抽油桿含缺陷區(qū)域電化學腐蝕規(guī)律研究*

周云鳳 劉少胡 馬衛(wèi)國 黃小光 冉小豐 曲寶龍

(1. 長江大學機械工程學院 2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑學院 3. 長江大學化學與環(huán)境工程學院)

0 引 言

隨著老油田開發(fā)逐步進入高含水期, 在多種采油方式中, 機械采油尤為重要, 國內有桿泵采油井占機械采油的90%以上。 抽油桿是抽油機和井下抽油泵的連接設備[1-2]。 在作業(yè)過程中, 抽油桿由于受到拉-壓疲勞應力作用, 其表面覆蓋的保護層被破壞; 又因為抽油桿長期在含有O2、 CO2、 H2S以及硫酸鹽還原菌(SRB)[3]等各種腐蝕介質環(huán)境中服役, 表面形成了電化學腐蝕, 極易導致抽油桿腐蝕失效[4-5]。 腐蝕后的抽油桿常帶病服役, 直至斷裂失效。

管桿柱腐蝕研究主要是通過試驗、 數(shù)值模擬及微觀形貌來探索失效機理。 一些學者通過試驗和數(shù)值模擬來研究環(huán)境因素對腐蝕的影響, 利用高溫高壓動態(tài)循環(huán)腐蝕試驗和高溫高壓反應釜研究CO2的腐蝕行為[6-7]。 胡松陽等[8]對電鍍鎢基合金抽油桿耐腐蝕性能進行了試驗研究, 結果表明, 電鍍鎢基合金抽油桿能適應高壓腐蝕的油井環(huán)境, 能有效抵御油井中的H2S 腐蝕; LIU S.H.等[9]在電化學試驗和數(shù)值模擬條件下, 對連續(xù)管焊縫和母材的腐蝕失效和電化學腐蝕行為進行了研究, 評估了焊縫、 母材的面積比以及材料缺陷對其腐蝕速率的影響; 劉元亮等[10]應用COMSOL 多物理場耦合分析方法, 建立了連續(xù)管在CO2環(huán)境中的電化學腐蝕數(shù)值模型, 分析了環(huán)境因素對腐蝕速率的影響。

國內外學者對抽油桿腐蝕失效的研究主要集中在腐蝕行為、 腐蝕機理分析、 腐蝕疲勞以及剩余壽命的預測[11-14]。 M.B.KERMANI 等[15]研究發(fā)現(xiàn)CO2對抽油桿柱有腐蝕作用; C.DE WAARD 等[16]提出了CO2腐蝕速率預測模型, 并分析了溫度、分壓及pH 值對腐蝕速率的影響; SUN Y.H.[17]針對水平井局部CO2腐蝕環(huán)境, 研究了不同CO2分壓、 溫度和pH 值等參數(shù)的影響。 目前, 對含缺陷抽油桿在CO2電化學腐蝕環(huán)境下, 同時考慮溫度、CO2分壓及pH 值對抽油桿腐蝕速率影響的研究較少。 CO2對抽油桿腐蝕有重要的影響, 被API 定義為無硫腐蝕或甜腐蝕。 王涂強[18]根據(jù)抽油桿實際使用工況, 采用DWM 模型和NORSOKM506 模型分別預測出抽油桿的使用壽命為1.93 和4.02 a。國內仍然存在腐蝕介質主要是CO2的油井[19], 目前主要是通過試驗對抽油桿進行腐蝕研究, 由于試驗環(huán)境條件有限, 試驗周期長且成本高, 無法同時考慮多因素的環(huán)境下對抽油桿CO2腐蝕的影響。而對含缺陷抽油桿在CO2電化學腐蝕環(huán)境下, 同時考慮溫度、 CO2分壓及pH 值對抽油桿腐蝕速率的影響研究較少。 為此, 筆者基于COMSOL 多物理場耦合分析的方法和任意拉格朗日-歐拉法, 展開模擬含缺陷抽油桿CO2腐蝕規(guī)律研究, 以期為在電化學腐蝕環(huán)境下含缺陷抽油桿使用壽命預測和安全評價提供理論支撐。

