劉文紅，王 華，陳志學(xué)，林 凱

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206)

0 引 言

高溫高壓高產(chǎn)且具有強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的天然氣氣井的開發(fā)是目前國內(nèi)外天然氣勘探開發(fā)中遇到的巨大挑戰(zhàn)，在其腐蝕性環(huán)境中服役的完井管柱完整性和可靠性是企業(yè)界、學(xué)術(shù)界非常關(guān)注的技術(shù)難題和研究重點(diǎn)。

油管柱設(shè)計(jì)時(shí)要考慮承受內(nèi)壓的同時(shí)，還必須考慮密封問題，這主要是因?yàn)橛凸苤峭ㄟ^螺紋連接成一體，油氣從地下上升到地面，必須建立起較高的壓力系統(tǒng)，承受較高的內(nèi)壓時(shí)，管體通常不會(huì)發(fā)生問題，而螺紋連接處卻可能泄漏。苛刻的服役環(huán)境往往導(dǎo)致氣井諸如油管連接處等過流部件過早損傷失效，嚴(yán)重影響氣井完井作業(yè)的安全性。因此油管螺紋連接的有效性關(guān)系到整個(gè)油氣井管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。然而，油管接頭處為變徑結(jié)構(gòu)，流體運(yùn)動(dòng)為突擴(kuò)、收縮的變截面流動(dòng)，且接頭與接箍之間形成的凹槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1所示。圖1所示的特殊螺紋結(jié)構(gòu)使流速減緩，特別是含腐蝕性介質(zhì)的氣井采氣過程中，連接處凹槽內(nèi)容易形成積液。現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，油管接頭及其與接箍接觸部位腐蝕嚴(yán)重，甚至造成泄漏[1-2]。目前，針對壓裂液作用下油管連接處液固沖刷腐蝕的研究，國內(nèi)外學(xué)者已開展了許多工作，通過噴射式、旋轉(zhuǎn)式?jīng)_刷腐蝕試驗(yàn)以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值模擬方法，在油管材料耐蝕特性、液固沖蝕特性等方面取得了豐富的研究成果。然而，對于含腐蝕性介質(zhì)的高產(chǎn)氣井采氣條件下的油管連接處氣液沖刷腐蝕研究仍處于匱乏狀態(tài)。

圖1 異型特殊螺紋接頭油管螺紋連接結(jié)構(gòu)示意圖

國內(nèi)一些學(xué)者在特殊螺紋接頭油管腐蝕穿孔事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對油管腐蝕形貌分別進(jìn)行了宏觀和微觀檢測分析，指出流體沖刷和CO2是造成油管和螺紋連接腐蝕失效的主要誘因，接頭與接箍形成的V型凹槽突擴(kuò)作用引起湍流，加劇了局部沖刷腐蝕[3]。羊東明[4]等學(xué)者對油管腐蝕失效規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析，認(rèn)為油管連接未平滑過渡而存在縫隙，流體流速與流向改變，并且縫隙內(nèi)流體滯流，從而加劇腐蝕。呂拴錄[5]等開展了油管偏梯形螺紋和特殊螺紋連接處流動(dòng)特性的CFD模擬研究，發(fā)現(xiàn)偏梯形螺紋連接結(jié)構(gòu)突變位置存在嚴(yán)重的湍流和壁面剪切作用，而特殊螺紋連接由于平滑過渡，不存在結(jié)構(gòu)突變引起的湍流和壁面剪切應(yīng)力局部增大現(xiàn)象，因此認(rèn)為油管接頭沖刷腐蝕的原因是結(jié)構(gòu)突變引起的強(qiáng)烈湍流和局部較高的壁面剪切應(yīng)力。以上研究成果表明，油管連接凹槽結(jié)構(gòu)帶來流通截面的變化導(dǎo)致局部流速和流動(dòng)方向的改變是沖刷腐蝕加劇的重要原因之一。因此，研究多相流動(dòng)條件下油管連接處流動(dòng)與相分布特性，從多相流場分析的角度揭示油管連接處沖刷腐蝕特性，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文針對含腐蝕性介質(zhì)的高產(chǎn)氣井采氣條件下的異型特殊螺紋接頭油管氣液沖刷腐蝕特性開展CFD數(shù)值模擬研究，采用歐拉多相流模擬對油管螺紋連接處氣液兩相流場進(jìn)行仿真分析，結(jié)合液相和腐蝕性介質(zhì)CO2的相體積分?jǐn)?shù)分布，推導(dǎo)近壁面的物質(zhì)的量濃度分布，從而根據(jù)電化學(xué)腐蝕模型計(jì)算腐蝕速率，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流動(dòng)控制方程

