CN114139399B - 一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种热‑力‑化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法，其特征在于，采用热‑力‑化学耦合有限元方法，借助SOLIDWORKS和ABAQUS建立腐蚀油管的三维有限元力学模型；基于Fortran语言二次开发的UMESHMOTION子程序用于力‑化学耦合；采用XFEM扩展有限元法和基于损伤力学演化的爆裂失效准则研究含腐蚀油管的弹塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展过程、爆裂力学行为及剩余抗内压爆裂强度；通过建立ALE(Adaptive‑Lagrange Euler)腐蚀区域，并启动时间增量，调用UMESHMOTION子程序自动更新腐蚀形貌求解VME及其分布；通过判断STATUSXFEM状态值，如STATUSXFEM＝0，继续启动时间增量，模拟计算，直到STATUSXFEM>0，腐蚀油管起裂，停止计算，求和所有时间增量，实现腐蚀油管服役寿命的动态预测。本发明适用于石油与天然气钻采工程技术领域。
Description
技术领域
本专利涉及石油与天然气钻采工程技术领域，具体是一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法。
背景技术
随着工业的快速发展，人们对石油和天然气的需求日益增长。在石油和天然气行业中钢质管道被广泛运用，然而，管道所处工作环境复杂多样，如地面上、土壤下以及海洋环境中。因此，管道腐蚀现象是广泛存在的。在油气管道腐蚀过程中，油管剩余强度会逐渐降低，最终导致油管失效、破裂、泄漏，造成严重经济损失甚至人员伤亡。油管是原油从地下输送到地面的唯一通道。同时，油管也是油气田开发过程中重要的石油装备材料。它关系着许多生产工序，如洗井、注水、试油和采油等。然而，井下液体含有物如水、氧气、硫化氢、二氧化碳等会对井下油管造成严重腐蚀，给油气井的正常生产和测试工作带来很多困难。油气管道内外腐蚀性介质会对管道内外壁产生各种形式的腐蚀缺陷，这些腐蚀部位会不断发展，直接影响管道承压能力和使用寿命。因此，开展油管材料的腐蚀行为及其服役寿命的研究对能源开采与安全管理领域都有十分重要的意义。
由于氧是极强的去极化剂，未消耗完的氧气在水溶液中易发生电化学腐蚀，再加之油田高温、高压、高矿化、潮湿等复杂的环境条件加速了氧的去极化反应，且疏松的腐蚀产物在注入流体介质冲刷剪切作用下剥落，造成注入油管严重的局部腐蚀，油管发生腐蚀结垢、穿孔和断裂风险很高，直接影响到油井的正常生产，降低油气资源开采的效率。
在注氮气驱过程中，为降低井口注入压力，同时避免纯气驱存在的波及效率低等问题，多采用气水交替混注，注氮气驱主要包括纯注气、纯注水、气水混注三种注入工艺过程。现场注入氮气普遍为工业级(GB3684)98.5％～99.5％，井筒氧引入量很高。在这一驱油过程中，突显出氮气含氧以及注入水含氧对管柱造成的严重腐蚀问题。
减氧驱技术是在空气驱和注氮气驱的基础上发展而来，其中空气来源广泛，成本低廉，但具有一定的危险性；而氮气驱风险性低，但成本相对较高，减氧驱兼取两种气驱的优势。由于注氮气驱所使用的氮气普遍为工业级(GB3684)98.5％～99.5％，而减氧驱的氮气体积分数只要求在90％～99％的区间即可，且随着制氮技术的提升和制氮设备的升级，这种级别的要求是非常容易达到的，所以制气成本会明显下降，大概为注氮气驱的三分之一。相较于空气驱，减氧驱可以降低可燃气爆炸的可能性、爆燃上限浓度，进而扩大安全浓度区间。同时，由于开采作业中的甲烷，硫化氢等一些可燃气体是非常常见的，减氧驱可以增加整个驱替过程的安全性，并且减氧驱中所含的少量氧气还可以和原油发生低温氧化反应产生二氧化氮等气体可溶于原油，从而降低原油粘度，进一步提高采收率。