1 抽油桿腐蝕失效分析

抽油桿長期在含有O2、 CO2、 H2S 以及硫酸鹽還原菌(SRB) 等腐蝕介質環(huán)境下作業(yè), 容易導致其腐蝕失效。 根據(jù)不同腐蝕原因的宏觀形貌特征,對某油田一個區(qū)塊抽油桿斷桿桿體形貌進行分析。圖1 為某油田一個區(qū)塊2019 年抽油桿不同腐蝕介質下腐蝕失效情況統(tǒng)計。 圖2 為不同斷口腐蝕形貌程度的統(tǒng)計。 從圖1 可見, 抽油桿CO2腐蝕占比高達42.8%, O2腐蝕、 H2S 或SRB 腐蝕占比分別為21.4%、 35.7%。

圖1 不同腐蝕介質下腐蝕失效情況統(tǒng)計Fig.1 Statistics of corrosion failure under different corrosive media

圖2 某油田抽油桿斷桿桿體CO2 腐蝕形貌Fig.2 CO2 corrosion morphology of broken sucker rod body in an oilfield

抽油桿斷桿桿體呈現(xiàn)出CO2腐蝕形貌, 如圖2所示。

其中圖2a、 圖2b 表面有明顯的局部坑蝕缺陷, 圖2c 表面有大面積腐蝕以及棕黃色腐蝕產物堆積。 圖2 中抽油桿CO2腐蝕主要分為均勻腐蝕和局部腐蝕。 均勻腐蝕是腐蝕分布在整個金屬表面。 局部腐蝕是金屬與環(huán)境界面上電化學性質的不均勻性造成的, 生成局部多孔且厚的FeCO3膜。完整、 致密和附著力強的腐蝕產物膜可以減小金屬表面的腐蝕速率, 并且腐蝕膜的物理性能與其形成的外部環(huán)境相關, 其中重要的影響因素是溫度和壓力[20]。 抽油桿局部腐蝕多表現(xiàn)為點蝕和坑蝕, 抽油桿因此強度降低, 甚至發(fā)生腐蝕疲勞斷裂, 并最終導致其服役失效。

2 CO2 腐蝕理論模型

2.1 CO2 腐蝕機理

干CO2本身沒有腐蝕性, 但當其溶于水時,在部分金屬和與其接觸的水之間產生電化學反應。溶于水形成的H2CO3呈弱酸性, 在溶液中一次電離為H+和HCO3-, 二次電離為H+和CO32-。 CO2腐蝕過程是一種復雜的電化學過程, 是油氣生產中最普遍的一種侵蝕形式, 會導致非常高的腐蝕速率和嚴重的局部腐蝕, 特別是在使用碳鋼和低碳鋼的場合[21]。 CO2腐蝕所涉及的化學方程式為:

由上述反應可知, 在抽油桿表面主要發(fā)生陽極鐵的氧化反應和陰極氫離子的還原反應, 其中陽極反應生成的鐵離子和電離出的碳酸根離子結合生成附著在金屬表面的致密膜FeCO3。

2.2 腐蝕理論模型

抽油桿CO2腐蝕電化學反應涉及多個理論模型的耦合作用, 主要包含流場、 電場、 溫度場以及物質傳遞等。 電化學腐蝕在電極反應過程中發(fā)生氧化還原反應。 伴隨著電流產生, 電極上有電流通過而造成電位變化, 即產生極化。 為使電極反應過程所產生的極化不被忽視, 應把電化學因素考慮在內, 采用二次電流分布, 對抽油桿腐蝕重點研究電場、 物質傳遞和電化學反應之間的耦合作用。

