高溫高壓氣井連續(xù)管在CO2 環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕數(shù)值模擬

劉元亮，劉少胡，馬衛(wèi)國

（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

隨著石油天然氣勘探開發(fā)的不斷進(jìn)步，井下油氣開采環(huán)境變得更加復(fù)雜[1-3]。連續(xù)管大多是在高溫、高壓和高腐蝕（H2S、CO2、Cl-等腐蝕介質(zhì)）環(huán)境下作業(yè)，極易造成腐蝕失效[4-7]。在導(dǎo)致連續(xù)管發(fā)生腐蝕的眾多介質(zhì)中，H2S 和CO2的腐蝕情況是最嚴(yán)重的，而且國內(nèi)外多數(shù)油氣井中CO2的含量都相對較高[8-9]，因此非常有必要對CO2環(huán)境中連續(xù)管的腐蝕情況進(jìn)行深入研究。

目前，國內(nèi)外對于CO2環(huán)境中連續(xù)管腐蝕(Coiling tubing，CT)的研究大多是通過高溫高壓腐蝕實(shí)驗(yàn)?zāi)M油氣井生產(chǎn)過程中的腐蝕行為實(shí)現(xiàn)的[10-15]。薛玉娜等[11-12]通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了CT80 連續(xù)油管鋼在長慶油田高礦化度油井水中的電化學(xué)腐蝕行為；趙國仙等[13-14]通過高溫高壓下CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)研究了溫度對QT900 連續(xù)管在CO2環(huán)境中的腐蝕行為；任呈強(qiáng)等[15]采用電化學(xué)阻抗和動電位掃描極化曲線測試技術(shù)研究了N80 鋼的CO2高溫高壓腐蝕電化學(xué)行為及機(jī)理；Waard 等[16]分析碳鋼的CO2腐蝕機(jī)理，提出了碳鋼的CO2腐蝕理論模型；Deshpande[17]利用COMSOL Multiphysics 軟件預(yù)測了電偶對的腐蝕速率，但沒有深入考慮環(huán)境因素對腐蝕速率的影響。

目前對于連續(xù)管的CO2腐蝕主要是通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法進(jìn)行研究，但是，受條件所限，實(shí)驗(yàn)無法模擬一些復(fù)雜的真實(shí)工作環(huán)境，而且實(shí)驗(yàn)?zāi)M費(fèi)用較高、周期較長，而數(shù)值模擬方法可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的不足。本研究以CT110 連續(xù)管為研究對象，模擬連續(xù)管的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，基于電化學(xué)腐蝕工作原理，通過數(shù)值模擬方法研究其在CO2環(huán)境下的腐蝕行為，為現(xiàn)場腐蝕失效分析及防腐提供參考依據(jù)。

1 連續(xù)管腐蝕失效情況

圖1 所示為連續(xù)管近20 年來的失效統(tǒng)計(jì)情況[18]?？梢钥闯?，1997～2007 年連續(xù)管因腐蝕而失效的占比為33%，而2006～2017 年連續(xù)管腐蝕失效占比達(dá)到34%，不同時期腐蝕引起的失效比率相當(dāng)，同時腐蝕導(dǎo)致連續(xù)管失效所占的比例最高，說明腐蝕是影響連續(xù)管使用壽命和安全操作的重要因素。

圖1 連續(xù)管失效情況統(tǒng)計(jì)[18]Fig. 1 Statistics of coiled tubing failure[18]

圖2 所示為現(xiàn)場連續(xù)管腐蝕形貌圖。圖2（a）中滾筒左右兩邊分別為腐蝕（下井作業(yè)）和未被腐蝕（未下井作業(yè)）的連續(xù)管，左邊連續(xù)管表面呈現(xiàn)棕黃色，腐蝕較嚴(yán)重，右邊未腐蝕連續(xù)管表面呈明顯金屬光澤。圖2（b）所示為連續(xù)管在海上某氣井作業(yè)一段時間后被腐蝕的外觀形貌，連續(xù)管整體腐蝕非常嚴(yán)重，局部位置腐蝕穿孔、甚至腐蝕開裂。