鉴于采用全尺寸物理模拟试验，很难模拟减氧驱作用下深井及超深井井筒管柱在高温高压复杂工况下的动态腐蚀过程，且非常浪费人力、物力及财力等成本。研究表明：服役油管的安全状态需采用剩余强度评价，温度、压力及腐蚀联合作用下管道剩余强度评估是研究其服役寿命的关键。为此，本文借助SOLIDWORKS建模软件、ABAQUS商业软件、Fortran语言及UMESHMOTION子程序，基于材料力学、热力学及电化学理论，采用计算机模拟技术建立一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法，以解决热-力-化学多场耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命难以准确预测的技术难题，该方法简单、可行，能真实反映井下油管的热力学行为、力学行为、电化学腐蚀行为及三者之间的耦合作用，并动态预测腐蚀油管的服役寿命。
为实现上述目的，本发明所述的一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法，其特征在于，该方法采用热-力-化学耦合有限元方法，针对腐蚀油管建立三维弹塑性有限元大变形力学模型，其中SOLIDWORKS用于腐蚀油管三维几何模型建立，ABA QUS商业软件的温度模块用于热-力耦合，基于Fortran语言二次开发的UMESHMOTION子程序用于化学耦合；采用XFEM扩展有限元法和基于损伤力学演化的爆裂失效准则研究含腐蚀缺陷油管的弹塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展过程、爆裂力学行为及剩余抗内压爆裂强度；采用顺序热-力耦合方法研究温度对油管剩余强度及服役寿命的影响；采用Fortran语言和基于Von-Mises等效应力(VME)和油管材料屈服应力的电化学腐蚀速率模型研究化学腐蚀对油管腐蚀缺陷形貌、剩余强度及服役寿命的影响；动态预测表现为：首先，模拟腐蚀油管在给定温度T、内压P、电化学参数耦合作用下腐蚀油管VME及其分布并得到电化学腐蚀速率模型；其次，选取腐蚀区域并建立ALE(Adaptive-Lagrange Euler自适应拉格朗日欧拉)区域，启动腐蚀时间增量Δt，采用UMESHMOTION子程序控制ALE区域中每一节点向相邻单元面的法向方向移动，得到新的腐蚀形貌；第三，基于新的腐蚀形貌自动更新腐蚀油管三维几何模型并求解VME及其分布；第四，判断STATUSXFEM元素值，如果STATUSXFEM＝0，启动腐蚀时间增量Δt，采用UMESHMOTION子程序控制ALE区域中每一节点向相邻单元面的法向方向移动，得到新的腐蚀形貌；第五，基于新的腐蚀形貌自动更新腐蚀油管三维几何模型并求解VME及其分布；依次类推，直到STATUSXFEM>0，腐蚀油管起裂，不能在该给定温度T、内压P、电化学参数耦合作用下继续服役，停止计算，求和所有腐蚀时间增量Δt为最大服役寿命Tt，实现了腐蚀油管服役寿命的动态预测，具体采取的技术方案如下：
步骤一：假定腐蚀油管服役温度T和运行压力P，电化学腐蚀速率模型为 其中a、b为电化学参数(无量纲)，Vcr：电化学腐蚀速率，(mm/y)，σy：油管材料屈服应力(MPa)；σmises：VME(MPa)；
步骤二：采用热膨胀实验得到膨胀系数γ，采用激光导热仪得到热传导率w，采用拉伸实验得到应力-应变本构关系、断裂能、弹性模量及泊松比；
步骤三：采用SOLIDWORKS建立腐蚀油管三维几何模型，并在腐蚀油管内壁上建立用于模拟均匀腐蚀的等深矩形缺陷或模拟点腐蚀的半球形缺陷，用于假设初始腐蚀缺陷，并将该腐蚀油管三维几何模型导入有限元软件ABAQUS中；
步骤四：基于步骤一确定的服役工况及步骤二得到的力学及热力学参数，定义材料力学及热力学属性，并采用顺序热力耦合法研究温度-压力相互作用；
步骤五：采用XFEM扩展有限元法和基于损伤力学演化的爆裂失效准则研究含腐蚀缺陷油管的弹塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展过程、爆裂力学行为及剩余抗内压爆裂强度，详细方法如下：1、定义属性，主要包括热膨胀实验得到的膨胀系数γ，拉伸实验得到的应力-应变本构关系、断裂能、杨氏模量及泊松比；2、创建裂纹，定义为无初始裂纹，并允许裂纹生长；3、选择步骤四建立的顺序热力耦合ODB文件；4、选择MAXPE损伤，损伤演化类型选择基于能量的、线性软化的损伤演化规律；
