油井管柱多相流冲刷腐蚀影响因素研究＊

朱红波，李凡，王伟，周永新

（克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依 834000）

油井管柱是石油开采的重要通道，随着中国油田开发不断深入，井下采出液含水量及矿化度升高，部分区块含CO2、H2S 等腐蚀性气体，并伴有砂粒等固体颗粒，油井管柱长期在具有腐蚀性介质的多相流作用下，会产生严重的冲刷腐蚀[1]。尤其是非常规油气开发过程中大排量、高压力、强腐蚀、多次酸化压裂及CO2注驱、稠油蒸汽热采等增产改造技术的应用，使井下开采条件不断恶化，在高温、高压作用下冲刷腐蚀极易导致油井管柱管壁减薄、腐蚀穿孔甚至断裂[2]，给油田生产效率和生产安全造成极大影响，甚至造成巨大经济损失。因此，深入研究多相流作用下油井管柱冲刷腐蚀影响因素及各因素的主次作用，对有针对性提出预防措施和保障油田安全生产具有重要意义。

冲刷腐蚀是带有腐蚀性的流体介质与金属表面与之间发生相对运动而引起的材料损坏现象，过程主要包括机械冲刷和电化学腐蚀及二者相互作用的协同效应[3]。油井管柱的冲刷腐蚀因在冲刷磨损的同时伴随化学或电化学腐蚀而使材料损伤机理和流失规律变得十分复杂，由于多相流作用下冲刷腐蚀涉及多相流动力学、传质学、腐蚀电化学等多个学科[4]，生产过程中除了管柱材料特性外，流体力学因素、固体颗粒性质环境因素等诸多因素都会对油井管柱冲刷腐蚀造成影响。

1 流体力学因素影响

1.1 流速的影响

在石油开采过程中，油井管柱内带有腐蚀性的多相流介质往往会在压力作用下以一定速度流动，介质在金属表面的流动会对腐蚀机理造成影响，特别是流动介质携带固体颗粒对管柱内壁面的微切削冲刷作用，不仅会对管道内壁面造成机械冲刷而产生冲蚀磨损，同时也会加速腐蚀介质的传质过程，并且使金属表面钝化膜的稳定性下降和脱落。通常增大介质流速不仅会促进冲刷腐蚀，同时也会导致冲刷腐蚀机制由电化学腐蚀主导向冲刷加速腐蚀转变。目前，比较统一的的观点是流速对冲刷腐蚀的影响存在临界值，当介质流速低于某一临界值时，固体颗粒冲击频率较低，金属可以通过再钝化修复表面膜，几乎观察不到流动引起的腐蚀加剧，冲刷腐蚀机制主要受电化学腐蚀控制；当介质流速超过临界流速时，材料表面钝化膜由于无法及时修复导致冲刷腐蚀速率随流速增加而迅速增大，冲刷腐蚀机制受电化学腐蚀和冲刷磨损控制。

在不同的油田环境和工况条件下，管柱材料冲刷腐蚀的临界流速值也会有所不同，并且流体介质在金属表面的流动并不一定总是加快金属的腐蚀速率，在一些特殊情况下，也会出现金属冲刷腐蚀速率随介质流速增大而降低的现象[5]。由于流速对冲蚀腐蚀速率的影响受到油井管柱材质、流场流型、介质属性等多种因素影响，影响机理十分复杂，大量研究表明腐蚀与磨损的交互作用不仅仅是单一的相互促进或抑制作用，而是在不同工况条件下两者间可能发生的正、负交互作用的相互影响、过渡和转换[6]。

