CN110987702A - 含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置及基于该装置进行的地热井筒冲刷腐蚀的测试方法，包括供液组件、供砂组件、混合室、输送管道及测试组件；测试组件包括喷射室、可加热测试平台及电化学工作站，使用时，混合室用于将充入其中的砂粒及液体混合并通过输送管道输送至喷嘴，可加热测试平台顶部用于放置待测试样，用于从上方向待测试样喷射混合后的砂粒及液体，电化学工作站用于测定待测试样的电化学参数的。本发明采用的喷射式冲刷腐蚀装置能够避免在进行冲刷验时砂粒对主要实验设备造成损害，且精确模拟地热井筒不同井位井壁的温度，流体的流速、温度及含砂量，对地热井筒的冲刷腐蚀情况。
Description
技术领域
本发明涉及冲刷腐蚀领域，具体涉及一种含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置及测试方法。
背景技术
地热作为一种新型洁净资源和能源，广泛应用于各行各业。利用地热井开采地热资源是当下利用地热资源最主要的手段。地热井在生产过程中会出现出砂的现象，携砂地下水会对地热井筒的井壁造成冲刷腐蚀，从而加剧地热井筒的腐蚀，影响地热井使用寿命。
现有技术中，冲刷腐蚀一般采用旋转式、喷射式和管流式实验装置。旋转式实验装置因为砂粒的沉积作用，测量腐蚀速率随含砂量的变化不明显，因此不太适用于研究含砂量对冲刷腐蚀行为的影响，而管流式装置有占用面积大，费用高等缺点。而传统喷射式装置一般没有考虑冲刷材料的温度，而地热井筒随着深度的增加，井壁的温度也会增加，因此无法很好地模拟地热井筒井壁的温度；并且，在做含砂实验时，如果含砂浓度较高、砂粒粒径较大的情况下，砂粒进入泵内，容易对泵造成损坏，从而降低实验装置的使用寿命。
发明内容
为了克服现有上述背景技术的不足，本发明提出含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置及测试方法。本发明采用的喷射式冲刷腐蚀装置能够避免在进行含砂实验时，砂粒对主要实验设备造成损害，且能精准控制含砂量、流速、流体温度以及材料温度，可模拟地热井筒不同井位井壁的温度，经过该处流体的流速、温度及含砂量，并且便于与电化学工作站相连，能够实现实时电化学参数测量。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，包括供液组件、供砂组件、混合室、输送管道及测试组件；所述供砂组件与混合室连接，用于向混合室内充入砂粒；所述供液组件与混合室连接，用于向混合室内充入液体；所述混合室用于将充入其中的砂粒及液体混合；所述输送管道上沿输送方向依次设有调节阀门、流量计及加热环，所述输送管道的一端连接有喷嘴，输送管道的另一端与混合室连接，用于将混合室混合的砂粒及液体输送至喷嘴；
所述测试组件包括喷射室、可加热测试平台及电化学工作站；所述可加热测试平台及喷嘴均设于喷射室内且所述喷嘴位于可加热测试平台的正上方；使用时，所述待测试样安装在可加热测试平台的顶部，所述喷嘴用于从上方向待测试样喷射混合后的砂粒及液体，电化学工作站用于测定待测试样的电化学参数。。
进一步的，所述电化学参数包括开路电位、极化曲线及电化学阻抗谱。
进一步的，所述可加热测试平台包括安装在喷射室内壁上的试样架及卡设在试样架顶部的防水PTC加热器，所述待测试样放置于防水PTC加热器的顶部并通过绝缘弹簧夹夹紧，所述防水PTC加热器用于加热所述待测试样，所述待测试样与所述电化学工作站电连接，一般通过设置在待测试样底部的导线与电化学工作站电连接。
进一步的，所述供液组件包括储液桶，所述储液桶内设有不锈钢分样筛用于拦截进入储液桶内的砂粒，储液桶连接有进液管和出液管；所述进液管位于储液桶内的一端位于不锈钢分样筛的上方，进液管的另一端与喷射室连接且用于将喷射室内的砂粒及液体导出并输送至储液桶内；出液管位于储液桶内的一端位于不锈钢分样筛的下方，出液管上设有离心泵，出液管的另一端与混合室连接。
更进一步的，所述储液桶的内侧壁中部设有卡槽，所述不锈钢分样筛通过卡槽卡设在储液桶内，所述不锈钢分样筛的筛网网孔尺寸小于砂粒尺寸。
