高溫高壓多相流體動態腐蝕速率測試裝置*

2023-02-27 12:41:26賀夢琦

石油機械 2023年1期

賀夢琦

(中國石油遼河油田公司)

0 引言

國內外油氣井管柱失效中60%以上因腐蝕造成[1]。腐蝕試驗檢測可以掌握完井管材與環境工況腐蝕機制，優化生產參數，減小管柱腐蝕速率，延長管柱使用壽命。國內外腐蝕試驗評價標準較多[2-8]，但模擬工況腐蝕試驗檢測標準較少[9]，特別是針對高溫高壓條件下多相流體的動態腐蝕室內檢測檢驗還缺少成熟的儀器及標準。

針對高溫高壓氣液兩相工況，許多學者開展了不同管材腐蝕試驗評價研究。黃洪春等[9]針對“三高”油氣田套管腐蝕難題，利用高溫高壓反應釜模擬了井下條件下套管腐蝕規律。萬里平等[10]利用高溫高壓腐蝕失重試驗，評價了氣液兩相條件下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環境中N80鋼的緩蝕性能。戈磊等[12]針對高含硫油氣田開發過程中的材料腐蝕問題，應用高溫高壓反應釜，對鎳基合金防腐材質開展腐蝕試驗評價。王建軍等[13]針對儲氣庫井下氣液兩相工況，利用高溫高壓反應釜開展了生產套管和油管防腐管材優選試驗?，F有的模擬實際工況的動態腐蝕試驗方法主要利用攪拌實現釜內動態腐蝕，腐蝕流體處于密閉環境之中，腐蝕試驗僅能在靜態環境或擬動態環境中測試，在較長的腐蝕時間(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測試的準確性。

為解決上述問題，筆者對模擬實際工況動態腐蝕試驗方法進行研究，研制出一種高溫高壓多相流體動態腐蝕試驗裝置。該裝置能夠模擬不同溫度、壓力條件下，持續注入腐蝕性能的流體，在流動條件下的動態腐蝕試驗。研究結果可為高溫高壓多相流體腐蝕工況管材優選提供指導。

1 系統設計

研制的高溫高壓多相流體動態腐蝕速率測試裝置，為高溫高壓條件下，持續注入均勻混合的、具有腐蝕性的多相流體，測試樣件的動態腐蝕速率。為保障測試的安全性和準確性，試驗系統包含多相流體動態腐蝕測試系統、安全保護系統、流體注入系統、流體排出系統、數據采集與監測系統。其測試裝置原理如圖1所示。

1—空氣儲罐；2—氣液攪拌器；3—壓力計；4—安全閥；5—電磁攪拌機；6—伺服電機；7—反應釜；8—冷卻水箱；9—冷卻水管路；10—循環泵；11—排出管路；12—電感探針；13—注入管路；14—預熱器；15—流量調節閥；16、19—活塞容器；17—平流泵；18—腐蝕流體；20—高壓氣罐；21—腐蝕氣體儲罐；22—氣體增壓泵。圖1 高溫高壓多相流體動態腐蝕速率測試裝置原理圖Fig.1 Working principle of the testing device for dynamic corrosion rates of high-temperature high-pressure multiphase fluids

1.1 多相流體動態腐蝕測試系統

1.1.1 材質優選

高溫高壓反應釜選用哈氏合金C276，屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金，被稱為萬能抗腐蝕合金鋼[14-15]。C276力學性能非常突出，具有高強度和高韌性的特點，在高溫下許用應力高達350 MPa，在690～1 000 ℃范圍內可以長時間應用。設計反應釜的腐蝕工況為：耐壓50 MPa，耐溫700 ℃，流體介質包括地層水、空氣、富氧、煙道氣、CO2、H2S等單一或混合流體。

1.1.2 系統設計

為滿足腐蝕介質恒溫恒壓持續注入，保障測試的準確性，多相循環流體腐蝕測試系統設計了氣液攪拌裝置、預熱器、氣液混合物注入管路、磁力攪拌機構、高溫高壓反應釜、電感探針測試儀和氣液混合物排出管路。

