交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下的注采管柱腐蝕評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下的注采管柱腐蝕評(píng)價(jià)方法，屬于 天然氣開(kāi)采工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，儲(chǔ)氣庫(kù)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為中石油的重要業(yè)務(wù)。一大批枯竭氣藏型、鹽穴型儲(chǔ)氣 庫(kù)不斷建設(shè)、投產(chǎn)。在已投產(chǎn)的儲(chǔ)氣庫(kù)中，注采井不同程度地出現(xiàn)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，其主要原 因就是注采管柱失效。注重設(shè)計(jì)注采管柱是避免或降低失效概率非常重要的方法。
[0003] 目前，注采管柱設(shè)計(jì)未能考慮注采管柱在注采運(yùn)行期間承受周期性的載荷，尤其 是進(jìn)行注采管柱材質(zhì)選材評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅模擬腐蝕介質(zhì)工況，存在一定的安全隱患。注采管 柱的安全性將直接影響儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的安全性，輕者進(jìn)行修井作業(yè)，需要花費(fèi)大量人力物 力，重者可造成注采井報(bào)廢，甚至引發(fā)此生災(zāi)害，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。評(píng)價(jià)在腐蝕介質(zhì)和交 變載荷共同作用下注采管柱的安全性是非常必要的。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)外還未有公開(kāi)發(fā)表研究交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下的注采管柱腐 蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。因此，非常有必要設(shè)計(jì)一套可模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下的注 采管柱腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種注采管柱腐蝕評(píng)價(jià)方法，通過(guò) 模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)注采工況下注采管柱注采管柱材質(zhì)評(píng)價(jià)，能 夠彌補(bǔ)目前無(wú)法開(kāi)展腐蝕介質(zhì)和交變載荷共同作用下的注采管柱腐蝕評(píng)價(jià)的不足，為儲(chǔ)氣 庫(kù)注采管柱安全、合理優(yōu)選注采管柱材質(zhì)提供技術(shù)手段，進(jìn)一步降低注采管柱失效隱患與 風(fēng)險(xiǎn)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下的注采管柱 腐蝕評(píng)價(jià)方法。該方法首先進(jìn)行基礎(chǔ)參數(shù)收集，提取注采管柱在運(yùn)行期間承受的軸向載荷 譜，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案，通過(guò)模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并 進(jìn)行結(jié)果分析，研究交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用對(duì)注采管柱的影響，評(píng)價(jià)優(yōu)選注采工況 下注采管柱注采管柱材質(zhì)，其包括以下步驟：（1)基礎(chǔ)參數(shù)收集；（2)軸向載荷譜提?。唬?) 實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案設(shè)計(jì)；(4)交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境模擬；（5)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，本發(fā)明提供的上述方法包括以下具體步驟：
[0008] (1)基礎(chǔ)參數(shù)收集：
[0009] 收集儲(chǔ)氣庫(kù)注采井的基本參數(shù)，包括注采管柱參數(shù)和注采工況運(yùn)行參數(shù)；
