CN102410980B - 二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法。通过工艺流程控制CO₂相态变化以及压力温度的变化，从而达到进行各类现场先导式腐蚀试验及材料评价的目的；本发明装置具有试验压力范围大、温度范围广、可进行试验种类多的特点，为油田带来一套完备的“室内研究—模拟实验-现场先导性试验”三位一体的新技术研发试验推广体系，使科研、试验、生产有机结合，加速了科技成果的转化进程。

Description

二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法。

背景技术

目前CO₂大量排放而引起的全球气候变暖问题日趋严峻。21世纪环境保护受到国际社会高度关注。全球气温上升控制目标比工业革命前水平高2℃以内,因此必须采取积极有效措施。捕获和埋存废气中的CO₂是避免气候变化的有效途径之一，同时要求CO₂须埋存几百或几千年。埋存对环境产生的影响最小、成本较低且遵守国际法规。CO₂地下埋存的主要场所是枯竭的油气藏、深部的盐水储集层、不能开采的煤层和深海等。CO₂地下埋存可应对因能源需求增长和CO₂排放量增加带来的挑战,必将为全球资源及环境的高水平、高效益开发和可持续发展提供理论及实践依据。

而同时，国内外研究表明，CO₂又是一种非常高效的驱油剂，特别在开发低渗透、难动用储量方面，具有比水驱更明显的技术优势。但由于缺乏有效的 CO₂综合利用成套技术和实践经验，亟待解决 CO₂综合利用的防腐及地面集输的重大瓶颈技术问题，比如：CO₂驱过程中的腐蚀问题突出，安全、低成本实施没有保障；CO₂气体的实验采用的仍然是常规气体的实验设备，不能满足高含CO₂的要求，有些实验无法开展，气田开发和CO₂埋存及利用缺少相应的资料数据支持。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法，为油田带来一套完备的“室内研究—模拟实验-现场先导性试验”三位一体的新技术研发试验推广体系，使科研、试验、生产有机结合，加速了科技成果的转化进程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置，包括依次连接的液态CO₂计量存储橇、高压泵注橇、高压加热器橇、腐蚀试验橇、模拟井和调压放空橇，其中：

所述液态CO₂计量存储橇包括依次连接的第一电动球阀、第一控制阀、液态CO₂存储罐和液态CO₂存储罐出口控制阀；

所述高压泵注橇 包括依次连接的第二控制阀、屏蔽电泵、第一平板阀和柱塞计量泵；在第一平板阀和柱塞计量泵之间并联有第二平板阀；

所述高压加热器橇包括依次连接的第一高压电加热器和第三控制阀，还设置有调压阀与第三控制阀并联；

所述腐蚀试验橇，包括依次连接的高压相态视窗、腐蚀试验段、腐蚀试验罐和在线腐蚀监测系统；其中：高压相态视窗的前端和后端分别设置有第二电动球阀和第一平板闸阀，高压相态视窗还设置有旁通，在旁通上设置有第三电动球阀；腐蚀试验段的前端和后端分别设置有第四电动球阀和第二平板闸阀，腐蚀试验段还设置有旁通，在旁通上设置有第五电动球阀；腐蚀试验罐的前端和后端分别设置有第六电动球阀和第三平板闸阀，腐蚀试验罐还设置有旁通，在旁通上设置有第七电动球阀；在线腐蚀监测系统的前端和后端分别设置有第八电动球阀和第四平板闸阀，在线腐蚀监测系统还设置有旁通，在旁通上设置有第九电动球阀；

所述调压放空橇包括依次连接的过滤器、第一背压阀、第二背压阀和放空罐；在第一背压阀和第二背压阀之间设置有第二高压电加热器；还设置有第二球阀与第一背压阀并联。在还设置有第三球阀与放空罐连通，在放空罐顶部设计止回阀。

在液态CO₂存储罐内设置有制冷冰机，在液态CO₂存储罐顶端设置有第一安全阀。柱塞计量泵还设置安全溢流阀。在第三控制阀之后还设置有第二安全阀。所述腐蚀试验罐顶端还设有放空阀，下端设有排污阀。在高压加热器橇之后、腐蚀试验橇之前还设置缓蚀剂加注橇或污水加注橇。还设置空压机橇与调压放空橇连接。

