層等方式，能夠在一定程度上抑制金屬材料的腐蝕速率，延長設備的使用壽命。然而，防腐緩釋技術的防護效果并非永恒不變的，其效能會隨著時間的推移和環境的變化而逐漸衰減。因此，采用智能信息技術深入研究防腐緩釋技術下的腐蝕演化規律，掌握其長期效能的變化特征，對于優化防腐策略、提高防腐效果、保障油田工程設施的安全運行具有重要意義。

在腐蝕演化研究領域，當前主要存在實地觀測與經驗評估法，例如文獻[2]通過直接觀察油田現場的設備狀態，結合工程師的實踐經驗，對腐蝕現象進行主觀判斷和分析。該方法基于專家的直覺和經驗積累，能夠迅速給出初步判斷，但缺乏客觀性和精確性，難以進行量化的腐蝕速率預測和長期趨勢分析。為克服實地觀測的局限，文獻[3]采用定期從設備采集樣品，并在實驗室條件下進行深入分析的策略。此方法通過對樣品的物理化學性質、微觀結構以及腐蝕產物的詳細研究，能夠揭示腐蝕過程的微觀機制和演變規律。然而，該方法耗時較長，需要大量的樣品采集和分析工作，成本較高，但難以實時反映腐蝕狀態的變化。為了實時掌握腐蝕速率，文獻[4]開發了專門的腐蝕速率測試裝置，并將其布署在油田現場。該裝置能夠持續監測并記錄腐蝕速率數據，隨后利用灰色關聯算法對收集到的數據進行處理和分析，以揭示腐蝕演化的規律和趨勢。這種方法具有實時性強的優點，但設備的維護、校準和數據處理的復雜度也相對較高。為了進一步提升預測的準確性，文獻5結合模糊C均值聚類對灰色關聯算法的預測誤差進行聚類分析，并利用概率權重的馬爾可夫模型對誤差進行修正。這種方法能夠在一定程度上提高長期預測的準確性，但因其運算過程復雜、對歷史數據的需求量大，當訓練數據集有限時，其預測結果的穩定性和可靠性可能會受到影響。

上述研究均是被動檢測過程，也就是等腐蝕真實發生后，根據相關數據分析得出結論，存在嚴重的后置性。為此，筆者結合數字模擬技術，準確估計采油井防腐緩釋技術下的腐蝕演化過程，對該過程進行數值模擬，以前置性地完成結論的推導。

1 研究概況

延長油田位于黃土高原南部的陜北地區，地勢復雜，氣候干旱。在延長油田的開采過程中，采油井的作用主要是通過地下水或氣體的壓力將地下的石油和天然氣擠出地面，然后經過管道和設施輸送到需要的地方。然而，由于地下環境的復雜性和惡劣的氣候條件，采油井的設備容易發生腐蝕。為了解決采油井的腐蝕問題，延長油田采用了防腐緩釋技術。防腐緩釋技術的原理是利用銅緩釋劑中的金屬離子與金屬表面的絡合物產生化學吸附，形成一層穩定的膜，從而提高金屬抗腐蝕能力。在實際應用中，它與其他防銹劑配合使用時，由于銅緩釋劑自身含有銅離子和金屬離子，因而使緩蝕效果大幅增強。雖然防腐緩釋技術可以降低金屬表面的腐蝕速率，但在長期使用過程中，由于環境因素的變化、材料老化等原因，并不能完全阻止腐蝕的發生。因此，筆者進行延長油田采油井防腐緩釋技術下腐蝕演化過程的數值模擬。

2含緩釋防腐層的采油井建模

建立含緩釋防腐層的采油井有限元模型，準確地描述采油井的結構、材料屬性和腐蝕演化過程[]。

2.1建立緩釋防腐層的采油井實體

緩釋防腐層的采油井實體模型包含采油井的所有組成部分以及防腐層的詳細設計[7]，步驟如下：

a.建立采油井主體結構。使用CAD軟件根據實際尺寸繪制采油井的主體結構，包括井筒、井壁等。

b.添加防腐層設計。在主體結構的基礎上，根據設計要求添加緩釋防腐層，包括防腐層的厚度、材料及結構等。

c.三維建模。使用CAD軟件的3D建模功能，將主體結構和防腐層組合在一起，形成完整的三維實體模型。

d.導入有限元軟件。將建立的三維實體模型導入有限元軟件中，以進行后續的數值模擬和分析[8]。

由于腐蝕演化分析只涉及采油井基體和防腐涂層區域，因此可以將采油井的內部結構進行簡化，以降低模型的復雜性和計算成本[9]。根據涂層與基體的實際結構[10]，設置基體在厚度方向 （y 軸方向）尺寸為 2.0mm ，涂層厚度為 0.5mm ，所建模型寬度（ χ_x 軸方向）為 1.0mm ，具體如圖1所示。

