CN112345441A - 一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，包括控制柜、旋转动力系统、高温高压反应釜系统、高压溶液注入及保压系统和样品夹持装置，旋转动力系统设置在控制柜上，高温高压反应釜系统设置在控制柜上，高压溶液注入及保压系统设置在控制柜上，样品夹持装置设置在旋转动力系统上，本发明在可控温度和釜内介质压力可控的反应釜中进行，采用试样旋转的方式来实现对流速的模拟，利用转动密封装置保证釜内的压力，解决现有技术中模拟钻进实验设备无法模拟腐蚀环境的问题，实现可控温度、压力、流速的三场耦合井下腐蚀环境模拟，同时可展开温度、压力、流速三场耦合井下的钻具材料腐蚀性能测试，腐蚀行为分析及钻进工艺参数优选。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工程和材料腐蚀的交叉学科领域，特别是一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台。
背景技术
根据《全国油气资源动态评价(2015)》，中国的石油可采资源量为301亿吨，然而其中198亿吨待探明资源量的大部分埋藏在5000m以下，“三深一土”科技创新战略中也明确提出了“显著提升6500至10000m深的油气勘查技术能力及实施万米科学钻探计划”，随着油气勘探开发对象的不断复杂化，井深不断增加，岩石硬度、井底压力和温度将会越来越复杂，导致破岩效率低、钻头寿命短、钻具材料腐蚀加剧和钻速慢等问题。
无论是深部油气钻探还是深部大陆科学钻探，在井内高温、高压、高冲洗的条件下的腐蚀越来越成为制约钻具材料应用的重要影响因素，例如在国家大陆科学钻探工程“松科二井”中使用铝合金钻杆时，因钻井液的PH值和温度较高且浸泡时间较长，导致井内钻具材料出现了不同程度的腐蚀现象，影响了使用寿命。因此，有必要对钻具材料在井内复杂工况环境下的腐蚀行为及腐蚀机理进行研究，但是，目前国内外采用的模拟井下工况的试验机多针对钻具材料的机械性能，一般只能满足对高温高压条件的模拟，然而，井下高速流动的冲洗液对钻具材料的腐蚀行为同样十分重要，这导致目前绝大多数的模拟钻进实验设备无法满足井内环境对钻具材料腐蚀行为的研究要求，本发明涉及一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，可实现温度、压力、流速和腐蚀液PH同时调控的多场耦合的井下模拟环境，可用于井下复杂条件下各影响因素对钻具材料腐蚀行为的影响规律研究及腐蚀性能评价，力争为设计和研制新型耐腐蚀性能优良的钻具材料提供实验设备支撑。
发明内容
本发明的目的是要解决上述背景技术中的问题，而提供一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台。
一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，包括控制柜、旋转动力系统、高温高压反应釜系统、高压溶液注入及保压系统和样品夹持装置，旋转动力系统设置在控制柜上，高温高压反应釜系统设置在控制柜上，高压溶液注入及保压系统设置在控制柜上，样品夹持装置设置在旋转动力系统上；
所述控制柜包括控制面板、箱体和固定底座，箱体用于安放反应釜及控制线路，固定底座固定于地面，箱体固定安装于固定底座上，所述控制面板用于控制和显示反应釜的温度和压力，以及调速电动机的转速；