在歐拉模型中，每一相均獨(dú)立滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，其所占據(jù)的空間為體積分?jǐn)?shù)。其中連續(xù)性方程為：

(1)

動(dòng)量方程為：

-αqp+

(2)

1.2 腐蝕速率計(jì)算模型

對腐蝕速率計(jì)算基于以下假設(shè)：在凹槽內(nèi)壁面形成了穩(wěn)定的薄液膜；腐蝕速率受腐蝕介質(zhì)CO2濃度差值控制；所有近壁區(qū)游離CO2均參與腐蝕反應(yīng)；不考慮腐蝕演化的時(shí)間效應(yīng)，即忽略腐蝕產(chǎn)物膜的形成與影響。

基于以上假設(shè)，由傳質(zhì)理論推導(dǎo)金屬表面腐蝕速率。

CO2在近壁區(qū)的擴(kuò)散通量由公式(3)計(jì)算：

(3)

式(3)中，D是傳質(zhì)系數(shù)，單位為m2/s；Cb是指流體主體濃度，單位為mol/m3；Cw是壁面濃度，單位為mol/m3；δd是邊界層厚度單位，單位為m；JCO2是擴(kuò)散通量，單位為mol/(m2·s)。

根據(jù)CO2腐蝕的化學(xué)反應(yīng)方程式：

CO2+H2O→H2CO3

Fe→Fe2++2e-

由上面的化學(xué)反應(yīng)可知，金屬表面Fe的通量滿足JFe2+=JCO2，腐蝕速率CR可表示為：

(4)

如前所述，CO2在近壁區(qū)的濃度分布由計(jì)算的CO2相體積分?jǐn)?shù)分布推導(dǎo)得出：

(5)

式(5)中V為單元格(單元格是指計(jì)算網(wǎng)格的基本單元)網(wǎng)格的體積，vCO2%為單元格內(nèi)CO2相體積分?jǐn)?shù)。式(3)中CO2在水相中的擴(kuò)散系數(shù)D(m2/s)計(jì)算采用Wilke-Chang公式：

(6)

式(6)中T為溫度，單位為K；β為溶劑締結(jié)系數(shù)，水溶劑條件下β=2.6；MH2O為水的單位摩爾質(zhì)量，取18 g/mol；ηH2O為水的動(dòng)力粘度，單位為Pa·s；υCO2為CO2溶質(zhì)在正常沸點(diǎn)下的摩爾體積，取34 cm3/mol[6]。

2 模擬結(jié)果與分析

對圖1所示的油管螺紋連接結(jié)構(gòu)開展了水相質(zhì)量流量0.693 kg/s，混合流速3.9 m/s和6.3 m/s兩種工況下的氣-液多相流數(shù)值模擬研究，并在氣相(甲烷)中加入體積分?jǐn)?shù)5%的CO2作為腐蝕性介質(zhì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析連接處凹槽內(nèi)CO2、水相分布特性，結(jié)合沖刷腐蝕預(yù)測模型計(jì)算凹槽內(nèi)不同位置的沖刷腐蝕速率。在采氣工況下，油管為豎直上升管結(jié)構(gòu)。

2.1 流場分析

具有腐蝕性介質(zhì)的電解質(zhì)溶液接觸壁面是管壁材料發(fā)生腐蝕的必要條件，因此探究油管連接處CO2和水的相分布特性對分析其連接處的腐蝕特性具有指導(dǎo)意義。另外，由于油管連接凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)流體相對滯流而引起嚴(yán)重腐蝕，所以本節(jié)重點(diǎn)分析連接凹槽內(nèi)的流動(dòng)特性與相分布特性。