圖1含緩釋防腐層的采油井實體模型

2.2 材料屬性

材料屬性主要包括以下3個方面：

a.基體材料屬性。采油井的基體材料通常為金屬，如鋼鐵、銅等[1]。這些金屬材料具有不同的彈性模量、泊松比及密度等物理屬性[11]。b.防腐涂層材料屬性。含緩釋防腐層的采油井實體模型的防腐涂層通常由多種材料組成，如樹脂、顏料及填料等[12]。這些材料具有不同的硬度、耐磨性及耐腐蝕性等物理和化學屬性。c.腐蝕介質屬性。在采油井中，腐蝕介質通常包括水、氧氣及二氧化碳等。這些介質具有不同的濃度、溫度及pH值等屬性，會對金屬材料和防腐涂層產生不同的腐蝕作用[13]。

在建模時，根據實際工作環境和腐蝕介質情況，設定相應的介質屬性，具體見表1。

2.3 有限元網格劃分

在數值模擬分析中，有限元網格通過將連續的物理域離散成有限個網格單元，以便于進行數值計算和分析[14]。網格模型有非規則網格和規則網格兩類，筆者選擇規則網格中易于生成和處理的四邊形網格，如圖2所示。

表1材料屬性表

圖2 有限元網格劃分

劃分網格時，在腐蝕接觸區域等關鍵部位需要加密網格，以提高計算精度。在滿足精度要求的前提下盡量減少網格數量，降低計算成本。

2.4 邊界條件設置

邊界條件是指在求解偏微分方程的過程中，為了確定方程的解在邊界上的取值，所需要滿足的條件。當所選區域只是整個截面的一部分時，涂層和基體兩側不需要設置邊界條件[15]。然而，對于涂層的上表面和基體底面，需要定義適當的邊界條件，具體如下：

a.溫度邊界條件。根據涂層上表面的實際溫度分布，設置適當的溫度邊界條件，溫度T范圍-30～40^°C 、溫度梯度5 C 、溫度變化率 10% 。b.流體邊界條件。如果涂層上表面與流體接觸，則設置流體速度 5000m/s 壓力 30.3MPa 。c.腐蝕是一個長期的過程，需要考慮時間的影響。在數值模擬中，設置時間邊界條件（0～100天），以模擬采油井的實際運行時間和腐蝕演化過程。d.化學反應邊界條件。如果涂層上表面與化學介質接觸，則需考慮化學反應的邊界條件，設置反應速率 0.02% 、腐蝕介質濃度 20mg/L

3 腐蝕演化方程求解

為精準模擬復雜腐蝕界面的動態變化，利用水平集方法，通過將腐蝕界面映射為水平集函數的零等值線，并求解該函數隨時間的演化方程，從而實現對腐蝕界面形狀與位置演變的精確估計。在模擬過程中，基于腐蝕速率、產物擴散等物理化學機制構建偏微分方程系統，準確刻畫腐蝕界面的動態行為。通過數值求解方程，獲得腐蝕界面隨時間演變的完整過程。具體步驟如下。

第1步，初始化水平集函數。根據初始的腐蝕界面位置和形狀，定義一個關于含緩釋防腐層的采油井有限元模型的水平集函數，用于表示腐蝕界面的位置和形狀[16，17]。水平集函數如下：

其中 ，A 代表水平集變量； b 代表含緩釋防腐層的采油井有限元模型的厚度； B 代表一個決定重新初始變化量的參數； ablaA 代表水平集變量變化率； C 代表界面張力系數； D 代表水平集函數在空間中的梯度； a 代表腐蝕產物生成速率； a₀ 代表腐蝕沉積速率 代表拉伸函數，由于腐蝕速率只適用于腐蝕邊界，廣義拉伸函數利用水平集將作用邊界拓展到實體模型的基體里面；t代表時間[18，19]

第2步，建立演化方程。根據腐蝕過程的物理化學原理，建立水平集函數的演化方程[20]，描述腐蝕界面在時間上的變化規律[21]。演化方程表達式如下：

其中， E 代表腐蝕產物區域的擴散系數； G 代表腐蝕產物區域的有效遷移率； d_i 代表界面的平均曲率； g 代表腐蝕產物的孔隙率； Ω_Nm 代表Mac-Mullin數；v代表遷曲度； E_eff 代表流體飽和度； K 代表黏性耗散系數[22-24]