本发明还提供了一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置及试验方法，包括如下步骤：

第一步，液态CO₂进入首先液态CO₂计量存储橇中进行制冷、计量和储存；

第二步，压力、温度调节：

１）如果后端所需试验压力高于2.0MPa，则启动柱塞计量泵并关闭调压阀、打开第三控制阀通往下游，采用高压泵注橇的柱塞计量泵配合调压放空橇的第一背压阀和第二背压阀，对液态CO₂计量存储橇的来气进行升压，采用高压加热器橇对CO₂进行升温；

２）如果后端所需实验压力低于2.0MPa，则关闭第三控制阀，使用调压阀进行压力调节，采用高压加热器橇对CO₂进行升温，在CO₂达到所需温度后，通过设置第二背压阀压力，控制试验压力。

第三步，在压力及温度调节完毕后，可根据需要接入缓蚀剂加注橇进行缓蚀剂加注和污水加注橇进行污水加注，加注完毕后进入腐蚀试验橇和模拟井进行各类型现场先导式腐蚀试验；

第四步，通过调压放空橇进行气体放空及废液收集排放处理：

首先通过过滤器进行杂质过滤；

１）如果试验压力高于10MPa，则关闭第二球阀，设定第一背压阀和第二背压阀的调压参数，开启第二高压电加热器，以补偿第一级节流温降；

２）如果试验压力低于10MPa，则设定第二背压阀的调压参数，开启第二球阀，关闭第一背压阀；

节流后的试验产物，接至放空罐中储存，污水从第三球阀中排出，放空罐顶部设计止回阀使防空罐与大气相通，并维持在大气压。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过工艺流程控制CO₂相态变化以及压力温度的变化，从而达到进行各类现场先导式腐蚀试验及材料评价的目的。本发明装置具有试验压力范围大（0.5～32MPa）、温度范围广（-25～95°C）、可进行试验种类多的特点，具体表现如下：

1.通过橇装化设计方式，将气源CO₂降温为液体储存备用，在装置末端设置两个背压阀对整个系统进行憋压，根据试验工况配合使用柱塞计量泵升压或者调压阀减压，达到0.5～35MPa压力无极精确控制。

2.采用弹簧盘管状的大功率电加热器，能迅速将试验温度升至20～100度的任意温度，达到20～100度的温度无极精确控制，同时内部铸铝块设计，将加热盘管与铸铝块融为一体，利于温度传输；弹簧状的加热管路更有利于承受相变冲击。

3.前端低温CO₂采用冰机制冷方式降温，改变CO₂相态至液态，区别于通常的低温罐加压液化储存方式，更有利于CO₂的储存，减少排放。

4.核心部分为CO₂腐蚀试验橇，集腐蚀试验段、腐蚀试验罐、相态观察视窗、腐蚀检测系统四大试验区于一体，可实现各类腐蚀试验及缓蚀剂筛选评价等功能。

5.采用35MPa高压CO₂腐蚀试验罐，结合分析设计软件验证，吸取以往H₂S等腐蚀试验罐经验，有很强的功能性和试验性。

6.采用雾化器，更好地将CO₂、污水和缓蚀剂进行融合。

本发明适合于高含CO₂油田特征的CO₂驱腐蚀模拟试验橇装装置，为此类油田 CO₂埋存和CO₂驱试验提供技术支持。可通过工况模拟，进行如下试验:

1）CO₂的相态变化观察试验；2）观测温度和压力变化对水合物生成的影响试验；3）流速对CO₂输送管材腐蚀影响试验；4）不同试验区块产出液腐蚀性能评价；5）CO₂封存和注入地面管道设备金属和非金属材料的腐蚀筛选；6）模拟CO₂封存和注入工况条件下缓蚀剂的筛选评估；7）注入井中管柱气密封性能实验； 8）注入井封隔器胶筒抗CO₂老化实验； 9）CO₂对注入井水泥环腐蚀评价。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明各单元流程示意图；

图2是本发明现场布置示意图。

具体实施方式

一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置，如图1所示，包括依次连接的液态CO₂计量存储橇1、高压泵注橇 2、高压加热器橇 3、腐蚀试验橇6、模拟井7和调压放空橇 8，还可以根据需要，在高压加热器橇 3之后、腐蚀试验橇6之前设置缓蚀剂加注橇 4或污水加注橇 5；设置空压机橇 9与调压放空橇 8连接。

如图2所示，所述液态CO₂计量存储橇1包括依次连接的第一电动球阀 10、第一控制阀 11、液态CO₂存储罐 12和液态CO₂存储罐出口控制阀 15；在液态CO₂存储罐 12内设置有制冷冰机 13，在液态CO₂存储罐 12 顶端设置有第一安全阀 14。