2 數(shù)值模型的建立和驗(yàn)證

2.1 CO2 腐蝕連續(xù)管的機(jī)理

在含CO2的高溫高壓氣井中，連續(xù)管表面發(fā)生深度點(diǎn)蝕以及腐蝕開裂，腐蝕失效情況非常嚴(yán)重。因此，有必要探究連續(xù)管在CO2環(huán)境中的腐蝕行為和機(jī)理。CO2是一種酸性氣體，可溶于水生成碳酸，碳酸的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，會電解分離出H+和 CO32?，從而降低溶液的pH 值，增加溶液的酸度，腐蝕連續(xù)管。連續(xù)管在CO2環(huán)境中的腐蝕過程是一個管體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)及物質(zhì)傳遞的復(fù)雜過程。連續(xù)管腐蝕過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式有[19]

陽極

陰極

由上述可知，腐蝕溶液中連續(xù)管表面腐蝕變化主要涉及陰陽兩極的電化學(xué)反應(yīng)：陽極發(fā)生鐵的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生碳酸電解、水電解和氫的還原反應(yīng)。整個電化學(xué)腐蝕過程包含了物質(zhì)的傳遞、帶電荷離子定向遷移形成電場以及管體表面由于電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的電極極化。

2.2 多物理場耦合理論模型

連續(xù)管電化學(xué)腐蝕過程是一個多物理場耦合的過程，主要涉及流場、電場、物質(zhì)傳遞、溫度場等。本研究假設(shè)電解質(zhì)溶液濃度分布均勻，考慮物質(zhì)傳遞過程中的擴(kuò)散、電遷移以及環(huán)境溫度對腐蝕的影響，重點(diǎn)研究電場、物質(zhì)傳遞、電化學(xué)反應(yīng)之間的耦合作用。

2.2.1 物質(zhì)傳遞模型

2.3 數(shù)值模型和邊界條件

在連續(xù)管CO2腐蝕模型中，采用任意拉格朗日-歐拉方法（ALE）描述連續(xù)管的腐蝕過程。任意拉格朗日-歐拉方法(ALE)包括兩個坐標(biāo)系：一個表示為(X,Y)的參考坐標(biāo)系，另一個表示為(x，y)的空間坐標(biāo)系。參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)固定，而空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨時間移動。通過求解下述方程可獲得網(wǎng)格的位移

式中：X、Y為參考坐標(biāo)系；x、y為空間坐標(biāo)系，t為仿真時間步。

根據(jù)連續(xù)管表面的腐蝕過程設(shè)置邊界條件，可通過設(shè)定電極表面的腐蝕速度實(shí)現(xiàn)。根據(jù)法拉第定律，通過電極的電流密度求得電極表面的腐蝕速度

式中：v為腐蝕速度，mm/year；M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，g/mol。

模型其余的邊界采用對稱邊界，是不動的，因此邊界條件應(yīng)滿足

根據(jù)上述理論描述，采用COMSOL 軟件二次電流分布接口和稀物質(zhì)傳遞接口模擬連續(xù)管的腐蝕行為。圖3（a）為連續(xù)管的實(shí)物照片。為簡化計(jì)算，建立了二維平面電解質(zhì)計(jì)算域，焊縫寬5 mm，母材寬為5.5 mm。建立圖3（b）所示幾何模型，網(wǎng)格及邊界條件如圖3（c）所示。網(wǎng)格類型為三角形，網(wǎng)格總數(shù)為24 466，最大和最小網(wǎng)格尺寸分別為0.848 0 和0.004 8 mm。采用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。腐蝕溶液環(huán)境參數(shù)：pH 值為2.5～6.5，溫度為50～200 ℃，CO2分壓為0～5 MPa。具體參數(shù)將在后續(xù)計(jì)算中詳細(xì)交代。