第3步，將時間和空間離散化，將演化方程轉換為差分方程，使用迭代法求解差分方程，得到水平集函數在不同時間點的值。

第4步，根據迭代求解得到的結果，更新腐蝕界面的位置和形狀。

第5步，重復步驟2～4，直到達到所需的時間步長或達到收斂條件。

第6步，輸出追蹤到的腐蝕界面變形結果，繪制數值模型云圖。

基于得到的云圖進行計算和分析，明確腐蝕演化規律，完成延長油田采油井防腐緩釋技術下腐蝕演化的數值模擬研究。

4腐蝕演化數值模擬結果與分析

從第10天開始取值，之后每隔20天取一次值，直至第70天。腐蝕演化云圖以及基體腐蝕擴展參數如圖3、表2所示。

觀察圖3、表2可以看出，腐蝕強度隨時間演變存在幾個關鍵階段。在最初的10天里，腐蝕處于萌芽階段，其腐蝕速率僅為 0.36μm/s ，表現為輕微的局部侵蝕，橫向與縱向的腐蝕擴展有限，分別為 0.56，1.21μm ，總腐蝕量較小（ 0.83g/mm? ），表明此階段內應用的防腐緩釋技術有效減緩了腐蝕進程，材料表面雖有細微痕跡但整體強度保持良好。

a.第10天

b.第30天

圖3腐蝕演化云圖

表2腐蝕擴展參數

進入第30天，腐蝕步人加速期，此時腐蝕速率顯著提升，為 1.03μm/s ，腐蝕范圍迅速擴大，總腐蝕量激增至 2.51g/mm ，材料表面開始出現顯著的腐蝕損傷，如坑洞或裂紋，反映出防腐技術的效果逐漸減弱，材料強度面臨顯著下降的風險。此階段需加強設備的監測與維護，以遏制腐蝕的進一步惡化。

進入第50天，腐蝕進程進入一個相對穩定的階段，雖然腐蝕速率仍有小幅上升（ ?/1.56μm/s） ，但相比前一階段已趨于平緩，腐蝕范圍和腐蝕量的增長也放緩。此時，材料表面可能已形成了一層相對穩定的腐蝕產物層，對內部材料起到了一定的保護作用，減緩了腐蝕的進一步深人。然而，對于已形成的腐蝕層，仍需適時進行清理與維護，以維持其防護效能。

最終在第70天，腐蝕達到了破壞性的臨界點，腐蝕速率、范圍、量及強度均達到頂峰，材料結構遭受嚴重破壞，防腐措施完全失效。此階段需立即采取緊急應對措施，如快速修復受損部件或更換嚴重腐蝕的組件，以控制腐蝕的蔓延，確保設備的安全運行。

綜上所述，可以考慮在延長油田采油井防腐工作中，以10天為周期實施防腐措施，在腐蝕尚未擴大時，采用防腐緩釋技術，以發揮顯著抑制作用。

5結束語

筆者對防腐緩釋技術在延長油田采油井中的應用進行了深入探討，建立了實體模型并進行數值模擬分析，追蹤腐蝕演化規律。通過對不同時間段腐蝕強度的分析，不僅揭示了防腐緩釋技術在延緩腐蝕進程中的關鍵作用，也明確了在腐蝕加速、穩定及破壞階段應采取的有效應對策略。

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（收稿日期：2024-09-10，修回日期：2025-06-24）

Simulation Analysis of the Corrosion Evolution in Yanchang Oilfield Production Wells Based on Anti-corrosion Slow Release Technologies

CHENG Cheng，LIU Gang，QI Chun-min，A Shou-yan，GAO Teng-fei （YanchangOilfieldCo.，Ltd.WaterInjectionProjectManagementOffice）

AbstractTaking the production wellin Yanchang Oilfield as an example，the corrosion evolution process of the production well in Yanchang oilfield was simulated and analyzed based on the anticorrosion slow release technologies.In which，through designing the simulation experiments corresponding to real values and combining with the solution of level set function and its evolutionequation，the deformation process of the corrosion interface was actively tracked so as to quantitatively analyze the corrosion evolution process in different times based on the anticorrosion slow release technology.The results show that，the application of theantcorrosion slow release technology significantly slows down the initial process of the corrosion，which is manifested as lower corrosion rate and limited corrosion range，which proves the effectiveness of the technology in preventing the initial corosion.With the extensionof the service time of the production well， theprotection effectiveness of the anti-corrosion technology gradually decreases，which is manifested as the gradual increase of the corrosion rate，the continuous expansion of the corrosion area and the significant increase of the corrosion amount，finally the corrosion intensity reaches a high level. Consider incorporating anti-corrosion work into the regular maintenance system，and set a 1O-day inspection and maintenance plan can prevent corrosion extension.

Key WordsYangchang oil production wells，anti-corrosion slow release technology，corrosion evolution， numerical simulation，oilfield engineering