2.2.1 電極動力學模型

陽極和陰極電化學反應分別為鐵氧化反應和氫離子的還原反應。 由電化學極化控制, 溶液中的傳質過程很快, 濃差極化可以忽略, 極化曲線的形狀和變化規(guī)律反映了電化學腐蝕過程中的動力學特征[22]。

電極動力學的控制方程:

式中:ia、ic分別為陽極電流密度、 陰極電流密度,A/cm2;i0,a、i0,c分別為陽極交換電流密度、 陰極交換電流密度, A/cm2;φ、φeq分別為電極電位、平衡電極電位, V;η、ηa、ηc分別為過電位、 陽極過電位、 陰極過電位, V;ba、bc分別為陽極Tafel斜率、 陰極Tafel 斜率, V/dec。

在抽油桿表面金屬鐵與溶液產生平衡電極電位的過程中, 物質交換和電荷交換都可逆。 鐵的平衡電極電位和溶液中鐵離子的活度服從Nernst 方程,在XU L.Y.等[23]的研究中, 陽極和陰極的平衡電位方程為:

2.2.2 物質傳遞模型

腐蝕過程中參與反應的物質溶解于腐蝕液中,在腐蝕電解質溶液中, 物質傳輸符合Nernst-Planck 方程[24]:

式中:N i為物質i的流量, mol/ (m2·s);Di為擴散系數(shù), m2/s;ci為濃度, mol/m3;zi為物質i的電荷數(shù);ui為遷移率, s·mol/kg;v為速度矢量,m/s。 其中物質傳遞符合物種通量守恒方程:

2.2.3 電流分布理論模型

電流分布引入了電極動力學的影響。 假設電解質為電中性, 電解質的成分分布均勻, 根據(jù)電荷守恒定律和歐姆定律計算得到電解質中的電位和電流密度矢量分布:

式中:jl為電解質的電流密度, A/m2。

根據(jù)法拉第定律得到電解質中的電流密度為:

式中:φl為電解質中的電位, V。

3 模型建立與分析

3.1 幾何模型建立

圖3 為含缺陷抽油桿局部腐蝕模型。 從圖3 可見, 抽油桿在作業(yè)過程中抽油桿上連抽油機, 下連抽油泵, 受拉-壓反復作用, 長時間處于有腐蝕介質的環(huán)境中(見圖3a)。 油液與抽油桿金屬接觸表面存在腐蝕, 由于腐蝕凹坑表面金屬直接與腐蝕介質接觸, 反應活躍, 凹坑表面為陽極表面, 無缺陷部位表面為陰極表面, 以此呈現(xiàn)出局部腐蝕模型(見圖3b)。

圖3 含缺陷抽油桿局部腐蝕模型示意圖Fig.3 Diagram of local corrosion model of defective sucker rod

3.2 COMSOL 多物理場分析

根據(jù)抽油桿表面的腐蝕過程設置邊界條件, 可通過設定電極表面的腐蝕速度實現(xiàn)。 通過電流分布理論模型得出電解質電流密度, 以此求得電極表面的腐蝕速度:

模型中假設陰極未被腐蝕, 因此幾何模型邊界條件符合下式:

式中:v1為腐蝕速率, mm/a;M為物質的摩爾質量, g/mol;ρ為密度, kg/m3;z為電荷數(shù)。

模型其余的邊界采用對稱邊界, 且不動, 因此幾何模型邊界條件應滿足:

在抽油桿腐蝕模型中, 用上述邊界條件解出陽極和陰極表面不同節(jié)點處的電位和電流密度值, 然后使用式(17) 從電流密度計算腐蝕速率或界面速度。 在腐蝕過程中, 采用COMSOL 多物理場耦合的方法, 該方法包含電場、 物質傳遞和電化學反應3 種物理場。 其中電場涉及電流分布理論, 電流分布引入電極動力學的影響。 電化學反應涉及電極動力學, 通過電極動力學的陰極和陽極反應求解電解質電位。 物質傳遞中物質的流量是物質擴散、 電遷移與對流的總和。 利用COMSOL 軟件二次電流分布接口和稀物質傳遞接口將3 種物理場耦合, 再結合網格移動的任意拉格朗日-歐拉(ALE) 方法模擬含缺陷抽油桿的腐蝕規(guī)律。