所述旋转动力系统包括电动机旋转支架、电动机旋转杆、调速电动机、电动机固定装置和回转轴，电动机旋转支架固定于箱体上，电动机旋转杆与电动机旋转支架活动连接，电动机旋转杆可以沿着电动机旋转支架上下滑动及水平转动，电动机旋转杆在电动机旋转支架上通过螺母机构锁死固定，调速电动机固定在电动机旋转杆上，可随电动机旋转杆在竖直方向升降以及水平方向扭转，回转轴与调速电动机为可拆卸式连接，回转轴带动试样在反应釜内腐蚀介质中旋转模拟流速，调速电动机调节转速来改变模拟的流速大小；
所述高温高压反应釜系统包括压力表、隔离阀、釜盖及散热座、釜盖保温装置、腐蚀液入口、加热保温装置、反应釜、釜底保温及支撑装置、温度传感器和腐蚀液出口阀，反应釜设置在箱体上，反应釜外部设置有加热保温装置对压力釜进行加热，反应釜上设置有釜盖及散热座，釜盖及散热座上设置有釜盖保温装置，反应釜底部设置有釜底保温及支撑装置，釜盖保温装置与釜底保温及支撑装置确保反应釜的温度恒定可控，压力表和温度传感器用于实时测量反应釜内的温度和压力，压力表与反应釜之间设置有隔离阀，反应釜上部设置有腐蚀液入口，反应釜下部设置有腐蚀液出口阀，开始实验前腐蚀介质由腐蚀液入口压入，实验结束后由腐蚀液出口阀排出；
所述回转轴与反应釜之间设置有转动密封装置，转动密封装置采用倒V字结构，将回转轴与反应釜转动接触处密封，确保回转轴在高速旋转的过程中反应釜没有压力泄露；
所述高压溶液注入及保压系统包括活塞容器、腐蚀液入口、控制阀、注压泵和加压踏板，活塞容器顶部通过管路与腐蚀液入口连通，活塞容器侧壁设置有腐蚀液入口，腐蚀介质由腐蚀液入口进入活塞容器，活塞容器底部通过管路与注压泵连通，活塞容器与注压泵之间的管路上设置有控制阀，注压泵上设置有加压踏板，利用踩踏加压踏板通过注压泵推动活塞将腐蚀介质从活塞容器压入反应釜内，注压完毕后关闭控制阀实现保压；
所述样品夹持装置由变径杆体与螺母组成，变径杆体固定在回转轴前端，试样为内径为10mm，外径为15mm的空心圆柱体，变径杆体上部直径为15mm，下部为直径10mm，下端有螺纹，试样串在杆体下部，末端由螺母锁死；
具体的，调速电动机带动回转轴旋转，回转轴带动变径杆体旋转，试样随变径杆体在反应釜内旋转，实现对流速的模拟，通过调整调速电动机的转速实现流速的可控调节；
所述反应釜和活塞容器由耐腐蚀的哈式钢制造。
本发明的有益效果：
本发明模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台在可控温度和釜内介质压力可控的反应釜中进行，采用试样旋转的方式来实现对流速的模拟，利用转动密封装置保证釜内的压力，解决了现有技术中模拟钻进实验设备无法模拟腐蚀环境的问题，实现了可控温度、压力、流速的三场耦合井下腐蚀环境的模拟，同时可展开温度、压力、流速的三场耦合井下的钻具材料腐蚀性能测试，腐蚀行为分析及钻进工艺参数优选。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，包括控制柜、旋转动力系统、高温高压反应釜系统、高压溶液注入及保压系统和样品夹持装置，旋转动力系统设置在控制柜上，高温高压反应釜系统设置在控制柜上，高压溶液注入及保压系统设置在控制柜上，样品夹持装置设置在旋转动力系统上；
所述控制柜包括控制面板1、箱体2和固定底座3，箱体2用于安放反应釜15及控制线路，固定底座3固定于地面，箱体2固定安装于固定底座3上，所述控制面板1用于控制和显示反应釜15的温度和压力，以及调速电动机6的转速；
所述旋转动力系统包括电动机旋转支架4、电动机旋转杆5、调速电动机6、电动机固定装置7和回转轴17，电动机旋转支架4固定于箱体2上，电动机旋转杆5与电动机旋转支架4活动连接，电动机旋转杆5可以沿着电动机旋转支架4上下滑动及水平转动，电动机旋转杆5在电动机旋转支架4上通过螺母机构锁死固定，调速电动机6固定在电动机旋转杆5上，可随电动机旋转杆5在竖直方向升降以及水平方向扭转，回转轴17与调速电动机6为可拆卸式连接，回转轴17带动试样在反应釜15内腐蚀介质中旋转模拟流速，调速电动机6调节转速来改变模拟的流速大小；