进一步的，所述供砂组件包括储砂罐和螺旋输送机，所述螺旋输送机的进料端与储砂罐连接，螺旋输送机的出料端与所述混合室连接，所述螺旋输送机用于将储砂罐内的砂粒输送至混合室。
进一步的，所述输送管道在加热环与喷嘴之间设有第一温度传感器，用于监测进入喷嘴内的混合后的砂粒及液体的温度；所述可加热测试平台处设有第二温度传感器，用于监测待测试样的温度；
还包括控制柜，所述控制柜内设有调节阀门的调节旋钮、螺旋输送机的控制开关及显示屏，所述显示屏用于显示流量计监测到的流量数据、第一温度传感器监测到的温度数据、第二温度传感器监测到的温度数据及螺旋输送机的输出速度。
一种地热井筒冲刷腐蚀的测试方法，所述方法基于如上所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置进行，包括如下步骤：
步骤1，实验准备：模拟地热水组分配制测试用溶液；将待测试样安装在所述可加热测试平台上，并与电化学工作站电连接，；
步骤2，冲刷实验：通过供液组件向混合室内导入步骤1配制的所述测试用溶液，通过供砂组件向混合室内导入所述砂粒，所述砂粒和测试用溶液经混合室混合；待待测试样被加热至预设温度时，开启加热环、调节阀门及电化学工作站，按设定流量和时间向待测试样喷射混合后的砂粒和测试用溶液以便冲刷待测试样的表面，冲刷过程中实时记录冲刷时间及待测试样的电化学参数；冲刷试验结束后，取下冲刷后的试样，用添加有六次甲基四胺的盐酸清洗除去试样表面的腐蚀产物，然后烘干并称重，计算冲刷腐蚀速率，再用数码显微镜拍摄试样表面的腐蚀形貌；
步骤3、更换待测试样，按设定参数调整混合室内的砂粒含量、混合后的砂粒和测试用溶液的喷射温度及喷射速度、以及待测试样的温度，重复步骤2进行冲刷试验。
作为优选，所述砂粒为石英砂。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的喷射式冲刷腐蚀实验装置通过螺旋输送机向混合室输入砂粒，通过离心泵向混合室抽送流体，避免砂粒进入离心泵，造成离心泵损害的问题，能进行高含固量介质条件下的冲刷腐蚀实验，并且使得含较大固相颗粒的体系的试验能够实现。
(2)具有准确控制含砂量和流速的特点。本发明通过控制柜控制螺旋输送机的输送功率，通过调节阀门和流量计控制流量，通过调节含砂量的输送速度和流速从而准确控制试验介质的含砂量和流速。
(3)本发明通过加热片加热试验试样，从而控制试样的温度，可以模拟地热井筒不同深度的井壁温度。
(4)本发明的储液桶内装有不锈钢分样筛，可筛除砂粒，并对砂粒进行回收，避免砂粒再次进入实验系统，影响实验流程，实现实验过程中流体的循环。
附图说明
图1为本发明实施例中含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置的喷射室的结构示意图；
图3为本发明实施例中含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置的螺旋输送机的结构示意图。
图中：1.储液桶、2.不锈钢分样筛、3.离心泵、4.混合室、5.螺旋输送机、5-1.电动机、5-2.进料口、5-3.螺旋叶片、5-4.尾轴承、5-5.出料口、5-6.支架、6.储砂罐、7.调节阀门、8.流量计、9.加热环、10.喷嘴、11.喷射室、11-1固定杆、12.防水PTC加热器、12-1.加热片导线、13.试样架、14.电化学工作站、15.电脑、16.待测试样、17.控制柜。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，由储液桶1、不锈钢分样筛2、离心泵3、混合室4、螺旋输送机5、储砂罐6、阀门7、流量计8、加热环9、喷嘴10、喷射室11、防水PTC加热器12、12-1加热片导线、12-2固定杆、试样架13、电化学工作站14、电脑15、待测试样16、控制柜17等组成。所述储液桶1出口与离心泵3入口通过管道相连，所述混合室4上端有一个入口和一个开口，左端一个入口，左端入口与离心泵3出口通过管道连接，上端入口与螺旋输送机5出口相连，所述喷射室11入口通过管道与混合室出口相连，靠近喷射室11入口的一端管道安装喷嘴10，喷嘴口伸至喷射室内，喷射室11出口通过管道与储液桶1相连，上述部件与管道相连的部位均用橡胶圈进行密封。
