CN105092457B - 交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法 - Google Patents
交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法。该方法包括：收集储气库注采井的基本参数；建立有限元实体模型，按照注采工况运行参数，以注采温度、注采压力作为边界条件对有限元实体模型进行加载，得出注采管柱承受的轴向载荷，得到轴向载荷谱；设计不同的实验方案；模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用的环境，对注采管柱施加轴向载荷进行模拟实验；对经过模拟实验的注采管柱进行动态慢拉伸试验，同时记录应力‑应变曲线直至注采管柱被拉断，对拉断后的注采管柱的断口微观形貌进行分析；根据应力‑应变曲线以及断口微观形貌分析结果得出交变载荷和腐蚀介质的共同作用对于注采管柱的影响。采用该方法能够模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境，评价注采管柱强度性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法，属于天然气开采工程技术领域。
背景技术
近年来，储气库业务已经成为中石油的重要业务。一大批枯竭气藏型、盐穴型储气库不断建设、投产。在已投产的储气库中，注采井不同程度地出现环空带压问题，其主要原因就是注采管柱失效。注重设计注采管柱是避免或降低失效概率非常重要的方法。
目前，注采管柱设计未能考虑注采管柱在注采运行期间承受周期性的载荷，尤其是进行注采管柱材质选材评价实验时，仅模拟腐蚀介质工况，存在一定的安全隐患。注采管柱的安全性将直接影响储气库注采井的安全性，轻者进行修井作业，需要花费大量人力物力，重者可造成注采井报废，甚至引发此生灾害，威胁生命财产安全。评价在腐蚀介质和交变载荷共同作用下注采管柱的安全性是非常必要的。
目前，国内外还未有公开发表研究交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价实验方法。因此，非常有必要设计一套可模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价实验方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种注采管柱腐蚀评价方法，通过模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境，实现注采工况下注采管柱注采管柱材质评价，能够弥补目前无法开展腐蚀介质和交变载荷共同作用下的注采管柱腐蚀评价的不足，为储气库注采管柱安全、合理优选注采管柱材质提供技术手段，进一步降低注采管柱失效隐患与风险。
为达到上述目的，本发明提供了一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法。该方法首先进行基础参数收集，提取注采管柱在运行期间承受的轴向载荷谱，然后设计实验对比方案，通过模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境，最后进行实验并进行结果分析，研究交变载荷和腐蚀介质共同作用对注采管柱的影响，评价优选注采工况下注采管柱注采管柱材质，其包括以下步骤：(1)基础参数收集；(2)轴向载荷谱提取；(3)实验对比方案设计；(4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟；(5)实验及结果分析。
根据本发明的具体实施方案，本发明提供的上述方法包括以下具体步骤：
(1)基础参数收集：
收集储气库注采井的基本参数，包括注采管柱参数和注采工况运行参数；
上述注采管柱参数优选包括注采管柱长度、壁厚、钢级、外径以及材质等，注采工况运行参数优选包括运行周期、注采温度(该注采温度优选包括井口的注采温度和井底的注采温度)、注采压力(该注采压力优选包括井口的注采压力和井底的注采压力)以及二氧化碳、硫化氢、氯离子等腐蚀介质的含量以及环空保护液密度等。以上参数是评价实验的基础。温度、压力、腐蚀介质含量等的取值均可以从气田的开发方案中获得，属于气田的基础数据，这是本领域技术人员根据需要就可以得到的。对于管材的腐蚀需要考虑：压力及腐蚀介质含量(即分压)、温度等的影响；一般规律是分压越高，电化学腐蚀速率越高；材质不同，温度对腐蚀的影响规律不同，对于不锈钢，腐蚀速率存在峰值；对于硫化物应力开裂，则在温度较低和温度较高时易发生。
(2)轴向载荷谱提取：
根据注采管柱参数建立有限元实体模型，按照注采工况运行参数，以注采温度、注采压力作为边界条件对注采管柱的有限元实体模型进行加载，模拟注采管柱的受力情况，得出注采管柱承受的轴向载荷，得到轴向载荷谱；