氣液混合物經攪拌裝置均勻混合，進一步經過預熱裝置升溫，然后進入高溫高壓反應釜。釜內磁力攪拌機構對進入的氣液混合物進行攪拌，使腐蝕流體與待測樣件均勻動態接觸，反應后的流體經氣液混合物排出管路排出，從而形成氣液混合物動態環境。同時，為提高試驗測試的準確性，反應釜內掛標準腐蝕掛片4～6片，底部增加電感探針測試儀。待測金屬為上部掛片中的一種，電感探針測試儀通過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金屬的腐蝕速率。測量的速度較快，能夠實時獲取各時間段的腐蝕速率[17]，校訂腐蝕試驗的準確性。

1.1.3 高溫高壓反應釜結構設計

高溫高壓反應釜結構如圖2所示。高溫高壓反應釜內掛有腐蝕掛片，并設置有內部測溫探頭，在反應釜筒體內還插入有電感探針測試儀的電感探針以及磁力攪拌機構的攪拌棒。在反應釜筒體的側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。在反應釜筒體的側面還設置有用于為反應釜筒體加熱的插入式電熱管和用于測量反應釜外側溫度的反應釜測溫探頭，該電熱管外部包裹有保溫套。另外，冷卻水管路環繞在反應釜筒體側面。在反應釜筒體的上側設置有用于蓋住反應釜筒體的上蓋，在上蓋外側設置有上法蘭蓋。在反應釜筒體與上蓋之間還設置有密封圈，以保障釜內流體的密封性。

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—測溫探頭；15—保溫套筒體；16—保溫套上蓋。圖2 高溫高壓反應釜結構Fig.2 Structure of the high-temperature high-pressure reaction vessel

1.2 安全保護系統

1.2.1 高壓保護系統

在預熱器和高溫高壓反應釜的連接管路上設置有反應釜壓力計和安全閥。在反應釜壓力過大時，可以開啟安全閥，以避免反應釜中的壓力過大。反應釜上蓋外側還設置有反向膨脹壓緊裝置，通過反向膨脹壓緊裝置能夠將上蓋壓緊，避免高溫高壓反應釜在高溫高壓環境下泄漏。

1.2.2 高溫防燙傷設計

高溫高壓反應釜外加有保護套體(保溫套)，保護套體由上保護套和下保護套組成。保護套體對反應釜進行保溫，同時避免試驗過程中的高溫燙傷。

1.2.3 快速制冷設計

為保障試驗安全開展，及時中止高溫試驗，設置了快速制冷系統。在高溫高壓反應釜的外側設置有冷卻水管路，冷卻水管路通過循環泵與冷卻水箱連接，可實現反應釜的快速冷卻。

1.3 注入系統

1.3.1 液體注入系統

多相流體動態腐蝕速率測試系統連接2個帶桿活塞容器。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置流量調節閥。平流泵與腐蝕流體儲罐連接，用于從儲罐中抽取腐蝕流體。

1.3.2 氣體注入系統

多相流體動態腐蝕速率測試系統通過三通連接高壓氣罐、氣體增壓泵、空氣壓縮機、空氣儲罐、腐蝕氣體儲罐、驅動閥、進氣閥以及出氣閥。其中，空氣壓縮機依次連接空氣儲罐、驅動閥以及氣體增壓泵。腐蝕氣體儲罐通過進氣閥與氣體增壓泵連接。氣體增壓泵通過出氣閥與高壓氣體儲罐連接。在高壓氣體儲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

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裝置連接，回壓泵與廢氣存儲裝置連接。廢液廢氣存儲裝置均加有處理藥劑，用于吸收有毒有害物質。

1.5 數據采集與控制系統

數據采集與控制系統包括：氣體流量采集與控制單元、試驗溫度壓力采集與控制單元、電感探針測試實時腐蝕速率采集單元。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，經氣體增壓泵增壓后進入高壓氣體儲罐，再由氣體流量控制器控制混合氣體的注入速度；反應釜入口處管線上安裝有進氣閥，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，控制試驗壓力；反應釜內部安裝能監測腐蝕流體溫度的測溫探頭，反應釜筒體的側面還安裝有控溫探頭，用于控制反應釜筒體加熱和降溫。當系統工作時，其試驗壓力、溫度、流體速度、電感探針實時腐蝕速率通過探頭及傳感器進行測量并傳輸至PC端，從而實現實時監測與控制。