混合流速3.9 m/s和6.3 m/s兩種工況下油管連接凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的速度大小和速度矢量分布分別如圖2～圖5所示。由速度矢量圖可以看出，兩種工況下凹槽內(nèi)均產(chǎn)生了不同程度的漩渦，而從速度等值線分布可以看出，隨著混合流速的增大，凹槽內(nèi)流體流速也逐漸增大，漩渦向凹槽深處發(fā)展；下游凹槽內(nèi)漩渦強(qiáng)度比上游凹槽更大。

圖2 混合流速3.9 m/s工況上游凹槽內(nèi)速度大小和速度矢量分布

圖3 混合流速3.9 m/s工況下游凹槽內(nèi)速度大小和速度矢量分布

圖4 混合流速6.3 m/s工況上游凹槽內(nèi)速度大小和速度矢量分布

圖5 混合流速6.3 m/s工況下游凹槽內(nèi)速度大小和速度矢量分布

凹槽內(nèi)漩渦的發(fā)展對相分布影響顯著。圖6～圖9分別為混合流速3.9 m/s和6.3 m/s兩種工況下油管連接凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)CO2和水相體積分?jǐn)?shù)分布圖。如圖中的紅圓圈中所示，CO2和水在上游凹槽底部均有不同程度的集中分布，特別是在較低流速下，相的集中現(xiàn)象比較明顯(圖6)；隨著流速增大，凹槽內(nèi)各相分布更加趨于均勻分散(圖9)。結(jié)合圖2～圖5中凹槽內(nèi)速度等值線和速度矢量分布進(jìn)行分析，在高流速條件下，凹槽內(nèi)形成發(fā)展更充分、范圍更廣的漩渦，特別是在凹槽底部，旋流作用減少了相對氣相密度較重的CO2和水相的沉積聚集，促進(jìn)了相的分散，在一定程度上避免積液的發(fā)生，然而旋流運(yùn)動(dòng)帶來的離心作用則促使重相流體在接箍內(nèi)螺紋根部出現(xiàn)了聚集(如圖8所示)；在低流速條件下，凹槽深處流體滯流嚴(yán)重，重力的作用增強(qiáng)，從而凹槽底部出現(xiàn)了作為重相的CO2和水的集中分布。

圖6 混合流速3.9 m/s工況凹槽內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 混合流速3.9 m/s工況凹槽內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)分布

圖8 混合流速6.3 m/s工況凹槽內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)分布

圖9 混合流速6.3 m/s工況凹槽內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)分布

2.2 腐蝕速率計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合上述腐蝕速率計(jì)算模型以及相分布特性，對連接處凹槽內(nèi)沖刷腐蝕特性進(jìn)行分析討論。首先，為方便分析討論，將上、下游凹槽內(nèi)壁面劃分為5段，如圖10所示。在本研究工況下，油管為豎直上升管，因此示意圖中流動(dòng)方向?yàn)樽宰笙蛴?，而重力方向?yàn)樽杂蚁蜃蟆?/p>