所述储液桶1中部设有卡槽，将不锈钢分样筛2卡在储液桶1中部，所述不锈钢分样筛2筛网规格为0.10mm(80目×400目)。
所述混合室4出口至所述喷射室11入口的连接管道中间装有调节阀门7和流量计8。
所述加热环9卡在靠近喷射室11入口管道外壁上。
所述喷射室11如图2所示，喷射室11内试样架13中间通过固定杆11-1连接在喷射室壁面上，所述防水PTC加热器12卡在试样架12表面，所述试样卡在试样架12上，并通过导线外接电化学工作站14。
所述加热环9，防水PTC加热器12，螺旋输送机5均通过导线与控制柜17相连。
所述螺旋输送机5如图3所示，由电动机5-1、进料口5-2、螺旋叶片5-3、尾轴承5-4、出料口5-5、支架5-6组成，它以电动机5-1为原动机，利用螺旋叶片5-3旋转时的推进力来完成输送工作的。
离心泵3从储液桶1内抽取液体至混合室4，流量计8实时显示管道中的流速，根据流量计8的示数调节阀门7，调节至实验所需流速；同时打开储砂罐出口6，用控制柜17，调节螺旋输送机5的功率，控制输送砂粒的速度，从而调整至所需含砂量；通过控制柜17调节加热环9温度，并根据第一温度传感器获取流体温度，直到流体温度达到实验要求；通过控制柜17调节防水PTC加热器12,对试样16进行加热，通过第二温度传感器获取试样16温度，直到试样16温度达到实验要求；混合溶液从混合室4出口流至安装于喷射室11里的喷嘴10，溶液从喷嘴10喷射至试样16上，完成冲刷腐蚀的过程；试样16底部通过电极连接至电化学工作站14，以实现电化学参数测量，电化学测量参数将显示在电脑15屏幕上；完成冲刷腐蚀过程的混合溶液返回储液桶1，砂粒被不锈钢分样筛2筛除，完成循环过程。
控制柜17包括电压电流指示，螺旋输送机5的开关、螺旋输送机5输出速度显示、流体温度与测量、试样16温度与测量。
一种采用上述实验装置进行地热井筒冲刷腐蚀的测试方法，包含如下步骤：
1、实验准备：调制测试溶液，因为地热水主要含Ca2+、Mg2+、CO3 2-、Cl-为了模拟地热水组分，使用蒸馏水和NaCO3、NaSO4、MgCl2、NaCl等试剂进行调配，选用粒径为70-140μm的石英砂，将实验所用石英砂放入储砂罐6。
2、实验过程：开启离心泵，通过离心泵3从储液罐抽取溶液至混合室；开启螺旋输送机5，开启储砂罐6下端出口螺旋输送机5将储砂罐6中的石英砂输送至混合室4；调节阀门7控制流速、通过控制柜17调节螺旋输送机5输送砂粒的输出速度来调整砂粒浓度；通过控制柜17控制固定在试样架13上的PTC加热片12，对试样16进行加热；通过控制柜17控制加热环9对管道内的流体进行加热，混合流体流至喷射室11，经喷嘴喷10喷射到试样架上13的试样16表面上，冲刷过程中实时记录冲刷时间及待测试样的电化学参数；冲刷试验结束后，取下冲刷后的试样，用添加有六次甲基四胺的盐酸清洗除去试样表面的腐蚀产物，然后烘干并用电子天平称重，计算冲刷腐蚀速率，再用数码显微镜拍摄试样表面的腐蚀形貌以便观察分析。电化学参数包括开路电位、极化曲线、电化学阻抗谱，其直接导入电脑15中。
3、更换待测试样，按设定参数调整混合室内的砂粒含量、混合后的砂粒和测试用溶液的喷射温度及喷射速度、以及试样的温度，重复步骤2进行冲刷试验和冲刷结束后的性能测试。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：包括供液组件、供砂组件、混合室(4)、输送管道及测试组件；所述供砂组件与混合室(4)连接，用于向混合室(4)内充入砂粒；所述供液组件与混合室(4)连接，用于向混合室(4)内充入液体；所述混合室(4)用于将充入其中的砂粒及液体混合；所述输送管道上沿输送方向依次设有调节阀门(7)、流量计(8)及加热环(9)，所述输送管道的一端连接有喷嘴(10)，输送管道的另一端与混合室(4)连接，用于将混合室(4)混合的砂粒及液体输送至喷嘴(10)；
所述测试组件包括喷射室(11)、可加热测试平台及电化学工作站(14)；所述可加热测试平台及喷嘴(10)均设于喷射室(11)内且所述喷嘴(10)位于可加热测试平台的正上方；使用时，所述待测试样(16)安装在可加热测试平台的顶部，所述喷嘴(10)用于从上方向待测试样(16)喷射混合后的砂粒及液体，电化学工作站(14)用于测定待测试样(16)的电化学参数。