[0010] 上述注采管柱參數(shù)優(yōu)選包括注采管柱長(zhǎng)度、壁厚、鋼級(jí)、外徑以及材質(zhì)等，注采工 況運(yùn)行參數(shù)優(yōu)選包括運(yùn)行周期、注采溫度（該注采溫度優(yōu)選包括井口的注采溫度和井底的 注采溫度）、注采壓力（該注采壓力優(yōu)選包括井口的注采壓力和井底的注采壓力）以及二 氧化碳、硫化氫、氯離子等腐蝕介質(zhì)的含量以及環(huán)空保護(hù)液密度等。以上參數(shù)是評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的 基礎(chǔ)。溫度、壓力、腐蝕介質(zhì)含量等的取值均可以從氣田的開(kāi)發(fā)方案中獲得，屬于氣田的基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)需要就可以得到的。對(duì)于管材的腐蝕需要考慮：壓力及腐 蝕介質(zhì)含量（即分壓）、溫度等的影響；一般規(guī)律是分壓越高，電化學(xué)腐蝕速率越高；材質(zhì)不 同，溫度對(duì)腐蝕的影響規(guī)律不同，對(duì)于不銹鋼，腐蝕速率存在峰值；對(duì)于硫化物應(yīng)力開(kāi)裂，則 在溫度較低和溫度較高時(shí)易發(fā)生。
[0011] (2)軸向載荷譜提?。?br>[0012] 根據(jù)注采管柱參數(shù)建立有限元實(shí)體模型，按照注采工況運(yùn)行參數(shù)，以注采溫度、注 采壓力作為邊界條件對(duì)注采管柱的有限元實(shí)體模型進(jìn)行加載，模擬注采管柱的受力情況， 得出注采管柱承受的軸向載荷，得到軸向載荷譜；
[0013] 上述注采管柱承受的軸向載荷優(yōu)選包括注氣末關(guān)井、采氣初期、采氣高峰、采氣末 期、采氣末關(guān)井、注氣初期、注氣高峰和注氣末期時(shí)的軸向載荷；更優(yōu)選地，注采管柱承受的 軸向載荷包括井口的注氣末關(guān)井、采氣初期、采氣高峰、采氣末期、采氣末關(guān)井、注氣初期、 注氣高峰和注氣末期時(shí)的軸向載荷，以及井底的注氣末關(guān)井、采氣初期、采氣高峰、采氣末 期、采氣末關(guān)井、注氣初期、注氣高峰和注氣末期時(shí)的軸向力。
[0014] (3)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：
[0015] 設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以利用慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)評(píng)定樣品在承 受不同應(yīng)力后的應(yīng)力腐蝕敏感性。這里的對(duì)比實(shí)驗(yàn)優(yōu)選包括不同溫度、壓力以及腐蝕介質(zhì) 含量條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；在相同溫度、壓力以及腐蝕介質(zhì)含量條件下可設(shè)計(jì)4組對(duì)比方案： 交變載荷、恒定高載荷、恒定低載荷、無(wú)載荷；每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)展2次，進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)和腐蝕鈍化 膜分析。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可酌情減少溫度、壓力以及腐蝕介質(zhì)含量工況，但至少應(yīng)包括 最苛刻的工況。實(shí)驗(yàn)施加交變載荷、恒定高載荷、恒定低載荷、無(wú)載荷四種載荷的主要目的 是與交變載荷進(jìn)行平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)交變載荷對(duì)注采管柱的影響。最苛刻的工況是指分 壓最高、涵蓋最惡劣的溫度范圍的工況。
[0016] (4)交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境模擬：
[0017] 按照實(shí)驗(yàn)方案模擬恒定高載荷、恒定低載荷、無(wú)載荷、交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作 用的環(huán)境，對(duì)注采管柱施加軸向載荷進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，所述軸向載荷為所述軸向載荷譜中的 軸向載荷；
[0018] 該模擬實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境進(jìn)行，所采用的實(shí)驗(yàn) 裝置包括密閉容器和載荷施加裝置。在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可向密閉容器內(nèi)充入適量的二氧 化碳和硫化氫氣體，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行條件的二氧化碳分壓和硫化氫分壓，充入適量的地層 水或模擬地層水（儲(chǔ)氣庫(kù)注采井在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免的會(huì)將地層水帶出地面，其中的 氯離子會(huì)促進(jìn)腐蝕發(fā)生，充入地層水的目的是為了模擬腐蝕環(huán)境）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)樣 品的一端固定在密閉容器內(nèi)。載荷施加裝置用于給樣品施加軸向載荷。載荷施加裝置和密 閉容器接觸處實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)氣體泄漏。