高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試裝置*

賀夢(mèng)琦

(中國(guó)石油遼河油田公司)

0 引 言

國(guó)內(nèi)外油氣井管柱失效中60%以上因腐蝕造成[1]。腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)可以掌握完井管材與環(huán)境工況腐蝕機(jī)制，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，減小管柱腐蝕速率，延長(zhǎng)管柱使用壽命。國(guó)內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較多[2-8]，但模擬工況腐蝕試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)較少[9]，特別是針對(duì)高溫高壓條件下多相流體的動(dòng)態(tài)腐蝕室內(nèi)檢測(cè)檢驗(yàn)還缺少成熟的儀器及標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)高溫高壓氣液兩相工況，許多學(xué)者開(kāi)展了不同管材腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究。黃洪春等[9]針對(duì)“三高”油氣田套管腐蝕難題，利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬了井下條件下套管腐蝕規(guī)律。萬(wàn)里平等[10]利用高溫高壓腐蝕失重試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了氣液兩相條件下N80管材的腐蝕速率。董猛等[11]研究了4種不同主體類型緩蝕劑在高溫高壓H2S/CO2環(huán)境中N80鋼的緩蝕性能。戈磊等[12]針對(duì)高含硫油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的材料腐蝕問(wèn)題，應(yīng)用高溫高壓反應(yīng)釜，對(duì)鎳基合金防腐材質(zhì)開(kāi)展腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)。王建軍等[13]針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)井下氣液兩相工況，利用高溫高壓反應(yīng)釜開(kāi)展了生產(chǎn)套管和油管防腐管材優(yōu)選試驗(yàn)。現(xiàn)有的模擬實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)方法主要利用攪拌實(shí)現(xiàn)釜內(nèi)動(dòng)態(tài)腐蝕，腐蝕流體處于密閉環(huán)境之中，腐蝕試驗(yàn)僅能在靜態(tài)環(huán)境或擬動(dòng)態(tài)環(huán)境中測(cè)試，在較長(zhǎng)的腐蝕時(shí)間(3～14 d)，腐蝕流體一直處于消耗中，變化的腐蝕工況直接影響腐蝕試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。

為解決上述問(wèn)題，筆者對(duì)模擬實(shí)際工況動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，研制出一種高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)裝置。該裝置能夠模擬不同溫度、壓力條件下，持續(xù)注入腐蝕性能的流體，在流動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)。研究結(jié)果可為高溫高壓多相流體腐蝕工況管材優(yōu)選提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制的高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試裝置，為高溫高壓條件下，持續(xù)注入均勻混合的、具有腐蝕性的多相流體，測(cè)試樣件的動(dòng)態(tài)腐蝕速率。為保障測(cè)試的安全性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)系統(tǒng)包含多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕測(cè)試系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、流體排出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其測(cè)試裝置原理如圖1所示。

1—空氣儲(chǔ)罐；2—?dú)庖簲嚢杵鳎?—壓力計(jì)；4—安全閥；5—電磁攪拌機(jī)；6—伺服電機(jī)；7—反應(yīng)釜；8—冷卻水箱；9—冷卻水管路；10—循環(huán)泵；11—排出管路；12—電感探針；13—注入管路；14—預(yù)熱器；15—流量調(diào)節(jié)閥；16、19—活塞容器；17—平流泵；18—腐蝕流體；20—高壓氣罐；21—腐蝕氣體儲(chǔ)罐；22—?dú)怏w增壓泵。圖1 高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試裝置原理圖Fig.1 Working principle of the testing device for dynamic corrosion rates of high-temperature high-pressure multiphase fluids

1.1 多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕測(cè)試系統(tǒng)

1.1.1 材質(zhì)優(yōu)選

高溫高壓反應(yīng)釜選用哈氏合金C276，屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金，被稱為萬(wàn)能抗腐蝕合金鋼[14-15]。C276力學(xué)性能非常突出，具有高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)，在高溫下許用應(yīng)力高達(dá)350 MPa，在690～1 000 ℃范圍內(nèi)可以長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用。設(shè)計(jì)反應(yīng)釜的腐蝕工況為：耐壓50 MPa，耐溫700 ℃，流體介質(zhì)包括地層水、空氣、富氧、煙道氣、CO2、H2S等單一或混合流體。

1.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足腐蝕介質(zhì)恒溫恒壓持續(xù)注入，保障測(cè)試的準(zhǔn)確性，多相循環(huán)流體腐蝕測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了氣液攪拌裝置、預(yù)熱器、氣液混合物注入管路、磁力攪拌機(jī)構(gòu)、高溫高壓反應(yīng)釜、電感探針測(cè)試儀和氣液混合物排出管路。