所述高温高压反应釜系统包括压力表8、隔离阀9、釜盖及散热座10、釜盖保温装置11、腐蚀液入口13、加热保温装置14、反应釜15、釜底保温及支撑装置16、温度传感器19和腐蚀液出口阀20，反应釜15设置在箱体2上，反应釜15外部设置有加热保温装置14对压力釜进行加热，反应釜15上设置有釜盖及散热座10，釜盖及散热座10上设置有釜盖保温装置11，反应釜15底部设置有釜底保温及支撑装置16，釜盖保温装置11与釜底保温及支撑装置16确保反应釜15的温度恒定可控，压力表8和温度传感器19用于实时测量反应釜内的温度和压力，压力表8与反应釜15之间设置有隔离阀9，反应釜15上部设置有腐蚀液入口13，反应釜15下部设置有腐蚀液出口阀20，开始实验前腐蚀介质由腐蚀液入口13压入，实验结束后由腐蚀液出口阀20排出；
所述回转轴17与反应釜15之间设置有转动密封装置12，转动密封装置12采用倒V字结构，将回转轴17与反应釜15转动接触处密封，确保回转轴在高速旋转的过程中反应釜没有压力泄露；
所述高压溶液注入及保压系统包括活塞容器21、腐蚀液入口22、控制阀23、注压泵24和加压踏板25，活塞容器21顶部通过管路与腐蚀液入口13连通，活塞容器21侧壁设置有腐蚀液入口22，腐蚀介质由腐蚀液入口22进入活塞容器21，活塞容器21底部通过管路与注压泵24连通，活塞容器21与注压泵24之间的管路上设置有控制阀23，注压泵24上设置有加压踏板25，利用踩踏加压踏板25通过注压泵推动活塞将腐蚀介质从活塞容器21压入反应釜内，注压完毕后关闭控制阀实现保压；
所述样品夹持装置由变径杆体与螺母组成，变径杆体固定在回转轴17前端，试样18为内径为10mm，外径为15mm的空心圆柱体，变径杆体上部直径为15mm，下部为直径10mm，下端有螺纹，试样串在杆体下部，末端由螺母锁死。
具体的，调速电动机6带动回转轴17旋转，回转轴17带动变径杆体旋转，试样随变径杆体在反应釜15内旋转，实现对流速的模拟，通过调整调速电动机6的转速实现流速的可控调节；
所述反应釜15和活塞容器21由耐腐蚀的哈式钢制造。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合以下实施方案作进一步地描述。为了描述的清晰和实验参数选择依据，作以下假设条件：
1.忽略地表温度影响，特别是随着四季与昼夜更替带来的温度变化。
2.假设实际地表温度为一常数，可以根据实际钻井位置选取当地的年平均温度，本实施案例里面均取10℃。
3.假设地表以下地层温度梯度按照3℃/100m进行递增，要是有测试具体位置的钻具材料的腐蚀性能的时候，可以取当地实际测得的地温梯度。
4.忽略硫化氢H2S对钻井液腐蚀液的PH值的影响，也就是假设测试环境不含H2S。
5.模拟的压力按照地层深度的液柱压力进行计算，本实施案例里面选择腐蚀液的密度为清水密度。
6.假设实际钻井环境下，忽略井内摩擦、扭矩和压力的损耗，也就是钻机的转速可以等同于井内钻具的实际钻速。
实施案例一：模拟1500m石油钻井井下环境，地层温度约55℃，转速60r/min的工况条件，液柱压力为15MPa，钻井液PH值8。
先将试样称重后，串在变径杆体下部，末端由螺母锁死，将回转轴17伸入反应釜15内，装上转动密封装置12，盖上釜盖及散热座10并放置釜盖保温装置11。
水平转动电动机旋转杆5使调速电动机6到达指定位置锁死水平螺母，上下移动电动机旋转杆5将旋转杆杆体与调速电动机6连接，并锁死竖直螺母，固定好位置。