圖10 油管連接凹槽內(nèi)壁面區(qū)段劃分示意圖

在混合流速分別為3.9 m/s、6.3 m/s工況下油管連接處上游凹槽和下游凹槽內(nèi)腐蝕速率分布如圖11～圖14所示。對于混合流速3.9 m/s工況下，在上游凹槽內(nèi)，沖刷腐蝕最嚴(yán)重的位置發(fā)生在C點(diǎn)附近區(qū)域，即工廠端接頭與接箍接觸位置及凹槽底部；下游凹槽內(nèi)沖刷腐蝕嚴(yán)重位置則在E點(diǎn)處，即下游凹槽底部接箍內(nèi)壁面，其中CD段處于重力反方向的頂部位置，腐蝕最為輕微，腐蝕速率低于10-3mm/y。對于混合流速6.3 m/s工況，在上游凹槽內(nèi)，沖刷腐蝕最嚴(yán)重的位置發(fā)生在D點(diǎn)處，即接箍內(nèi)螺紋根部位置；雖然平均腐蝕水平略低于前者混合流速3.9 m/s工況，但最大腐蝕速率(圖13的D處)甚至略高于前者(圖11的C處)。下游凹槽內(nèi)，沖刷腐蝕分布較為廣泛，接頭臺肩面(AB段)，接箍內(nèi)側(cè)壁(DE-EF段)甚至頂部CD段均有不同程度的腐蝕，但平均腐蝕水平仍略低于混合流速3.9 m/s工況；另外，在E處出現(xiàn)了腐蝕速率極大值，且高于下游凹槽內(nèi)壁平均腐蝕水平。綜上所述，由于受重力影響，上游凹槽內(nèi)CO2和水在凹槽底部聚集，腐蝕水平遠(yuǎn)高于下游凹槽內(nèi)壁；隨著流速增大，旋流作用增強(qiáng)，流體受離心作用和重力作用雙重影響，重相CO2和水在凹槽內(nèi)壁根部聚集，導(dǎo)致嚴(yán)重的局部腐蝕現(xiàn)象。

圖11 混合流速3.9 m/s工況上游凹槽內(nèi)壁面腐蝕速率分布

圖12 混合流速3.9 m/s工況下游凹槽內(nèi)壁面腐蝕速率分布

圖13 混合流速6.3 m/s工況上游凹槽內(nèi)壁面腐蝕速率分布

圖14 混合流速6.3 m/s工況下游凹槽內(nèi)壁面腐蝕速率分布

文獻(xiàn)[3-5]根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)指出，油管連接處現(xiàn)場端接頭臺肩面為腐蝕最嚴(yán)重位置，對應(yīng)于本文中下游凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的AB段，與上述的分析結(jié)果是一致的。這是因?yàn)橄啾扔诎疾凵钐?，下游凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的AB段為典型的沖刷腐蝕區(qū)域，較高的流速能夠促進(jìn)腐蝕介質(zhì)的更新以及腐蝕產(chǎn)物的遷移，影響腐蝕產(chǎn)物膜的生長形成，從而加速腐蝕[7-8]。然而，由于采取了相當(dāng)簡化的腐蝕模型，僅從相分布角度計(jì)算腐蝕速率，也沒有考慮腐蝕過程的時(shí)間效應(yīng)即腐蝕產(chǎn)物膜對腐蝕的反作用，因此在滯流的凹槽內(nèi)部沒有考慮腐蝕產(chǎn)物的沉積對腐蝕發(fā)展的影響，其腐蝕速率預(yù)測值偏于保守。但是，由凹槽內(nèi)相分布特性與流動(dòng)特性綜合分析得出油管連接處現(xiàn)場端接頭臺肩面為腐蝕最嚴(yán)重的位置，與現(xiàn)場的情況是吻合的，說明這應(yīng)是一種可靠的沖刷腐蝕預(yù)測分析方法。

3 結(jié) 論

對含腐蝕性介質(zhì)的高產(chǎn)氣井采出條件下異型特殊螺紋接頭油管螺紋連接處氣液沖刷腐蝕問題開展了CFD數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1)基于歐拉多相流模型和氣液多相流場分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合液相和腐蝕性介質(zhì)CO2的相體積分?jǐn)?shù)分布，建立了相對簡化的含CO2高產(chǎn)氣井油管螺紋連接處氣液沖刷腐蝕速率計(jì)算模型。

2)油管螺紋連接凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的相分布與流動(dòng)特性受主流流速影響顯著，隨著流速增大，重力作用被削弱，旋流離心作用增強(qiáng)，導(dǎo)致接箍內(nèi)螺紋根部發(fā)生CO2和水相聚集。

3)凹槽內(nèi)尤其是凹槽深處壁面附近流體滯流嚴(yán)重，而現(xiàn)場端接頭臺肩面處流體沖刷嚴(yán)重。由于僅從相分布角度出發(fā)，沒有考慮腐蝕產(chǎn)物的影響，所以通過建立的腐蝕計(jì)算模型得出的CO2腐蝕速率偏于保守，但現(xiàn)場端接頭臺肩面附近為典型沖刷腐蝕區(qū)域，與文獻(xiàn)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)是一致的。