步骤六：采用STATUSXFEM状态值表征腐蚀油管裂纹起裂、扩展过程及爆裂力学行为，STATUSXFEM状态值间于0到1之间，如果油管完全开裂，则STATUSXFEM＝1，如果没有裂纹，则STATUSXFEM＝0，如果油管部分起裂及扩展过程，则0<STATUSXFEM<1；
步骤七：采用ABAQUS的ALE功能，选取腐蚀区域建立ALE(Adaptive-LagrangeEuler自适应拉格朗日欧拉)区域，并定义自适应网格区域，调整合理的节点移动次数和网格重绘频率；
步骤八：定义边界条件及载荷，腐蚀油管施加均匀压力场P，整个油管施加温度场T、腐蚀油管两端采用固定约束；
步骤九：切割细分腐蚀缺陷，采用C3D8R单元扫掠划分网格，得到基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型；
步骤十：采用Fortran语言二次开发UMESHMOTION子程序，并将UMESHMOTION子程序植入模型中控制ALE区域节点的移动方向、速度及腐蚀缺陷形貌演变规律，即腐蚀缺陷处任意节点A在初始时刻的坐标为(ρ0，θ0，z0)，启动腐蚀时间增量Δt后，则在UMESHMOTION子程序控制下节点A的新坐标变为(ρ0+dρ，θ0+dθ，z0+dz),其中dρ＝Vcr*Δt，dθ＝2(Vcr*Δt)/ρ，dz＝Vcr*Δt，ρ0、θ0、z0分别表示x、y、z三个方向上的坐标，Vcr表示腐蚀速率，dρ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷x方向上的位移增量，dθ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷y方向上的位移增量，dz表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷z方向上的位移增量；
步骤十一：基于步骤十，启动腐蚀时间增量Δt，当腐蚀缺陷处节点坐标按UMESHMOT ION子程序控制移动后，得到新的腐蚀缺陷形貌；
步骤十二：基于步骤十一得到的新腐蚀缺陷形貌自动更新腐蚀油管三维几何模型，采用基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型对其进行模拟计算，得到当前VME及其分布，从而得到新模型中ALE区域节点腐蚀速率及分布；
步骤十三：判断STATUSXFEM状态值，如果STATUSXFEM＝0，再次启动腐蚀时间增量Δt，重复步骤十一，得到新的腐蚀缺陷形貌，重复步骤十二，对自动更新后的腐蚀油管三维几何模型进行模拟计算，依次类推，直到STATUSXFEM>0，腐蚀油管起裂，停止计算；
步骤十四：求和所有腐蚀时间增量Δt为最大服役寿命Tt，实现了腐蚀油管服役寿命的动态预测。
本发明具有以下的优点：
通过腐蚀油管中的热-力-化学耦合作用机理，建立腐蚀油管腐蚀速率预测模型，能够得到腐蚀油管的动态腐蚀速率，并预测腐蚀油管服役寿命，使油田可以针对自身具体工况来判断腐蚀油管的服役寿命，有效避免因油管腐蚀带来的风险。
附图说明
图1是STATUSXFEM与增量步关系之示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细的描述。
参见附图，本发明提出了一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法，所述方法主要包括以下步骤：
步骤一：以73mm*6.45mm P110S腐蚀油管为例，假定P110S腐蚀油管服役温度为90℃，压力为60MPa，电化学腐蚀速率模型为其中电化学参数a、b分别为-0.69455、-0.2711；Vcr：电化学腐蚀速率，(mm/y)；σy：材料屈服应力(MPa)；σmises：等效应力(MPa)；
步骤二：采用热膨胀实验得到膨胀系数1.21e-51/℃，采用激光导热仪得到热传导率45W/(m*℃)，采用拉伸实验得到应力-应变本构关系、断裂能444.3N/m、杨氏模量为2.1e5MPa及泊松比0.3；