上述注采管柱承受的轴向载荷优选包括注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向载荷；更优选地，注采管柱承受的轴向载荷包括井口的注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向载荷，以及井底的注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向力。
(3)实验方案设计：
设计不同实验方案，开展对比实验，以利用慢应变速率拉伸实验机评定样品在承受不同应力后的应力腐蚀敏感性。这里的对比实验优选包括不同温度、压力以及腐蚀介质含量条件下的对比实验；在相同温度、压力以及腐蚀介质含量条件下可设计4组对比方案：交变载荷、恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷；每组实验开展2次，进行SSRT实验和腐蚀钝化膜分析。在实际实验过程中，可酌情减少温度、压力以及腐蚀介质含量工况，但至少应包括最苛刻的工况。实验施加交变载荷、恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷四种载荷的主要目的是与交变载荷进行平行对比实验，评价交变载荷对注采管柱的影响。最苛刻的工况是指分压最高、涵盖最恶劣的温度范围的工况。
(4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟：
按照实验方案模拟恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷、交变载荷和腐蚀介质共同作用的环境，对注采管柱施加轴向载荷进行模拟实验，所述轴向载荷为所述轴向载荷谱中的轴向载荷；
该模拟实验可以通过模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境进行，所采用的实验装置包括密闭容器和载荷施加装置。在进行模拟实验时，可向密闭容器内充入适量的二氧化碳和硫化氢气体，模拟储气库运行条件的二氧化碳分压和硫化氢分压，充入适量的地层水或模拟地层水(储气库注采井在运行过程中，不可避免的会将地层水带出地面，其中的氯离子会促进腐蚀发生，充入地层水的目的是为了模拟腐蚀环境)。在实验过程中，实验样品的一端固定在密闭容器内。载荷施加装置用于给样品施加轴向载荷。载荷施加装置和密闭容器接触处实现动密封，防止在实验过程中实验气体泄漏。实验施加的轴向载荷以步骤(2)提取的载荷谱为准，交变载荷模拟注采周期的波动载荷(施加的载荷是有限元模型得出的注采管柱的轴向力，然后根据注采管柱管壁的横截面积换算成载荷)，恒定高载荷可以选择注采周期中关井时相对较高的拉伸载荷，恒定低载荷可以选择注采周期中关井时相对较低的拉伸载荷，但不限于此。实验样品应同时满足评价实验所用设备和GB/T 19291-2003腐蚀试验一般原则中关于试样加工的要求。所用实验设备能够实现变动载荷加载及量化，并同时满足实验环境的耐蚀性和密封性要求即可。本发明的重点是提供一种可同时模拟交变载荷和腐蚀介质作用的注采管柱评价方法，载荷选择根据有限元模型得出轴向力，然后除以注采管柱管壁的横截面积，得出轴向载荷。载荷的选择也很重要，载荷选择要涵盖注采管柱实际运行的载荷范围，所以设计了从最高载荷到最低载荷逐渐变化的交变过程。
(5)实验及结果分析：
对经过模拟实验的注采管柱进行动态慢拉伸(SSRT)试验，同时记录应力-应变曲线直至注采管柱被拉断，对拉断后的注采管柱的断口微观形貌进行分析；优选地，在动态慢拉伸试验中，应至少测定延伸率、断裂强度、断裂时间这三种实验结果。
样品实验结束后，进行SSRT实验时，以8×10-5mm/s应变速率对腐蚀后的样品进行动态慢拉伸实验，同时记录应力-应变曲线直至样品被拉断为止，并对利用扫描电镜对拉断后样品断口微观形貌进行分析；
根据应力-应变曲线以及断口微观形貌分析结果得出交变载荷和腐蚀介质的共同作用对于注采管柱的影响。
在分析时，如果实验样品开始发生塑性变形时应变为越小，证明其塑性越小，脆性越大；样品延伸率越小，也证明其塑性越小，脆性越大。研究SSRT实验后样品断口形貌，主要观察断口是否有解理面和韧窝。综合分析样品的塑性变形应变和SSRT获得的断口形貌，得出腐蚀介质和交变载荷共同作用对材质的影响，从而进一步评价注采管柱安全性。
本发明首次建立了可模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境的注采管柱腐蚀评价实验方法，采用该方法能够模拟交变载荷和腐蚀介质共同作用环境，评价注采管柱强度性能，优选储气库注采管柱材质，确保注采管柱安全，能够进一步降低注采管柱失效隐患与风险，进而保障储气库注采安全平稳运行，避免储气库不必要的“停注停采”，以及可能发生的灾难性后果，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为井口和井底处的等效轴向载荷谱；