所述高压泵注橇 2包括依次连接的第二控制阀 17、屏蔽电泵 19、第一平板阀 20 和柱塞计量泵 21；在第一平板阀 20 和柱塞计量泵 21之间并联有第二平板阀22；柱塞计量泵还设置安全溢流阀 23。

所述高压加热器橇 3包括依次连接的第一高压电加热器 25和第三控制阀 26，还设置有调压阀 27与第三控制阀 26并联；在第三控制阀 26之后还设置有第二安全阀 28。

所述腐蚀试验橇6，包括依次连接的高压相态视窗 32、腐蚀试验段 36 、腐蚀试验罐41和在线腐蚀监测系统 44；其中：

高压相态视窗 32的前端和后端分别设置有第二电动球阀 31和第一平板闸阀33，高压相态视窗 32还设置有旁通，在旁通上设置有第三电动球阀 34；

腐蚀试验段 36的前端和后端分别设置有第四电动球阀 37和第二平板闸阀35，腐蚀试验段 36还设置有旁通，在旁通上设置有第五电动球阀 38；

腐蚀试验罐41的前端和后端分别设置有第六电动球阀 40和第三平板闸阀45，腐蚀试验罐41还设置有旁通，在旁通上设置有第七电动球阀 42；腐蚀试验罐41顶端还设有放空阀39，下端设有排污阀50。

在线腐蚀监测系统 44的前端和后端分别设置有第八电动球阀 46和第四平板闸阀43，在线腐蚀监测系统 44还设置有旁通，在旁通上设置有第九电动球阀47。

所述调压放空橇 8包括依次连接的过滤器 53、第一背压阀 54、第二背压阀 56和放空罐 57；在第一背压阀 54和第二背压阀 56之间设置有第二高压电加热器 55；还设置有第二球阀59与第一背压阀 54并联。在还设置有第三球阀 58与放空罐 57连通，在放空罐57顶部设计止回阀 60。

一种二氧化碳腐蚀模拟试验方法，包括如下步骤：

第一步，液态CO₂进入首先液态CO₂计量存储橇1中进行制冷、计量和储存；

第二步，压力、温度调节：

１）如果后端所需试验压力高于2.0MPa，则启动柱塞计量泵 21并关闭调压阀27 、打开第三控制阀 26 通往下游，采用高压泵注橇 2的柱塞计量泵19配合调压放空橇 8的第一背压阀54和第二背压阀56，对液态CO₂计量存储橇 1 的来气进行升压，采用高压加热器橇 3对CO₂进行升温；

２）如果后端所需实验压力低于2.0MPa，则不使用柱塞计量泵21，仅使用调压阀 27 进行压力调节，此时关闭第三控制阀 26，采用高压加热器橇 3对CO₂进行升温，在CO₂达到所需温度后，通过设置第二背压阀56压力，控制试验压力。

第三步，在压力及温度调节完毕后，可根据需要接入缓蚀剂加注橇 4进行缓蚀剂加注和污水加注橇 5 进行污水加注，加注完毕后进入腐蚀试验橇6和模拟井7 进行各类型现场先导式腐蚀试验；

第四步，通过调压放空橇 8 进行气体放空及废液收集排放处理：

首先通过过滤器 53 进行杂质过滤；

１）如果试验压力高于10MPa，则关闭第二球阀 59，设定第一背压阀 54 和第二背压阀 56的调压参数，为保证第二级节流出口不冰堵，需开启第二高压电加热器 55，补偿第一级节流温降；

２）如果试验压力低于10MPa，则设定第二背压阀56的背压压力，开启第二球阀59，关闭第一背压阀54，仅使用第二背压阀 56单级节流即可，也无需温度补偿；

节流后的试验产物，接至放空罐 57 中储存，污水定期从第三球阀 58 中排出，放空罐顶部设计止回阀 60 使防空罐57与大气相通，并维持在大气压。此外，还设有空压机橇 9对本发明装置中需要气控的自控设备提供仪表风。