氣液混合物經(jīng)攪拌裝置均勻混合，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)預(yù)熱裝置升溫，然后進(jìn)入高溫高壓反應(yīng)釜。釜內(nèi)磁力攪拌機(jī)構(gòu)對(duì)進(jìn)入的氣液混合物進(jìn)行攪拌，使腐蝕流體與待測(cè)樣件均勻動(dòng)態(tài)接觸，反應(yīng)后的流體經(jīng)氣液混合物排出管路排出，從而形成氣液混合物動(dòng)態(tài)環(huán)境。同時(shí)，為提高試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性，反應(yīng)釜內(nèi)掛標(biāo)準(zhǔn)腐蝕掛片4～6片，底部增加電感探針測(cè)試儀。待測(cè)金屬為上部掛片中的一種，電感探針測(cè)試儀通過(guò)電感探針的電感變化[16]，確定氣液混合物腐蝕電感探針中的待檢測(cè)金屬的腐蝕速率。測(cè)量的速度較快，能夠?qū)崟r(shí)獲取各時(shí)間段的腐蝕速率[17]，校訂腐蝕試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.1.3 高溫高壓反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫高壓反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖2所示。高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)掛有腐蝕掛片，并設(shè)置有內(nèi)部測(cè)溫探頭，在反應(yīng)釜筒體內(nèi)還插入有電感探針測(cè)試儀的電感探針以及磁力攪拌機(jī)構(gòu)的攪拌棒。在反應(yīng)釜筒體的側(cè)面分別連接有氣液混合物注入管路和氣液混合物排出管路。在反應(yīng)釜筒體的側(cè)面還設(shè)置有用于為反應(yīng)釜筒體加熱的插入式電熱管和用于測(cè)量反應(yīng)釜外側(cè)溫度的反應(yīng)釜測(cè)溫探頭，該電熱管外部包裹有保溫套。另外，冷卻水管路環(huán)繞在反應(yīng)釜筒體側(cè)面。在反應(yīng)釜筒體的上側(cè)設(shè)置有用于蓋住反應(yīng)釜筒體的上蓋，在上蓋外側(cè)設(shè)置有上法蘭蓋。在反應(yīng)釜筒體與上蓋之間還設(shè)置有密封圈，以保障釜內(nèi)流體的密封性。

1—上封頭；2—卡箍；3—上法蘭蓋；4—密封圈；5—筒體；6—插入式電熱管；7—保溫層；8—下堵頭；9—水冷卻循環(huán)套下板；10—釜體下支承板；11—下部支撐桿；12—保溫套下板；13—電感探針；14—測(cè)溫探頭；15—保溫套筒體；16—保溫套上蓋。圖2 高溫高壓反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the high-temperature high-pressure reaction vessel

1.2 安全保護(hù)系統(tǒng)

1.2.1 高壓保護(hù)系統(tǒng)

在預(yù)熱器和高溫高壓反應(yīng)釜的連接管路上設(shè)置有反應(yīng)釜壓力計(jì)和安全閥。在反應(yīng)釜壓力過(guò)大時(shí)，可以開(kāi)啟安全閥，以避免反應(yīng)釜中的壓力過(guò)大。反應(yīng)釜上蓋外側(cè)還設(shè)置有反向膨脹壓緊裝置，通過(guò)反向膨脹壓緊裝置能夠?qū)⑸仙w壓緊，避免高溫高壓反應(yīng)釜在高溫高壓環(huán)境下泄漏。

1.2.2 高溫防燙傷設(shè)計(jì)

高溫高壓反應(yīng)釜外加有保護(hù)套體(保溫套)，保護(hù)套體由上保護(hù)套和下保護(hù)套組成。保護(hù)套體對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行保溫，同時(shí)避免試驗(yàn)過(guò)程中的高溫燙傷。

1.2.3 快速制冷設(shè)計(jì)

為保障試驗(yàn)安全開(kāi)展，及時(shí)中止高溫試驗(yàn)，設(shè)置了快速制冷系統(tǒng)。在高溫高壓反應(yīng)釜的外側(cè)設(shè)置有冷卻水管路，冷卻水管路通過(guò)循環(huán)泵與冷卻水箱連接，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的快速冷卻。

1.3 注入系統(tǒng)

1.3.1 液體注入系統(tǒng)

多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試系統(tǒng)連接2個(gè)帶桿活塞容器。該帶桿活塞容器連接有平流泵，在攪拌裝置與帶桿活塞容器之間的連接管路上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。平流泵與腐蝕流體儲(chǔ)罐連接，用于從儲(chǔ)罐中抽取腐蝕流體。

1.3.2 氣體注入系統(tǒng)