為簡化計算, 建立了二維平面電解質計算域。根據(jù)NACE Standard TM0177—2005[25]中拉伸試樣標準, 試樣長為25.4 mm。 由于該模型為二維模型, 抽油桿外表面為電解質。 為使電解液足以覆蓋抽油桿, 模型高為15mm。 腐蝕凹坑長度即為陽極電極長度, 缺陷長取3 mm, 建立腐蝕二維模型,如圖4 所示。

圖4 腐蝕二維模型Fig.4 Two dimensional corrosion model

網格類型為三角形, 網格總數(shù)為7 219, 最大和最小網格尺寸分別為0.946 0 和0.007 6 mm。 采用穩(wěn)態(tài)求解器求解模型。 腐蝕溶液環(huán)境參數(shù): pH值為3～6, 溫度為40 ～120 ℃, CO2分壓為0.05 ～ 2.50 MPa。

4 模擬結果討論與分析

抽油桿在含CO2環(huán)境下的腐蝕過程是一個復雜的電化學過程, 主要受到溫度、 CO2分壓、 溶液pH值、 礦化物及材料等因素的影響, 抽油桿自身的腐蝕缺陷長度也會對腐蝕造成一定的影響。 結合某油田SN 區(qū)塊抽油桿的腐蝕情況, 對多參數(shù)進行控制, 分別研究溫度、 CO2分壓、 pH 值和抽油桿缺陷長度對腐蝕的影響規(guī)律。

4.1 模型驗證

抽油桿腐蝕過程的模型的準確性可通過將計算結果與試驗結果進行對比來驗證。 試驗條件如下[26]: 電解質溶液為質量分數(shù)1%的氯化鈉鹽溶液, 呈弱酸性; 環(huán)境溫度為40 和60 ℃, 溶液流速為2 m/s, CO2分壓(pCO2) 為0.1 MPa。 在與試驗條件相同的工況下, 模型計算得到在不同溫度下電解質溶液中的電位分布和電流流向, 以及電解質溶液中的電流密度(j) 流線分布, 分別如圖5、圖6 所示。

圖5 電解質溶液中的電位分布和電流流向Fig.5 Potential distribution and current flow direction in electrolyte solution

圖6 電解質溶液中的電流密度流線分布Fig.6 Current density streamline distribution in electrolyte solution

由模擬結果可知, 當溫度較高時, 抽油桿在電解質溶液中的電位和電流密度較大。

圖7 為不同溫度下CO2分壓值對材料腐蝕速率影響的試驗結果與數(shù)值模擬結果對比。 從圖7 可以看出, 腐蝕速率的試驗結果與模擬結果的最大誤差為16%, 最小誤差為1.7%, 表明該模擬方法可行。

圖7 CO2 分壓值對材料腐蝕速率的影響Fig.7 Effect of CO2 partial pressure on material corrosion rate

4.2 溫度對抽油桿腐蝕速率的影響

當溶液pH 值為4, CO2分壓分別為0.05、0.10 和0.15 MPa 時, 經數(shù)值模擬得到溫度對抽油桿腐蝕速率(CRmax) 的影響規(guī)律, 如圖8 所示。

圖8 CO2 分壓和溫度對抽油桿腐蝕速率的影響Fig.8 Effect of CO2 partial pressure and temperature on corrosion rate of sucker rod