實(shí)驗(yàn)施加的軸向載荷以步驟 (2)提取的載荷譜為準(zhǔn)，交變載荷模擬注采周期的波動(dòng)載荷（施加的載荷是有限元模型得 出的注采管柱的軸向力，然后根據(jù)注采管柱管壁的橫截面積換算成載荷），恒定高載荷可以 選擇注采周期中關(guān)井時(shí)相對(duì)較高的拉伸載荷，恒定低載荷可以選擇注采周期中關(guān)井時(shí)相對(duì) 較低的拉伸載荷，但不限于此。實(shí)驗(yàn)樣品應(yīng)同時(shí)滿足評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備和GB/T 19291-2003 腐蝕試驗(yàn)一般原則中關(guān)于試樣加工的要求。所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)變動(dòng)載荷加載及量化， 并同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境的耐蝕性和密封性要求即可。本發(fā)明的重點(diǎn)是提供一種可同時(shí)模擬交 變載荷和腐蝕介質(zhì)作用的注采管柱評(píng)價(jià)方法，載荷選擇根據(jù)有限元模型得出軸向力，然后 除以注采管柱管壁的橫截面積，得出軸向載荷。載荷的選擇也很重要，載荷選擇要涵蓋注采 管柱實(shí)際運(yùn)行的載荷范圍，所以設(shè)計(jì)了從最高載荷到最低載荷逐漸變化的交變過(guò)程。
[0019] (5)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析：
[0020] 對(duì)經(jīng)過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的注采管柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)慢拉伸（SSRT)試驗(yàn)，同時(shí)記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲 線直至注采管柱被拉斷，對(duì)拉斷后的注采管柱的斷口微觀形貌進(jìn)行分析；優(yōu)選地，在動(dòng)態(tài)慢 拉伸試驗(yàn)中，應(yīng)至少測(cè)定延伸率、斷裂強(qiáng)度、斷裂時(shí)間這三種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0021] 樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)時(shí)，以8X 10 5mm/s應(yīng)變速率對(duì)腐蝕后的樣品進(jìn)行 動(dòng)態(tài)慢拉伸實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線直至樣品被拉斷為止，并對(duì)利用掃描電鏡對(duì)拉 斷后樣品斷口微觀形貌進(jìn)行分析；
[0022] 根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及斷口微觀形貌分析結(jié)果得出交變載荷和腐蝕介質(zhì)的共 同作用對(duì)于注采管柱的影響。
[0023] 在分析時(shí)，如果實(shí)驗(yàn)樣品開(kāi)始發(fā)生塑性變形時(shí)應(yīng)變?yōu)樵叫。C明其塑性越小，脆性 越大；樣品延伸率越小，也證明其塑性越小，脆性越大。研究SSRT實(shí)驗(yàn)后樣品斷口形貌，主 要觀察斷口是否有解理面和韌窩。綜合分析樣品的塑性變形應(yīng)變和SSRT獲得的斷口形貌， 得出腐蝕介質(zhì)和交變載荷共同作用對(duì)材質(zhì)的影響，從而進(jìn)一步評(píng)價(jià)注采管柱安全性。
[0024] 本發(fā)明首次建立了可模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境的注采管柱腐蝕評(píng) 價(jià)實(shí)驗(yàn)方法，采用該方法能夠模擬交變載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用環(huán)境，評(píng)價(jià)注采管柱強(qiáng)度 性能，優(yōu)選儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱材質(zhì)，確保注采管柱安全，能夠進(jìn)一步降低注采管柱失效隱患與 風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而保障儲(chǔ)氣庫(kù)注采安全平穩(wěn)運(yùn)行，避免儲(chǔ)氣庫(kù)不必要的"停注停采"，以及可能發(fā)生 的災(zāi)難性后果，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為井口和井底處的等效軸向載荷譜；
[0026] 圖2為不同實(shí)驗(yàn)方案所得到的樣品的SSRT拉伸曲線；
[0027] 圖3為不同載荷下所得到的樣品的SSRT斷口微觀形貌，其中，a代表無(wú)載荷，b代 表波動(dòng)載荷，c代表較高載荷，d代表較低載荷。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說(shuō)明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 本實(shí)施例提供了一種交變載