多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)三通連接高壓氣罐、氣體增壓泵、空氣壓縮機(jī)、空氣儲(chǔ)罐、腐蝕氣體儲(chǔ)罐、驅(qū)動(dòng)閥、進(jìn)氣閥以及出氣閥。其中，空氣壓縮機(jī)依次連接空氣儲(chǔ)罐、驅(qū)動(dòng)閥以及氣體增壓泵。腐蝕氣體儲(chǔ)罐通過(guò)進(jìn)氣閥與氣體增壓泵連接。氣體增壓泵通過(guò)出氣閥與高壓氣體儲(chǔ)罐連接。在高壓氣體儲(chǔ)罐與攪拌裝置之間的連接路徑上的氣體流量控制器，用于控制注入氣體的流速。

1.4 流體排出系統(tǒng)

氣液混合物排出管路連接有回壓閥，回壓閥分別連接回壓容器和氣液分離器，回壓容器還連接有回壓泵。氣液分離器與廢液存儲(chǔ)裝置連接，回壓泵與廢氣存儲(chǔ)裝置連接。廢液廢氣存儲(chǔ)裝置均加有處理藥劑，用于吸收有毒有害物質(zhì)。

1.5 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括：氣體流量采集與控制單元、試驗(yàn)溫度壓力采集與控制單元、電感探針測(cè)試實(shí)時(shí)腐蝕速率采集單元。氣體流量采集與控制單元用于控制注入腐蝕氣體的種類和氣體比例，經(jīng)氣體增壓泵增壓后進(jìn)入高壓氣體儲(chǔ)罐，再由氣體流量控制器控制混合氣體的注入速度；反應(yīng)釜入口處管線上安裝有進(jìn)氣閥，并連接壓力傳感器，氣液混合物排出管路連接有回壓閥，用于采集背壓，控制試驗(yàn)壓力；反應(yīng)釜內(nèi)部安裝能監(jiān)測(cè)腐蝕流體溫度的測(cè)溫探頭，反應(yīng)釜筒體的側(cè)面還安裝有控溫探頭，用于控制反應(yīng)釜筒體加熱和降溫。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，其試驗(yàn)壓力、溫度、流體速度、電感探針實(shí)時(shí)腐蝕速率通過(guò)探頭及傳感器進(jìn)行測(cè)量并傳輸至PC端，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)方法

參考美國(guó)(NACE)SP0 775—2018《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析》標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試方法。具體試驗(yàn)步驟如下。

(1)檢查試驗(yàn)系統(tǒng)密封性。密封反應(yīng)釜，關(guān)閉回壓閥，利用N2對(duì)測(cè)試裝置增壓至25 MPa，靜置1 h。壓力不變，說(shuō)明密封性良好。

(2)準(zhǔn)備試驗(yàn)流體。設(shè)置氣體比例，將試驗(yàn)氣體通過(guò)氣體增壓泵增至一定壓力(超過(guò)試驗(yàn)壓力3～5 MPa)，并儲(chǔ)存于高壓氣罐中；配制一定礦化度的水溶液，置于腐蝕流體儲(chǔ)罐中。

(3)將腐蝕樣品懸掛于反應(yīng)釜頂部，試樣之間及試樣與反應(yīng)釜壁保持一定距離，上緊螺栓使反應(yīng)釜密封。

(4)設(shè)定試驗(yàn)溫度。設(shè)定預(yù)熱器及反應(yīng)釜的控溫儀，待反應(yīng)釜內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度之后開(kāi)始試驗(yàn)。

(5)設(shè)定試驗(yàn)流體注入流速。

(6)設(shè)定試驗(yàn)壓力，在確定的試驗(yàn)溫度和注入流速下，調(diào)整回壓閥，使試驗(yàn)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力要求。

(7)設(shè)定試驗(yàn)周期開(kāi)始試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)收集試驗(yàn)溫度、壓力、電感探針實(shí)時(shí)腐蝕速率數(shù)據(jù)，同時(shí)繪制曲線。

(8)試驗(yàn)結(jié)束后，停止腐蝕流體注入，并用N2清掃反應(yīng)釜，待反應(yīng)釜泄壓降溫后，取出樣品。

(9)測(cè)試樣品。先用清水沖洗試樣表面殘留溶液，用丙酮浸泡、烘干，對(duì)腐蝕試樣拍照，并進(jìn)行電鏡掃描分析；相關(guān)分析完成后，用腐蝕產(chǎn)物膜清洗液清洗腐蝕產(chǎn)物膜，再用清水、丙酮沖洗后干燥腐蝕試樣；之后對(duì)腐蝕試樣拍攝微距照片，記錄表面腐蝕情況；最后用電子天平稱質(zhì)量并計(jì)算出腐蝕速率。