抽油桿腐蝕速率隨著溫度的上升而增大, 當上升到一定溫度后, 腐蝕速率達到峰值, 然后隨溫度繼續(xù)上升而逐漸下降。 由電化學反應原理可知, 溫度升高, 溶液中活性離子的活性增強, 溶液的電阻率提高, 陰極的電化學反應速率增大, 腐蝕產物FeCO3形成的保護膜比較疏松且無附著力, 不足以起到保護作用, 因此腐蝕速率隨著溫度的上升而增大。 當溫度繼續(xù)升高, 達到一定數(shù)值后, FeCO3在含缺陷抽油桿表面堆積, 形成較厚的保護膜, 阻礙腐蝕溶液中的離子向金屬擴散, 從而抑制腐蝕反應, 因此溫度對抽油桿腐蝕的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。 當CO2分壓分別為0.05、 0.10 和0.15 MPa 時, 溫度峰值分別為90、 70 和60 ℃, 對應的腐蝕速率峰值(CRmax) 分別為3.27、 3.95 和4.36 mm/a。 這是因為在不同CO2分壓下, 溶液中溶解的CO2含量不一樣, 進而使抽油桿表面生成致密保護膜時的溫度和腐蝕速率不同。

4.3 CO2 分壓對抽油桿腐蝕速率影響

當溶液pH 值為4 時, 不同溫度下CO2分壓對抽油桿腐蝕速率的影響規(guī)律如圖9 所示。 由圖9 可知, 腐蝕速率先隨著CO2分壓增大而增大, 而后逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。 這是因為當溶液中CO2分壓增大時, 溶液中CO2分子的擴散速率增大, 加快了陰極反應, 生成的碳酸濃度升高, 電離得到的H+濃度也隨之增大, 進一步加快了陽極金屬鐵的溶解, 使得腐蝕速率增大。 當CO2分壓增大到0.5 MPa 時, 溫度越高越先趨于平穩(wěn)。 這是由于生成的腐蝕產物FeCO3沉淀在抽油桿表面并形成保護性的致密膜, 使腐蝕反應速率減緩。

圖9 CO2 分壓對抽油桿腐蝕速率的影響Fig.9 Effect of different CO2 partial pressure on sucker rod corrosion rate

4.4 pH 值對抽油桿腐蝕速率的影響

圖10 為抽油桿在不同pH 值下的腐蝕速率。從圖10 可以看出: 當CO2分壓為0.1 MPa、 pH 值為3 時, 抽油桿腐蝕速率最大; 隨著溶液pH 值的增大, 腐蝕速率逐漸降低; 當溫度為40 ℃時, 抽油桿的腐蝕速率隨pH 值的增大而降低了68.2%;當溫度為80 ℃時, 抽油桿腐蝕速率隨pH 值增大降低了90.7%。 腐蝕速率不同程度的降低, 說明溶液pH 值對抽油桿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CO2分壓一定時, 陰極反應生成的碳酸與溶液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和形成FeCO3。

圖10 對抽油桿腐蝕速率的影響Fig.10 Effects of pH on corrosion rates of sucker rod

4.5 缺陷長度對抽油桿腐蝕的影響

當pH 值為4, 溫度分別為40、 60、 70 和90℃時, 腐蝕720 h 后, 模擬抽油桿不同缺陷長度的腐蝕深度變化, 結果如圖11、 圖12 和圖13 所示。

圖11 缺陷長度為1 mm 的腐蝕深度變化Fig.11 Change of corrosion depth with defect length of 1 mm

圖12 缺陷長度為2 mm 的腐蝕深度變化Fig.12 Change of corrosion depth with defect length of 2 mm

圖13 缺陷長度為3 mm 的腐蝕深度變化Fig.13 Change of corrosion depth with defect length of 3 mm

原缺陷長度L0分別為1、 2 和3 mm, 腐蝕深度為0, 腐蝕720 h 后, 抽油桿腐蝕深度隨著溫度的升高而加深, 隨缺陷長度增加而略微變淺。 當溫度達到90 ℃時, 腐蝕720 h 后的腐蝕深度Dmax分別為1.30、 1.16 和1.05 mm。 抽油桿隨著缺陷長度的增加, 腐蝕長度也在增加, 當抽油桿原缺陷長度L0分別為1、 2 和3 mm 時, 腐蝕最大缺陷長度Lmax分別為4.0、 4.7 和5.4 mm。