本发明的工作原理是：

如图1所示，液态CO₂进入系统至液态CO₂计量存储橇1中进行制冷、计量和储存，再通过高压泵注橇 2（试验压力要求高于2.0MPa时需对液态CO₂计量存储橇 1 的来气进行升压，若试验压力要求低于2.0MPa要配合高压加热器橇 3 进行降压）、然后至高压加热器橇 3 进行温度加热、在压力及温度调节完毕后，可接入缓蚀剂加注橇 4进行缓蚀剂加注和污水加注橇 5 进行污水加注，加注完毕后进入腐蚀试验橇6和模拟井7 进行各类型现场先导式腐蚀试验，然后再通过调压放空橇 8 进行气体放空及废液收集排放处理。此外，还设有空压机橇 9对本发明装置中需要气控的自控设备提供仪表风。  

如图2所示，第一电动球阀 10 控制整个系统气源开闭。若需要试验时，打开第一电动球阀 10，自气源而来的液态CO₂ 通过液态CO₂存储罐 12 前端的第一控制阀 11 进入到液态CO₂存储罐 12 中进行储存。储存在液态CO₂存储罐 12 中的CO₂可能含有少量气态，可通过制冷冰机 13 的制冷盘管使罐内降温，将CO₂气体转化为液体。液态CO₂存储罐 12 顶端设置第一安全阀 14 ，保证罐内压力安全稳定。

试验CO₂液体自液态CO₂存储罐 12 出来后，经液态CO₂存储罐出口控制阀 15 在通过液态CO₂计量存储橇 1 与高压泵注橇 2 的连接管线16 到达高压泵注橇 2。

高压泵注橇 2 设置屏蔽电泵 19 作为下游柱塞计量泵 21 的喂液泵。若不需使用屏蔽电泵 19 则可关闭，并开启第二控制阀 17 通往下游，屏蔽电泵的回流液通过尾管接回液态CO₂计量存储橇 1 中的液态CO2存储罐 12 储存。试验CO₂液体通过第一平板阀 20 到达柱塞计量泵 21 进行升压，若不需使用柱塞计量泵 21 升压，则可关闭第一平板阀 20 和注塞计量泵 21，并开启第二平板阀22通往下游。柱塞计量泵还设置安全溢流阀 23 对泵进行超压保护和起调试作用。

液态CO₂通过高压泵注橇 2 与高压加热器橇 3 的连接管线 24来到高压加热器橇 3，通过第一高压电加热器 25 加热至所需试验温度。若后端所需试验压力高于2.0MPa ，需启动柱塞计量泵 21并关闭调压阀 27 、打开第三控制阀 26 通往下游，若后端实验压力低于2.0MPa，则不使用柱塞计量泵21，仅使用调压阀 27 进行压力调节，此时关闭第三控制阀 26。高压加热器橇 3设置整个系统的第二安全阀 28 给系统提供超压保护。

经过调压加热完毕后的CO₂试验介质（气态或者超临界态），可选择性的考虑是否注入缓蚀剂及试验污水。若需使用缓蚀剂，缓蚀剂加注橇 4 的缓蚀剂 通过第一雾化加注头 29 进入试验管路，若试验需使用污水，污水加注橇 5 的污水通过第二雾化加注头 30 进入试验管路。

试验CO₂通过橇间连接管路 48 通往腐蚀试验橇 6 ，此橇中设置高压相态视窗 32、腐蚀试验段 36 、腐蚀试验罐41、在线腐蚀监测系统 44 四大试验功能段，可进行地面在线腐蚀试验等近十种试验。每个功能段串联相接。并分别设置有旁通电动球阀，分别为第三电动球阀 34、第五电动球阀 38、第七电动球阀 42、第九电动球阀 47。试验时，可选择是否使用各功能段，并通过各功能段前的电动球阀，分别为第二电动球阀 31、第四电动球阀 37、第六电动球阀 40、第八电动球阀 46与各旁通电动球阀（第三电动球阀34、第五电动球阀38、第七电动球阀42、第九电动球阀47）切换开闭，考虑是否启用该功能段。各功能段后设平板闸阀，分别为第一平板闸阀33、第二平板闸阀35、第三平板闸阀45、第四平板闸阀43供使用旁通时关闭功能段。

试验CO₂出腐蚀试验橇 6 四大功能区后可通过选择开闭第一球阀 49考虑是否接入模拟井 7。若试验需要使用模拟井，通过橇间连接管线 51接入模拟井试验完毕后通过橇间连接管线 52 接回主管路，模拟井中可进行井下各类腐蚀试验。