圖3 連續(xù)管實(shí)物圖和數(shù)值模擬腐蝕過程的簡化模型Fig. 3 Picture of actrual CT and simplified numerical simulation model of CT corrosion

2.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

圖4 電解質(zhì)溶液中電位分布和電流流向模擬結(jié)果Fig. 4 Potential distributions and current directions of electrolyte solution at two temperatures

圖5 電解質(zhì)溶液中電流密度流線模擬結(jié)果Fig. 5 Current density diagrams of electrolyte solution at two temperatures

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，與文獻(xiàn)[21]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，模擬條件：電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氯化鈉鹽溶液，呈弱酸性；環(huán)境溫度為20 和50 ℃，溶液流速為2 m/s，CO2分壓為0.1 MPa。通過模型計(jì)算得到不同溫度下電解質(zhì)溶液中的電位分布和電流密度（j）流線圖，如圖4 和圖5 所示?？梢钥闯?，當(dāng)溫度較高時，連續(xù)管在電解質(zhì)溶液中的電位和電流密度較大。圖6 為不同溫度下溶液pH 值對材料腐蝕速率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。對比結(jié)果可知，腐蝕速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的最小誤差為1.3%，最大誤差為25%。雖然個別結(jié)果的誤差較大，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬得到的腐蝕影響規(guī)律總體上是一致的，說明該模擬方法具有可行性。

3 環(huán)境參數(shù)對連續(xù)管腐蝕速率的影響

圖6 溶液pH 值對管材腐蝕速率的影響Fig. 6 Influence of pH value on corrosion rate of CT

連續(xù)管在含CO2高溫高壓氣井作業(yè)中的腐蝕過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程，主要受到溫度、CO2分壓、溶液pH 值、流速、礦化物、材料等因素的影響[22]。目前針對連續(xù)管腐蝕影響因素中對于礦化物的研究相對較多，而流速對于腐蝕的影響較小，因此本研究基于數(shù)值模擬方法主要探究溫度、CO2分壓以及溶液pH 值對連續(xù)管腐蝕的影響規(guī)律。以CT110 連續(xù)管為研究對象，通過數(shù)值模擬方法，研究連續(xù)管在大北氣田采出水溶液中的腐蝕行為[23]。

3.1 溫度對連續(xù)管腐蝕速率的影響

當(dāng)溶液pH 值為 4，電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率為2.86，CO2分壓分別為0.1、0.5 和1.0 MPa 時，數(shù)值模擬得到的溫度對連續(xù)管腐蝕速率的影響規(guī)律如圖7 所示。連續(xù)管腐蝕速率隨著溫度的上升而增大，當(dāng)上升到一定溫度后，腐蝕速率達(dá)到最大值，出現(xiàn)“峰值腐蝕速率”，而后隨著溫度繼續(xù)上升而逐漸下降。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)原理可知，當(dāng)溫度升高時，溶液中活性離子的活性增強(qiáng)，溶液的電阻率提高，陰極的電化學(xué)反應(yīng)速率增大，腐蝕產(chǎn)物形成的保護(hù)膜比較疏松且無附著力，不足以起到保護(hù)作用，因此腐蝕速率隨著溫度的上升而增大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到一定數(shù)值后，腐蝕產(chǎn)物在基體表面堆積，形成一個較為完整的保護(hù)膜，阻礙腐蝕溶液中的離子向基體金屬擴(kuò)散，從而抑制腐蝕反應(yīng)進(jìn)行，因此溫度對連續(xù)管腐蝕的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)CO2分壓分別為0.1、0.5 和1 MPa 時，連續(xù)管腐蝕速率達(dá)到峰值的溫度分別為120、90 和60 ℃。這是因?yàn)樵诓煌珻O2分壓下，溶液中溶解的CO2含量不一樣，導(dǎo)致連續(xù)管表面生成致密保護(hù)膜時的溫度有所不同。