步骤三：采用SOLIDWORKS建立腐蚀油管三维几何模型，并在腐蚀油管内壁上建立用于模拟均匀腐蚀的等深矩形缺陷或模拟点腐蚀的半球形缺陷，用于假设初始腐蚀缺陷，并将该腐蚀油管三维几何模型导入有限元软件ABAQUS中；
步骤四：基于步骤一确定的服役工况及步骤二得到的力学及热力学参数，定义材料力学及热力学属性，主要包括激光导热仪得到热传导率45W/(m*℃)、起始温度25℃和腐蚀油管服役温度90℃，并采用顺序热力耦合法研究温度-压力相互作用；
步骤五：采用XFEM扩展有限元法和基于损伤力学演化的爆裂失效准则研究含腐蚀缺陷油管的弹塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展过程、爆裂力学行为及剩余抗内压爆裂强度，详细方法如下：1、定义属性，主要包括热膨胀实验得到的膨胀系数γ，拉伸实验得到的应力-应变本构关系、断裂能、杨氏模量及泊松比；2、创建裂纹，定义为无初始裂纹，并允许裂纹生长；3、选择步骤四建立的顺序热力耦合ODB文件；4、选择MAXPE损伤，损伤演化类型选择基于能量的、线性软化的损伤演化规律；
步骤六：采用STATUSXFEM状态值表征腐蚀油管裂纹起裂、扩展过程及爆裂力学行为，STATUSXFEM状态值间于0到1之间，如果油管完全开裂，则STATUSXFEM＝1，如果没有裂纹，则STATUSXFEM＝0，如果油管部分起裂及扩展过程，则0<STATUSXFEM<1；
步骤七：采用ABAQUS的ALE功能，选取腐蚀区域建立ALE(Adaptive-LagrangeEuler自适应拉格朗日欧拉)区域，并定义自适应网格区域，调整合理的节点移动次数和网格重绘频率；
步骤八：定义边界条件及载荷，腐蚀油管施加均匀压力场P，整个油管施加温度场T、腐蚀油管两端采用固定约束；
步骤九：切割细分腐蚀缺陷，采用C3D8R单元扫掠划分网格，得到基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型；
步骤十：采用Fortran语言二次开发UMESHMOTION子程序，并将UMESHMOTION子程序植入模型中控制ALE区域节点的移动方向、速度及腐蚀缺陷形貌演变规律，即腐蚀缺陷处任意节点A在初始时刻的坐标为(ρ0，θ0，z0)，启动腐蚀时间增量Δt后，则在UMESHMOTION子程序控制下节点A的新坐标变为(ρ0+dρ，θ0+dθ，z0+dz),其中dρ＝Vcr*Δt，dθ＝2(Vcr*Δt)/ρ，dz＝Vcr*Δt，ρ0、θ0、z0分别表示x、y、z三个方向上的坐标，Vcr表示腐蚀速率，dρ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷x方向上的位移增量，dθ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷y方向上的位移增量，dz表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷z方向上的位移增量；
步骤十一：基于步骤十，启动腐蚀时间增量Δt，当腐蚀缺陷处节点坐标按UMESHMOT ION子程序控制移动后，得到新的腐蚀缺陷形貌；
步骤十二：基于步骤十一得到的新腐蚀缺陷形貌自动更新腐蚀油管三维几何模型，采用基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型对其进行模拟计算，得到当前VME及其分布，从而得到新模型中ALE区域腐蚀缺陷处节点腐蚀速率及分布；
步骤十三：判断STATUSXFEM状态值，如果STATUSXFEM＝0，再次启动腐蚀时间增量Δt，重复步骤十一，得到新的腐蚀缺陷形貌，重复步骤十二，对自动更新后的腐蚀油管三维几何模型进行模拟计算，依次类推，直到STATUSXFEM>0，腐蚀油管起裂，停止计算；
步骤十四：求和所有腐蚀时间增量Δt为最大服役寿命Tt，实现了腐蚀油管服役寿命的动态预测；
步骤十五：随着腐蚀模拟的进行，主应变满足初始临界损伤准则时，P110S腐蚀油管材料开始退化，产生裂纹。
Claims (1)