2.2 高溫高壓動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試

選用遼河油田儲(chǔ)氣庫(kù)群雙x井采出腐蝕氣流體組分、地層水礦化度、儲(chǔ)層溫度和壓力為腐蝕工況，開(kāi)展完井管柱防腐管材優(yōu)選試驗(yàn)評(píng)價(jià)。其中：采出氣氣體組分中腐蝕氣體為CO2，最高分壓為0.624 MPa；儲(chǔ)層溫度為98.4～100.5 ℃；地層水礦化度為3 000～4 000 mg/L；評(píng)價(jià)管材類型包括N80和9Cr這2種不銹鋼管材。電感探針腐蝕試驗(yàn)選用N80進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)間為7 d。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，腐蝕速率均呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)楦g初期形成的腐蝕膜降低了繼續(xù)反應(yīng)的腐蝕速率。N80電感探針測(cè)試腐蝕速率與腐蝕樣件相差不大，由此可用腐蝕探針準(zhǔn)確獲取腐蝕過(guò)程中的腐蝕速率變化，明確不同管材的腐蝕速率變化特征。從9Cr管材動(dòng)態(tài)和靜態(tài)腐蝕速率對(duì)比來(lái)看，動(dòng)態(tài)腐蝕速率是靜態(tài)試驗(yàn)腐蝕速率的1.6～3.2 倍。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)腐蝕過(guò)程中，腐蝕流體的分壓不變，混合均勻的氣液兩相流沖蝕能力強(qiáng)，具有更強(qiáng)的腐蝕能力，所以獲得的腐蝕速率更大，更加符合實(shí)際工況。

為明確管材腐蝕特征，利用掃描電鏡對(duì)比了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)管材腐蝕膜清洗前、后形貌，結(jié)果如圖4所示。圖4中同一材質(zhì)同一腐蝕時(shí)間結(jié)果中，上部為腐蝕膜清洗前，下部為清洗后。

從圖4可以看出：在腐蝕初期(3 d)靜態(tài)工況下，樣件的腐蝕產(chǎn)物膜不明顯，酸洗后無(wú)明顯腐蝕特征；但動(dòng)態(tài)工況下，腐蝕產(chǎn)物膜有少許細(xì)小裂紋，從裂紋處可見(jiàn)產(chǎn)物膜較薄，酸洗后可見(jiàn)輕微的均勻腐蝕。隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)(7 d)，靜態(tài)工況下，樣件表面有薄而明顯的產(chǎn)物膜，酸洗后無(wú)明顯腐蝕特征，其打磨痕跡清晰；動(dòng)態(tài)工況下，樣件的腐蝕產(chǎn)物膜開(kāi)裂明顯，但表面平整，酸洗后無(wú)明顯腐蝕特征。當(dāng)腐蝕時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)(14 d)，2種工況下，樣件表面均有少量晶體顆粒，動(dòng)態(tài)較靜態(tài)的略多，酸洗后，均無(wú)明顯腐蝕特征，但動(dòng)態(tài)較靜態(tài)的表面粗糙度大。

圖4 9Cr材質(zhì)不同工況下腐蝕膜清洗前、后形貌對(duì)比Fig.4 Morphological comparison of 9Cr steel corroded under varied working conditions before and after removal of corrosion films

因腐蝕速率計(jì)算結(jié)果以365 d計(jì)算，而試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間遠(yuǎn)小于計(jì)算值(14 d<365 d)，測(cè)試結(jié)果偏大。因此，基于9Cr動(dòng)態(tài)腐蝕試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，利用室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)間為3、7和14 d的腐蝕速率，擬合并預(yù)測(cè)試驗(yàn)60 d的腐蝕速率，為0.059 mm/a，可以滿足入井管柱服役期間腐蝕速率小于0.076 mm/a的要求。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)新型高溫高壓多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕速率測(cè)試裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)的多相流體動(dòng)態(tài)腐蝕測(cè)試系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)、流體排出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程中腐蝕流體的恒溫恒壓；同時(shí)，利用電感探針測(cè)試儀實(shí)時(shí)測(cè)試鋼材腐蝕速率，有效提高了腐蝕速率的測(cè)試精度。

(2)對(duì)比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種工況，在不同的試驗(yàn)周期中，動(dòng)態(tài)工況的腐蝕速率是靜態(tài)工況的1.6～3.2倍。腐蝕樣件電鏡掃描后，動(dòng)態(tài)工況的表面腐蝕產(chǎn)物更明顯，酸洗后其表面粗糙度也更大。

(3)高溫高壓油氣藏生產(chǎn)過(guò)程中，多相流體沖刷腐蝕不可避免，防腐管材優(yōu)選試驗(yàn)過(guò)程要符合實(shí)際工況，同時(shí)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)安全裕量，保障井筒完井管柱的安全性，減少事故率，提高工程效率。