2.根据权利要求1所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述电化学参数包括开路电位、极化曲线及电化学阻抗谱。
3.根据权利要求1所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述可加热测试平台包括安装在喷射室(11)的内壁上的试样架(13)及卡设在试样架(13)顶部的防水PTC加热器(12)，所述待测试样(16)放置于防水PTC加热器(12)的顶部并通过绝缘弹簧夹夹紧，所述防水PTC加热器(12)用于加热所述待测试样(16)，所述待测试样(16)与所述电化学工作站(14)电连接。
4.根据权利要求1所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述供液组件包括储液桶(1)，所述储液桶(1)内设有不锈钢分样筛(2)用于拦截进入储液桶(1)内的砂粒，储液桶(1)连接有进液管和出液管；所述进液管位于储液桶(1)内的一端位于不锈钢分样筛(2)的上方，进液管的另一端与喷射室(11)连接且用于将喷射室(11)内的砂粒及液体导出并输送至储液桶(1)内；出液管位于储液桶(1)内的一端位于不锈钢分样筛(2)的下方，出液管上设有离心泵(3)，出液管的另一端与混合室(4)连接。
5.按照权利要求4所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述储液桶(1)的内侧壁中部设有卡槽，所述不锈钢分样筛(2)通过卡槽卡设在储液桶(1)内，所述不锈钢分样筛(2)的筛网网孔尺寸小于砂粒尺寸。
6.根据权利要求1所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述供砂组件包括储砂罐(6)和螺旋输送机(5)，所述螺旋输送机(5)的进料端与储砂罐(6)连接，螺旋输送机(5)的出料端与所述混合室(4)连接，所述螺旋输送机(5)用于将储砂罐(6)内的砂粒输送至混合室(4)。
7.根据权利要求1所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置，其特征在于：所述输送管道在加热环(9)与喷嘴(10)之间设有第一温度传感器，用于监测进入喷嘴(10)内的混合后的砂粒及液体的温度；所述可加热测试平台处设有第二温度传感器，用于监测待测试样(16)的温度；
还包括控制柜(17)，所述控制柜(17)内设有调节阀门(7)的调节旋钮、螺旋输送机(5)的控制开关及显示屏，所述显示屏用于显示流量计(8)监测到的流量数据、第一温度传感器监测到的温度数据、第二温度传感器监测到的温度数据及螺旋输送机(5)的输出速度。
8.一种地热井筒冲刷腐蚀的测试方法，其特征在于：所述方法基于如权利要求1至7中任一项所述的含砂条件下模拟地热井筒冲刷腐蚀的实验装置进行，包括如下步骤：
步骤1，实验准备：模拟地热水组分配制测试用溶液；将待测试样(16)安装在所述可加热测试平台上，并与电化学工作站(14)电连接，；
步骤2，冲刷实验：通过供液组件向混合室(4)内导入步骤1配制的所述测试用溶液，通过供砂组件向混合室(4)内导入所述砂粒，所述砂粒和测试用溶液经混合室(4)混合；待待测试样(16)被加热至预设温度时，开启加热环、调节阀门(7)及电化学工作站(14)，按设定流量和时间向待测试样(16)喷射混合后的砂粒和测试用溶液以便冲刷待测试样(16)的表面，冲刷过程中实时记录冲刷时间及待测试样(16)的电化学参数；冲刷试验结束后，取下冲刷后的试样，用添加有六次甲基四胺的盐酸清洗并除去试样表面的腐蚀产物，然后烘干称重，计算冲刷腐蚀速率，再用数码显微镜拍摄试样表面的腐蚀形貌；
步骤3、更换待测试样(16)，按设定参数调整混合室(4)内的砂粒含量、混合后的砂粒和测试用溶液的喷射温度及喷射速度、以及待测试样(16)的温度，重复步骤2进行冲刷试验。
9.根据权利要求8所述的地热井筒冲刷腐蚀的测试方法，其特征在于：所述砂粒为石英砂。
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