1.2 流场形态的影响

冲刷腐蚀过程中介质流场的形态和速度分布有很大关系，油井管柱包括套管和油管及封隔器等多种井下作业工具，通过专用螺纹连接形成油套管柱，其内部流场形态复杂多变。由于井筒内不同井段压力变化引起流体湍动、相间冲击作用及相对运动，两相流和多相流相界面几何形状与流动结构复杂多样，形成纯油流、泡状流、段塞流、环状流和雾状流等[7]。管柱内部流场突变会产生旋涡，即使是在较低速度情况下，也会产生湍流，有扰动的流体由于受到阻碍而出现分离和冲击管壁的情况，对管道内壁产生较大的机械冲击和剪切应力，促进腐蚀性环境的形成及腐蚀性离子的传质，进而加速管柱壁面腐蚀。有研究表明[8]，油井管柱穿孔或断裂位置主要集中在潜油电泵分离器的下接头以上0.2 m 左右，原因是井下流体在进入分离器后流态变为旋流，且流速大幅提升，对分离器内壁产生强烈冲击，导致管柱表面起保护作用的氧化膜无法稳定附着，加剧了氧化腐蚀。但由于油井管柱设备结构复杂，目前对于复杂流型下多种腐蚀机制并存的问题认识还不够全面，流场变化对冲刷腐蚀的影响规律仍需进一步研究。

1.3 冲击角度的影响

流体对管道内壁的冲刷作用一般分为水平和垂直2 个分量[9]，在水平方向上，固体颗粒对管壁主要产生剪切作用，一方面可以加快金属表面电荷传输和传质效应，促进腐蚀产物膜的形成；另一方面随着介质流速增大剪切力随之增大，促使腐蚀产物从材料表面剥离，进而使冲蚀腐蚀速率增大。在垂直方向上的冲刷作用主要产生正应力，一方面，正应力对管道壁面产生冲击，促进反应物在材料表面上的附着接触并发生反应，抑制电荷转移；另一方面，材料表面因受到固体颗粒的连续冲击作用会产生塑性变形及疲劳裂纹，使材料呈片状脱落，表面粗糙度增大，甚至产生冲击坑形成点蚀，进而加速腐蚀。在油井管柱中，固体粒子在一定速度的液体介质携带作用下会以不同方向或角度冲击管道内壁，当液固两相流以较低角度冲刷管壁时，水平冲刷作用占主导地位，固体颗粒对金属表面的切削作用是导致材料腐蚀和流失的主要因素；当液固两相流以较高角度冲击管壁时，垂直冲刷作用占主导地位，固体颗粒对金属表面的冲击作用是导致材料腐蚀的主要因素[10]。随着冲击角的增加，冲刷腐蚀会由微切削机制向疲劳断裂机制变化，腐蚀过程会随之变化，因此，存在使切应力和冲击作用共同产生的损伤最大的特定角度，使管柱表面出现严重的冲刷腐蚀。由于油井管柱材质特性和井筒介质及工况条件不同，冲刷角度对于材料腐蚀速率的影响较为复杂，冲刷腐蚀速率最大值对应的冲击角度也并不完全相同，如何准确表征冲击角度对冲刷腐蚀过程的影响还需要进一步展开研究。

2 固体粒子属性的影响

2.1 固体粒子的硬度与形状

一般条件下，随着粒子硬度提高，材料表面冲刷腐蚀度不断增大，但当固体粒子硬度比管道材料硬度高很多时，单纯提高粒子硬度对冲刷腐蚀的影响则不明显。尖锐、多角粒子由于对材料的切削撞击作用很强，它能迅速破坏氧化膜，使新的金属基体暴露出来，从而促进电化学腐蚀[11]。同时，固体粒子的形状将会影响其接触管道壁面的冲击角度，造成低角度冲击时硬度对冲刷腐蚀影响更为显著。主要原因是低角度冲击时表面犁削作用显著，粒子硬度越高产生的切削作用越强，而且硬度低的粒子在磨损过程中容易被磨去尖角，降低其切削作用[12]。一些情况下硬度较低但有尖角的固体颗粒甚至会造成比硬度较高的圆形颗粒更为严重的冲刷腐蚀。