图2为不同实验方案所得到的样品的SSRT拉伸曲线；
图3为不同载荷下所得到的样品的SSRT断口微观形貌，其中，a代表无载荷，b代表波动载荷，c代表较高载荷，d代表较低载荷。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价实验方法，研究交变载荷和腐蚀介质共同作用对注采管柱的影响，评价优选注采工况下注采管柱注采管柱材质。
以XX储气库为例，该方法包括：(1)基础参数收集；(2)轴向载荷谱提取；(3)实验对比方案设计；(4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟；(5)实验及结果分析，具体如下：
(1)基础参数收集
XX储气库运行阶段温度变化为55℃到156℃，压力变化为13.0MPa到50.0MPa，二氧化碳分压在0.46MPa至0.98MPa之间，硫化氢含量最高29.3mg/m3，分压最高为0.00047MPa，氯离子含量10000mg/L以上，腐蚀环境恶劣。注采管柱的材质为P110钢级S13Cr，长度4500m，壁厚6.88mm，外径114.29mm，环空保护液密度为1.06g/cm3。运行周期见表1。
表1注采工况周期循环(一年)
(2)轴向载荷谱提取
建立注采管柱的有限元模型，按照运行工况给模型施加边界条件(此处的模型是用有限元软件建立的注采管柱的实际物理模型，并根据有限元求解需要划分网格，便于求解)，得出注采管柱井口、井中部以及井底处的力(如表2所示)，(-)代表压，(+)代表拉，进而得到图1所示的轴向力，以此作为实验施加载荷谱的基础。
表2注采管柱两个典型位置处的轴向力(N)
| 序号 | 工况 | 井口 | 井底 |
| 1 | 注气末关井 | 743330 | -50817 |
| 2 | 采气初期 | 454850 | -237670 |
| 3 | 采气高峰 | 341440 | -351080 |
| 4 | 采气末期 | 366850 | -325670 |
| 5 | 采气末关井 | 645470 | -47049 |
| 6 | 注气初期 | 732640 | -40121 |
| 7 | 注气高峰 | 695250 | -4284.2 |
| 8 | 注气末期 | 728590 | -36076 |
(3)实验对比方案设计
本次实验中常压腐蚀环境指0.1MPa CO2和0.00047MPa H2S(模拟分压允许有一定的误差，主要是验证交变载荷和腐蚀介质的作用)，温度均为室温，采用模拟地层水(氯离子含量为12072mg/L)设计4组实验对比方案：
方案A：按照模拟注采周期的波动载荷加载(300MPa保持一周，松弛一周；400MPa保持一周，松弛一周；500MPa保持一周)(施加的载荷是计算出的注采管柱的轴向力，然后根据样品的截面积换算成载荷；此处的计算可以利用有限元软件通过前述的有限元模型，可以得出注采管柱井口、井中部以及井底处的各个工况的轴向力，然后用轴向力除以注采管柱管壁的横截面积，得出此时需要加载的载荷)，腐蚀实验结束后，将样品在常压腐蚀环境中以8×10-5mm/s应变速率对腐蚀后的样品进行SSRT实验。
方案B：不施加载荷，进行与方案A同周期的腐蚀实验，并进行SSRT实验。
方案C：模拟注采周期中关井时相对较高的拉伸载荷加载(500MPa，持续五周)，进行与方案A同周期的腐蚀实验，进行SSRT实验。
方案D：模拟注采周期中关井时相对较低的拉伸载荷加载(300MPa，持续五周)，进行与方案A同周期的腐蚀实验，进行SSRT实验。
(4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟
将样品固定在实验装置的密闭容器中，给样品施加轴向向上载荷，利用密闭的空间模拟腐蚀环境，以此使样品同时处于交变载荷作用和腐蚀环境下，轴向载荷按照方案设计施加，腐蚀环境按照方案设计模拟。
(5)实验及结果分析
对经不同载荷方式和腐蚀介质共同作用后的实验样品进行动态慢拉伸实验，应变速率为8×10-5mm/s，记录应力-应变曲线(不同实验方案所得到的样品的SSRT拉伸曲线如图2所示)，并对利用扫描电镜对拉断后样品断口微观形貌进行分析，样品慢拉伸实验延伸率结果见表3。
表3样品慢拉伸实验延伸率
| 样品 | 波动载荷(A) | 较低载荷(F) | 无载荷(C) | 较高载荷(E) |
| 延伸率/％ | 63.31 | 81.93 | 81.43 | 92.10 |
| 断裂强度/MPa | 546.70 | 533.29 | 534.48 | 545.75 |
| 断裂时间/h | 12.03 | 14.14 | 14.22 | 15.99 |