将PH值为8的钻井液由腐蚀液入口22进入活塞容器21，踩踏加压踏板25，通过注压泵24推动活塞将腐蚀介质从活塞容器21压入反应釜15内，待反应釜15内充满钻井液后，活塞容器21依然充满钻井液，进一步注压是反应釜15内压力升高，此时开始加热，使温度达到55℃摄氏度，开启釜底保温及支撑装置16进行保温，同时观察压力表8，待压力达到15MPa时停止注压，关闭控制阀保压。
打开调速电动机6，将转速调至60r/min，并预设实验时间96h，进行试验。
试验结束后，关闭调速电动机6和釜底保温及支撑装置16，待温度降到室温，打开腐蚀液出口阀20进行泄压，压力降至气压后排出钻井液，打开回转轴17与调速电动机6的连接，利用电动机旋转杆5将调速电动机6移到合适位置，打开釜盖及散热座10，取出转动密封装置12，拿出回转轴17，取出样品，将测试完成样品在200g/L铬酸和2g/L硝酸银的混合溶液中进行清洗，去除表面钻井液残留及腐蚀产物，然后进行称重。利用前后的重量损失，评价腐蚀性能，并对试样表面的腐蚀形貌进行观察与评价，进一步研究其腐蚀行为。
实施案例二：模拟3000m石油钻井井下环境，地层温度约100℃，转盘与井底螺杆钻具联合驱动，钻具的转速为120r/min的工况条件，液柱压力为30MPa，钻井液PH值10。
先将试样称重后，串在变径杆体下部，末端由螺母锁死，将回转轴17伸入反应釜15内，装上转动密封装置12，盖上釜盖及散热座10并放置釜盖保温装置11。
水平转动电动机旋转杆5使调速电动机6到达指定位置锁死水平螺母，上下移动电动机旋转杆5将旋转杆杆体与调速电动机6连接，并锁死竖直螺母，固定好位置。
将PH值为10的钻井液由腐蚀液入口22进入活塞容器21，踩踏加压踏板25，通过注压泵24推动活塞将腐蚀介质从活塞容器21压入反应釜15内，待反应釜15内充满钻井液后，活塞容器21依然充满钻井液，进一步注压是反应釜15内压力升高，此时开始加热，使温度达到100℃摄氏度，开启釜底保温及支撑装置16进行保温，同时观察压力表8，待压力达到30MPa时停止注压，关闭控制阀保压。
打开调速电动机6，将转速调至120r/min，并预设实验时间96h，进行试验。
试验结束后，关闭调速电动机6和釜底保温及支撑装置16，待温度降到室温，打开腐蚀液出口阀20进行泄压，压力降至气压后排出钻井液，打开回转轴17与调速电动机6的连接，利用电动机旋转杆5将调速电动机6移到合适位置，打开釜盖及散热座10，取出转动密封装置12，拿出回转轴17，取出样品，将测试完成样品在200g/L铬酸和2g/L硝酸银的混合溶液中进行清洗，去除表面钻井液残留及腐蚀产物，然后进行称重。利用前后的重量损失，评价腐蚀性能，并对试样表面的腐蚀形貌进行观察与评价，进一步研究其腐蚀行为。
实施案例三：模拟1000m地质调查井的井下环境，地层温度约40℃，钻具的转速为360r/min，液柱压力为10MPa的工况条件，钻井液PH值7.5。
先将试样称重后，串在变径杆体下部，末端由螺母锁死，将回转轴17伸入反应釜15内，装上转动密封装置12，盖上釜盖及散热座10并放置釜盖保温装置11。
水平转动电动机旋转杆5使调速电动机6到达指定位置锁死水平螺母，上下移动电动机旋转杆5将旋转杆杆体与调速电动机6连接，并锁死竖直螺母，固定好位置。
将PH值为10的钻井液由腐蚀液入口22进入活塞容器21，踩踏加压踏板25，通过注压泵24推动活塞将腐蚀介质从活塞容器21压入反应釜15内，待反应釜15内充满钻井液后，活塞容器21依然充满钻井液，进一步注压是反应釜15内压力升高，此时开始加热，使温度达到40℃摄氏度，开启釜底保温及支撑装置16进行保温，同时观察压力表8，待压力达到10MPa时停止注压，关闭控制阀保压。
打开调速电动机6，将转速调至360r/min，并预设实验时间24h，进行试验。