圖7 溫度和CO2 分壓對連續(xù)管腐蝕速率的影響Fig. 7 Influence of temperature and partial pressure of CO2 on corrosion rate of CT

3.2 CO2 分壓對連續(xù)管腐蝕速率的影響

從圖8 可以看出，當(dāng)溶液pH 值為 4，電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率為2.86 時，不同溫度下CO2分壓對連續(xù)管腐蝕速率的影響規(guī)律基本一致。輻射速率首先隨著CO2分壓增大而增大，而后逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)溶液中CO2分壓增大時，溶液中CO2分子的擴(kuò)散速率增大，加快了陰極反應(yīng)，生成的碳酸濃度升高，電離得到的H+濃度也隨之增大，進(jìn)一步加快了陽極基體金屬鐵的溶解，使得腐蝕速率增大。但當(dāng)CO2分壓達(dá)到一定臨界值后，生成的腐蝕產(chǎn)物在連續(xù)管表面形成致密的保護(hù)膜，腐蝕反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，此時腐蝕速率受CO2影響較小，基本趨于平穩(wěn)，出現(xiàn)“穩(wěn)定腐蝕速率”。

3.3 溶液pH 值對連續(xù)管腐蝕速率的影響

圖8 不同CO2 分壓下連續(xù)管的腐蝕速率Fig. 8 Corrosion rates of CT under different CO2 partial pressures

圖9 為連續(xù)管在不同pH 值下的腐蝕速率。從圖9 中可以看出：當(dāng)CO2分壓為0.1 MPa、電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率為2.86、pH 值較小時，連續(xù)管腐蝕速率最大；隨著溶液pH 值的增大，腐蝕速率降低。當(dāng)溫度為30 ℃時，連續(xù)管的腐蝕速率隨pH 值變化較??；而當(dāng)溫度為90 ℃時，連續(xù)管腐蝕速率的降幅很大。溶液pH 值對連續(xù)管腐蝕的影響受溫度控制，溫度越高，pH 值對腐蝕速率的影響越顯著。當(dāng)CO2分壓一定時，陰極反應(yīng)生成的碳酸與溶液pH 值密不可分，溶液的酸度決定了碳酸的存在形式，pH 值增大有利于碳酸電離，也有利于形成碳酸亞鐵，但是碳酸分解和擴(kuò)散又受溫度的影響。因此，溶液pH 值對連續(xù)管腐蝕速率的影響主要受溫度控制，出現(xiàn)了“受控腐蝕速率”。

圖9 pH 值對連續(xù)管腐蝕速率的影響Fig. 9 Corrosion rates of CT at different pH values

4 結(jié) 論

建立了高溫高壓氣井連續(xù)管的CO2電化學(xué)腐蝕模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法是可行的。通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，得到如下結(jié)論。

（1）隨著溫度上升，連續(xù)管CO2腐蝕速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不同溫度下出現(xiàn)不同的“峰值腐蝕速率”。CO2分壓分別為0.1、0.5 和1.0 MPa 時，“峰值腐蝕速率”溫度分別為60、80 和110 ℃。

（2）連續(xù)管腐蝕速率隨CO2分壓的增大而增大，但增大到一定值后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，出現(xiàn)了“穩(wěn)定腐蝕速率”，連續(xù)管應(yīng)盡量在CO2分壓小于1.0 MPa 的“穩(wěn)定腐蝕速率”壓力條件下作業(yè)。

（3）連續(xù)管的腐蝕速率隨pH 值的增大而減小，同時還受溫度的控制，溫度較高時，pH 值對腐蝕速率的影響更加顯著。根據(jù)“受控腐蝕速率”條件，建議減少連續(xù)管在低溫、pH 值小于5 的高酸性環(huán)境下的服役時間。