当腐蚀试验橇 6 和模拟井 7的各类腐蚀试验完毕后。来到调压放空橇 8进行节流放空，节流前先通过过滤器 53 进行杂质过滤，若试验压力较高(高于10MPa)，则：关闭第二球阀 59，设定第一背压阀 54 和第二背压阀 56的调压参数，为保证第二级节流出口不冰堵，需开启第二高压电加热器 55，补偿第一级节流温降。若试验压力较低（低于10MPa），则：设定背压阀56背压压力，开启第二球阀59，关闭第一背压阀54，仅使用第二背压阀 56单级节流即可，也无需温度补偿。节流后的试验产物，接至放空罐 57 中储存，污水定期从第三球阀 58 中排出，放空罐顶部设计止回阀 60 使防空罐57与大气相通，并维持在大气压。

Claims (8)

1.一种二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：包括依次连接的液态CO₂计量存储橇、高压泵注橇、高压加热器橇、腐蚀试验橇、模拟井和调压放空橇，其中：

所述液态CO₂计量存储橇包括依次连接的第一电动球阀、第一控制阀、液态CO₂存储罐和液态CO₂存储罐出口控制阀；

所述高压泵注橇 包括依次连接的第二控制阀、屏蔽电泵、第一平板阀和柱塞计量泵；在第一平板阀和柱塞计量泵之间并联有第二平板阀；

所述高压加热器橇包括依次连接的第一高压电加热器和第三控制阀，还设置有调压阀与第三控制阀并联；

所述腐蚀试验橇，包括依次连接的高压相态视窗、腐蚀试验段、腐蚀试验罐和在线腐蚀监测系统；其中：高压相态视窗的前端和后端分别设置有第二电动球阀和第一平板闸阀，高压相态视窗还设置有旁通，在旁通上设置有第三电动球阀；腐蚀试验段的前端和后端分别设置有第四电动球阀和第二平板闸阀，腐蚀试验段还设置有旁通，在旁通上设置有第五电动球阀；腐蚀试验罐的前端和后端分别设置有第六电动球阀和第三平板闸阀，腐蚀试验罐还设置有旁通，在旁通上设置有第七电动球阀；在线腐蚀监测系统的前端和后端分别设置有第八电动球阀和第四平板闸阀，在线腐蚀监测系统还设置有旁通，在旁通上设置有第九电动球阀；

所述调压放空橇包括依次连接的过滤器、第一背压阀、第二背压阀和放空罐；在第一背压阀和第二背压阀之间设置有第二高压电加热器；设置有第二球阀与第一背压阀并联；设置有第三球阀与放空罐连通，在放空罐顶部设计止回阀。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：在液态CO₂存储罐内设置有制冷冰机，在液态CO₂存储罐顶端设置有第一安全阀。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：柱塞计量泵还设置安全溢流阀。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：在第三控制阀之后还设置有第二安全阀。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：所述腐蚀试验罐顶端还设有放空阀，下端设有排污阀。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：在高压加热器橇之后、腐蚀试验橇之前还设置缓蚀剂加注橇或污水加注橇。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置，其特征在于：还设置空压机橇与调压放空橇连接。

8.一种利用权利要求1所述的二氧化碳腐蚀模拟试验装置进行二氧化碳腐蚀模拟试验的方法，包括如下步骤：

第一步，液态CO₂进入首先液态CO₂计量存储橇中进行制冷、计量和储存；

第二步，压力、温度调节：

１）如果后端所需试验压力高于2.0MPa，则启动柱塞计量泵并关闭调压阀、打开第三控制阀通往下游，采用高压泵注橇对液态CO₂计量存储橇的来气进行升压，采用高压加热器橇对CO₂进行升温；

２）如果后端所需实验压力低于2.0MPa，则关闭第三控制阀，使用调压阀进行压力调节，采用高压加热器橇对CO₂进行升温，在CO₂达到所需温度后，进行降压；

第三步，在压力及温度调节完毕后，可根据需要接入缓蚀剂加注橇进行缓蚀剂加注和污水加注橇进行污水加注，加注完毕后进入腐蚀试验橇和模拟井进行各类型现场先导式腐蚀试验；

第四步，通过调压放空橇进行气体放空及废液收集排放处理：

首先通过过滤器进行杂质过滤；

１）如果试验压力高于10MPa，则关闭第二球阀，设定第一背压阀和第二背压阀的调压参数，开启第二高压电加热器，以补偿第一级节流温降；

２）如果试验压力低于10MPa，则设定第二背压阀的调压参数，开启第二球阀，关闭第一背压阀；

节流后的试验产物，接至放空罐中储存，污水从第三球阀中排出，放空罐顶部设计止回阀使防空罐与大气相通，并维持在大气压。

Images