常压腐蚀环交变载荷样品开始发生塑性变形应变为8.66％，与之相对应是其余三种载荷样品的延伸率均在20％左右，说明交变载荷降低了材料的塑性，增加了样品的脆性。
材料经不同载荷方式与二氧化碳及硫化氢共同作用后SSRT断口微观形貌如图3所示。无载荷试样慢拉伸试样的断口呈均匀的韧窝状，属于韧性断裂。而经恒定载荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，材料的断口形貌为韧窝和解理共存，已显现脆性断裂的特征。经波动载荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，材料的断口形貌出现较大解理面，几乎没有发现韧窝，而且有较高的解理台阶，说明试样断裂时沿着一个主要的解理面解理断裂，断裂腐蚀敏感性明显增加。
综合分析样品的塑性变形应变和SSRT获得的断口形貌，可以看出：材料经恒定载荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，应力腐蚀开裂敏感性无明显变化，而经波动载荷与二氧化碳及硫化氢共同作用后，材料塑性损失明显增大，应力腐蚀敏感性明显增强。说明腐蚀环境和交变载荷共同作用对注采管柱的强度影响较大，降低了注采管柱的强度。
综上所述，实施例1的分析结果在储气库注采井注采管柱承受的交变载荷和腐蚀环境共同作用工况下的材质评价与优选中发挥重要作用，该方法可有效解决交变载荷和腐蚀环境共同作用下注采管柱材质优选设计的难题，为注采管柱设计提供可靠保证。
Claims (9)
1.一种交变载荷和腐蚀介质共同作用下的注采管柱腐蚀评价方法，该方法包括以下步骤：
收集储气库注采井的基本参数，所述基本参数包括注采管柱参数和注采工况运行参数；
根据注采管柱参数建立有限元实体模型，按照注采工况运行参数，以注采温度、注采压力作为边界条件对注采管柱的有限元实体模型进行加载，模拟注采管柱的受力情况，得出注采管柱承受的轴向载荷，得到轴向载荷谱；
设计不同的实验方案，即在不同温度、不同压力、不同腐蚀介质含量条件下进行对比实验的方案；
按照所述实验方案模拟恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷、交变载荷和腐蚀介质共同作用的环境，对注采管柱施加轴向载荷进行模拟实验，所述轴向载荷为所述轴向载荷谱中的轴向载荷；
对经过模拟实验的注采管柱进行动态慢拉伸试验，同时记录应力-应变曲线直至注采管柱被拉断，对拉断后的注采管柱的断口微观形貌进行分析；
根据应力-应变曲线以及断口微观形貌分析结果得出交变载荷和腐蚀介质的共同作用对于注采管柱的影响；
其中，所述注采工况运行参数包括注采运行周期、注采温度、注采压力、二氧化碳的含量、硫化氢的含量、氯离子的含量、环空保护液密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采管柱参数包括注采管柱的长度、壁厚、钢级、外径和材质。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采温度包括井口的注采温度和井底的注采温度，所述注采压力包括井口的注采压力和井底的注采压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述注采管柱承受的轴向载荷包括注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向力。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述注采管柱承受的轴向载荷包括井口的注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向载荷和井底的注气末关井、采气初期、采气高峰、采气末期、采气末关井、注气初期、注气高峰和注气末期时的轴向载荷。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对比实验的实验条件至少包括最苛刻的工况。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述最苛刻的工况是指分压最高、涵盖最恶劣的温度范围的工况。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述实验方案中，在相同的温度、压力、腐蚀介质含量条件下的实验包括交变载荷、恒定高载荷、恒定低载荷、无载荷四种形式。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动态慢拉伸试验中至少测定延伸率、断裂强度、断裂时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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