2.2 固体粒子的尺寸与含量

固体颗粒的尺寸和含量会影响材料冲刷腐蚀机制，在相同流速下，固体颗粒尺寸越大其动能越大，对管道壁面的冲击损伤会增大冲刷腐蚀速率，但当固体颗粒粒径超过某一临界尺寸后，它对冲刷腐蚀速率等影响趋于平稳甚至不再增加。主要是因为随着粒径增大，固体颗粒容易破碎，在一定程度上降低对冲刷腐蚀的作用[13]，同时，在颗粒含量一定的条件下，颗粒直径越大则数目越少，冲击频率减小，单个粒子作用材料表面使承受作用的面积也增大，从而导致腐蚀速率减小。随着固体颗粒含量增加，单位时间内冲击管柱壁面的粒子数量增多，冲刷腐蚀速率增大，但不会随着颗粒含量增加而一直增大，主要原因是固体粒子含量过高会导致粒子之间交互作用加剧，冲击动能衰减，过多的粒子可能积存在材料表面而产生“屏蔽效应”，导致冲刷腐蚀速率减小[14]。

3 环境因素的影响

3.1 流体介质成分

油田采出液中的H2S、CO2等介质成分对油井管柱会产生不同程度的腐蚀作用，因此在多相流冲刷腐蚀研究或试验中往往将流体介质属性的腐蚀性因素简化为某些成分的含量，如用Cl-、CO2质量浓度及溶液的pH 值等参数来表示。流体的pH 值会影响电化学腐蚀过程，在中性及碱性条件下，腐蚀过程主要是由氧去极化反应控制，而在酸性条件中，腐蚀过程主要由氢去极化效应控制[15]。因此，在酸性环境中冲刷腐蚀速率较高，在碱性环境中冲刷腐蚀速率较低，在中性环境中冲刷腐蚀速率最低。采出液中的H2S、CO2易溶于水，进而增加管柱内部流体介质H 离子的质量浓度，降低溶液pH 值，促进电化学腐蚀，在一定流速作用下加快冲刷腐蚀速率[16]。CO2分压是影响油井管柱冲刷腐蚀的重要因素，CO2的腐蚀过程是随着氢去极化过程而进行的，而且是由溶液本身的水合氢离子和碳酸中分解的氢离子共同完成的，随着CO2分压升高，氢离子质量浓度升高，导致腐蚀加速[17]。腐蚀介质中的Cl-质量浓度会随井筒内介质矿化度升高而增加，在冲刷腐蚀协同作用下，吸附在金属表面的Cl-加剧对保护性氧化膜的破坏作用，增大冲刷腐蚀速度和协同效应，进而加速冲刷腐蚀。

3.2 流体的温度

温度对冲刷腐蚀的影响主要体现在影响氧扩散系数及气体和各种化学成分的溶解度、腐蚀产物膜特性等方面。流体温度升高不仅会使黏度降低、流体的流动阻力减小，对管住表面的冲击能增大，也会加快去极化剂的传质过程，使氧扩散速率变大，金属反应活性增强，电荷转移速率变大而加剧电极表面损伤。同时，温度也可以影响金属表面腐蚀产物膜的组成和结构，随着温度升高，高温阻止管柱表面腐蚀产物膜的沉积和钝化，进而影响材料的耐冲刷腐蚀性能。对于不同材质的井下管柱，在不同工况条件下温度对其腐蚀产物膜形成机制也会产生不同影响。在不考虑腐蚀动力学情况下，随着温度的升高，大多数金属和合金会因塑性下降导致冲刷磨损率下降，但随着温度进一步升高，材料会因短时高温强度下降引起抗冲刷磨损能力下降，磨损率上升。

4 结束语

油井管柱多相流冲刷腐蚀是影响油田安全生产的重要因素，通过对影响油井管柱冲刷腐蚀的因素的总结，为油田开采中后期预防井下管柱冲刷腐蚀提供参考。研究人员采用试验或数值仿真方法从不同角度围绕油井管柱的冲刷磨损和腐蚀损伤开展了大量研究，但大多基于特定试验条件，与井下真实环境存在一定差异，试验或仿真结果适用范围有限，同时对流体介质属性与温度等环境因素交互作用及温度对介质属性的影响研究还不够深入。在实际生产中，由于井下作业工况条件复杂，流体介质属性容易受温度、流速及流场变化的影响，它对管柱的冲刷腐蚀特性和腐蚀动力学机制的产生和发展影响十分复杂，对于机械冲刷和电化学腐蚀的交互作用机理及各因素影响效应的权重还需要深入分析和研究。