2 試驗測試

2.1 試驗方法

參考美國(NACE)SP0 775—2018《油田生產中腐蝕掛片的準備和安裝以及試驗數據的分析》標準，設計高溫高壓多相流體動態腐蝕速率測試方法。具體試驗步驟如下。

(1)檢查試驗系統密封性。密封反應釜，關閉回壓閥，利用N2對測試裝置增壓至25 MPa，靜置1 h。壓力不變，說明密封性良好。

(2)準備試驗流體。設置氣體比例，將試驗氣體通過氣體增壓泵增至一定壓力(超過試驗壓力3～5 MPa)，并儲存于高壓氣罐中；配制一定礦化度的水溶液，置于腐蝕流體儲罐中。

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

(4)設定試驗溫度。設定預熱器及反應釜的控溫儀，待反應釜內溫度達到設定溫度之后開始試驗。

(5)設定試驗流體注入流速。

(6)設定試驗壓力，在確定的試驗溫度和注入流速下，調整回壓閥，使試驗壓力達到設計壓力要求。

(7)設定試驗周期開始試驗，計算機收集試驗溫度、壓力、電感探針實時腐蝕速率數據，同時繪制曲線。

(8)試驗結束后，停止腐蝕流體注入，并用N2清掃反應釜，待反應釜泄壓降溫后，取出樣品。

(9)測試樣品。先用清水沖洗試樣表面殘留溶液，用丙酮浸泡、烘干，對腐蝕試樣拍照，并進行電鏡掃描分析；相關分析完成后，用腐蝕產物膜清洗液清洗腐蝕產物膜，再用清水、丙酮沖洗后干燥腐蝕試樣；之后對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量并計算出腐蝕速率。

2.2 高溫高壓動態腐蝕速率測試

選用遼河油田儲氣庫群雙x井采出腐蝕氣流體組分、地層水礦化度、儲層溫度和壓力為腐蝕工況，開展完井管柱防腐管材優選試驗評價。其中：采出氣氣體組分中腐蝕氣體為CO2，最高分壓為0.624 MPa；儲層溫度為98.4～100.5 ℃；地層水礦化度為3 000～4 000 mg/L；評價管材類型包括N80和9Cr這2種不銹鋼管材。電感探針腐蝕試驗選用N80進行試驗對比。試驗評價時間為7 d。試驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著試驗時間延長，腐蝕速率均呈降低趨勢。這是因為腐蝕初期形成的腐蝕膜降低了繼續反應的腐蝕速率。N80電感探針測試腐蝕速率與腐蝕樣件相差不大，由此可用腐蝕探針準確獲取腐蝕過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管材動態和靜態腐蝕速率對比來看，動態腐蝕速率是靜態試驗腐蝕速率的1.6～3.2 倍。這是因為動態腐蝕過程中，腐蝕流體的分壓不變，混合均勻的氣液兩相流沖蝕能力強，具有更強的腐蝕能力，所以獲得的腐蝕速率更大，更加符合實際工況。

為明確管材腐蝕特征，利用掃描電鏡對比了動態和靜態管材腐蝕膜清洗前、后形貌，結果如圖4所示。圖4中同一材質同一腐蝕時間結果中，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)靜態工況下，樣件的腐蝕產物膜不明顯，酸洗后無明顯腐蝕特征；但動態工況下，腐蝕產物膜有少許細小裂紋，從裂紋處可見產物膜較薄，酸洗后可見輕微的均勻腐蝕。隨腐蝕時間延長(7 d)，靜態工況下，樣件表面有薄而明顯的產物膜，酸洗后無明顯腐蝕特征，其打磨痕跡清晰；動態工況下，樣件的腐蝕產物膜開裂明顯，但表面平整，酸洗后無明顯腐蝕特征。當腐蝕時間進一步延長(14 d)，2種工況下，樣件表面均有少量晶體顆粒，動態較靜態的略多，酸洗后，均無明顯腐蝕特征，但動態較靜態的表面粗糙度大。

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

因腐蝕速率計算結果以365 d計算，而試驗測試時間遠小于計算值(14 d<365 d)，測試結果偏大。因此，基于9Cr動態腐蝕試驗測試結果，利用室內試驗時間為3、7和14 d的腐蝕速率，擬合并預測試驗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。