1.一种热-力-化学耦合作用下减氧驱腐蚀油管服役寿命动态预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：假定腐蚀油管服役温度T和运行压力P，电化学腐蚀速率模型为其中a、b为电化学参数(无量纲)，Vcr：电化学腐蚀速率，(mm/y)，σy：油管材料屈服应力(MPa)；σmises：Von-Mises等效应力(MPa)；
步骤二：采用热膨胀实验得到膨胀系数γ，采用激光导热仪得到热传导率w，采用拉伸实验得到应力-应变本构关系、断裂能、弹性模量及泊松比；
步骤三：采用SOLIDWORKS建立腐蚀油管三维几何模型，并在腐蚀油管内壁上建立用于模拟均匀腐蚀的等深矩形缺陷或模拟点腐蚀的半球形缺陷，用于假设初始腐蚀缺陷，并将该腐蚀油管三维几何模型导入有限元软件ABAQUS中；
步骤四：基于步骤一确定的服役工况及步骤二得到的力学及热力学参数，采用ABAQUS软件定义材料力学及热力学属性，并采用顺序热力耦合法研究温度-压力相互作用；
步骤五：采用XFEM扩展有限元法和基于损伤力学演化的爆裂失效准则研究含腐蚀缺陷油管的弹塑性变形、裂纹起裂、裂纹扩展过程、爆裂力学行为及剩余抗内压爆裂强度；
步骤六：采用STATUSXFEM状态值表征腐蚀油管裂纹起裂、扩展过程及爆裂力学行为，STATUSXFEM状态值间于0到1之间，如果油管完全开裂，则STATUSXFEM＝1，如果没有裂纹，则STATUSXFEM＝0，如果油管部分起裂及扩展过程，则0<STATUSXFEM<1；
步骤七：采用ABAQUS的ALE功能，选取腐蚀区域建立ALE(Adaptive-Lagrange Euler自适应拉格朗日欧拉)区域，并定义自适应网格区域，调整合理的节点移动次数和网格重绘频率；
步骤八：定义边界条件及载荷，腐蚀油管施加均匀压力场P，整个油管施加温度场T、腐蚀油管两端采用固定约束；
步骤九：切割细分腐蚀缺陷，采用C3D8R单元扫掠划分网格，得到基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型；
步骤十：采用Fortran语言二次开发UMESHMOTION子程序，并将UMESHMOTION子程序植入模型中控制ALE区域节点的移动方向、速度及腐蚀缺陷形貌演变规律，即腐蚀缺陷处任意节点A在初始时刻的坐标为(ρ0，θ0，z0)，启动腐蚀时间增量Δt后，则在UMESHMOTION子程序控制下节点A的新坐标变为(ρ0+dρ，θ0+dθ，z0+dz)，其中dρ＝Vcr*Δt，dθ＝2(Vcr*Δt)/ρ，dz＝Vcr*Δt，ρ0、θ0、z0分别表示x、y、z三个方向上的坐标，Vcr表示腐蚀速率，dρ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷x方向上的位移增量，dθ表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷y方向上的位移增量，dz表示在腐蚀速度Vcr下经过腐蚀Δt时间后腐蚀缺陷z方向上的位移增量；
步骤十一：基于步骤十，启动腐蚀时间增量Δt，当ALE区域节点的坐标按UMESHMOTION子程序控制移动后，得到新的腐蚀缺陷形貌；
步骤十二：基于步骤十一得到的新腐蚀缺陷形貌自动更新腐蚀油管三维几何模型，采用基于热-力-化学耦合的三维弹塑性有限元大变形力学模型对其进行模拟计算，得到当前Von-Mises等效应力及其分布，从而得到新模型中ALE区域节点的腐蚀速率及分布；
步骤十三：判断STATUSXFEM状态值，如果STATUSXFEM＝0，再次启动腐蚀时间增量Δt，重复步骤十一，得到新的腐蚀缺陷形貌，重复步骤十二，对自动更新后的腐蚀油管三维几何模型进行模拟计算，依次类推，直到STATUSXFEM>0，腐蚀油管起裂，停止计算；
步骤十四：求和所有腐蚀时间增量Δt为最大服役寿命Tt，实现了腐蚀油管服役寿命的动态预测。
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Patent Citations (5)
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