圖14 為抽油桿在溫度為90 ℃時, 不同缺陷長度開始腐蝕 (t= 0) 和t= 720 h 后的電位分布云圖。 從圖14 可見, 腐蝕720 h 平衡后的腐蝕電位隨缺陷長度的增加而逐漸負增加, 陰極平衡電位與陽極平衡電位差是腐蝕過程的驅動力, 因而腐蝕速率增大。 當缺陷長度為1 mm 時, 腐蝕電位整體幅度變化最大, 此時的腐蝕深度最深, 如圖15所示。 當缺陷長度為1.3 mm 時, 易導致由點蝕引起的大面積腐蝕。

圖14 溫度90 ℃時, 不同缺陷長度開始腐蝕(t=0) 和t=720 h 后的電位分布云圖Fig.14 Cloud diagram of potential distribution after different defect lengths start corrosion (t=0) and corrosion for t=720 h at 90 ℃

圖15 溫度90 ℃時, 不同缺陷長度開始腐蝕(t=0)和t=720 后的電位分布Fig.15 Corrosion potential change of different defect lengths

4.6 抽油桿腐蝕壽命預測

在不同環(huán)境的腐蝕情況下, 抽油桿因不同的腐蝕速率被大面積均勻腐蝕, 直至發(fā)生斷裂失效。 假設在無應力作用下, 抽油桿發(fā)生的CO2腐蝕為均勻腐蝕, 腐蝕到直徑的?2視為斷裂失效, 則在純腐蝕環(huán)境下, 抽油桿的極限使用壽命為:

式中:λ為抽油桿極限使用壽命, a;r為抽油桿半徑, mm;CR為腐蝕速率, mm/a。

以抽油桿直徑19 mm 為例, 根據(jù)數(shù)值模擬的結果, 分別預測出抽油桿純腐蝕的極限使用壽命,如表1 所示。

表1 抽油桿純腐蝕的極限使用壽命Table 1 Ultimate service life of sucker rod with pure corrosion

從表1 可以看出: 當pH 值為3、 溫度為80℃、 CO2分壓為0.1 MPa 時, 使用壽命最短(1.24 a); 當pH 值為5、 溫度為80 ℃、 CO2分壓為0.1 MPa 時, 使用壽命最長(5.46 a)。

由此可知, 在適當?shù)墓r下作業(yè)時, 有利于對抽油桿的使用壽命進行預測, 可為其合理使用提供參考。

5 結 論

(1) 隨著溫度的升高, 抽油桿CO2腐蝕速率先增大后減小, 呈現(xiàn)出不同溫度峰值和腐蝕速率峰值。 當CO2分壓為0.05、 0.10 和0.15 MPa 時, 溫度峰值分別為90、 70 和60 ℃, 對應的腐蝕速率峰值分別為3.27、 3.95 和4.36 mm/a, 對應的極限使用壽命分別為4.36、 3.95 和3.27 a。 上述結論可為后期安全評價及預測抽油桿的使用壽命提供參考。

(2) 抽油桿腐蝕速率隨著CO2分壓的增大而增大, 當CO2分壓增大到0.5 MPa 后, 腐蝕速率緩慢增長, 最后趨于平穩(wěn)。 抽油桿腐蝕速率隨著pH 值的增大而減小, 同時還受溫度的控制, 溫度為80 ℃時, 抽油桿腐蝕速率降低了90.7%。

(3) 抽油桿的腐蝕深度和腐蝕長度受溫度影響較小, 但在溫度為90 ℃, 腐蝕720 h 后, 腐蝕電位隨缺陷長度的增加而減小。 當缺陷長度為1 mm 時, 抽油桿的腐蝕電位幅度變化最大, 此時的腐蝕深度最深(1.3 mm), 該結論可為后期研究抽油桿點蝕提供參考。