试验结束后，关闭调速电动机6和釜底保温及支撑装置16，待温度降到室温，打开腐蚀液出口阀20进行泄压，压力降至气压后排出钻井液，打开回转轴17与调速电动机6的连接，利用电动机旋转杆5将调速电动机6移到合适位置，打开釜盖及散热座10，取出转动密封装置12，拿出回转轴17，取出样品，将测试完成样品在200g/L铬酸和2g/L硝酸银的混合溶液中进行清洗，去除表面钻井液残留及腐蚀产物，然后进行称重。利用前后的重量损失，评价腐蚀性能，并对试样表面的腐蚀形貌进行观察与评价，进一步研究其腐蚀行为。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，包括控制柜、旋转动力系统、高温高压反应釜系统、高压溶液注入及保压系统和样品夹持装置，旋转动力系统设置在控制柜上，高温高压反应釜系统设置在控制柜上，高压溶液注入及保压系统设置在控制柜上，样品夹持装置设置在旋转动力系统上；
所述控制柜包括控制面板(1)、箱体(2)和固定底座(3)，箱体(2)用于安放反应釜(15)及控制线路，固定底座(3)固定于地面，箱体(2)固定安装于固定底座(3)上，所述控制面板(1)用于控制和显示反应釜(15)的温度和压力，以及调速电动机(6)的转速；
所述旋转动力系统包括电动机旋转支架(4)、电动机旋转杆(5)、调速电动机(6)、电动机固定装置(7)和回转轴(17)，电动机旋转支架(4)固定于箱体(2)上，电动机旋转杆(5)与电动机旋转支架(4)活动连接，电动机旋转杆(5)可以沿着电动机旋转支架(4)上下滑动及水平转动，电动机旋转杆(5)在电动机旋转支架(4)上通过螺母机构锁死固定，调速电动机(6)固定在电动机旋转杆(5)上，可随电动机旋转杆(5)在竖直方向升降以及水平方向扭转，回转轴(17)与调速电动机(6)为可拆卸式连接，回转轴(17)带动试样在反应釜(15)内腐蚀介质中旋转模拟流速，调速电动机(6)调节转速来改变模拟的流速大小；
所述高温高压反应釜系统包括压力表(8)、隔离阀(9)、釜盖及散热座(10)、釜盖保温装置(11)、腐蚀液入口(13)、加热保温装置(14)、反应釜(15)、釜底保温及支撑装置(16)、温度传感器(19)和腐蚀液出口阀(20)，反应釜(15)设置在箱体(2)上，反应釜(15)外部设置有加热保温装置(14)对压力釜进行加热，反应釜(15)上设置有釜盖及散热座(10)，釜盖及散热座(10)上设置有釜盖保温装置(11)，反应釜(15)底部设置有釜底保温及支撑装置(16)，釜盖保温装置(11)与釜底保温及支撑装置(16)确保反应釜(15)的温度恒定可控，压力表(8)和温度传感器(19)用于实时测量反应釜内的温度和压力，压力表(8)与反应釜(15)之间设置有隔离阀(9)，反应釜(15)上部设置有腐蚀液入口(13)，反应釜(15)下部设置有腐蚀液出口阀(20)，开始实验前腐蚀介质由腐蚀液入口(13)压入，实验结束后由腐蚀液出口阀(20)排出；
所述回转轴(17)与反应釜(15)之间设置有转动密封装置(12)，转动密封装置(12)采用倒V字结构，将回转轴(17)与反应釜(15)转动接触处密封，确保回转轴在高速旋转的过程中反应釜没有压力泄露；
所述高压溶液注入及保压系统包括活塞容器(21)、腐蚀液入口(22)、控制阀(23)、注压泵(24)和加压踏板(25)，活塞容器(21)顶部通过管路与腐蚀液入口(13)连通，活塞容器(21)侧壁设置有腐蚀液入口(22)，腐蚀介质由腐蚀液入口(22)进入活塞容器(21)，活塞容器(21)底部通过管路与注压泵(24)连通，活塞容器(21)与注压泵(24)之间的管路上设置有控制阀(23)，注压泵(24)上设置有加压踏板(25)，利用踩踏加压踏板(25)通过注压泵推动活塞将腐蚀介质从活塞容器(21)压入反应釜内，注压完毕后关闭控制阀实现保压；
所述样品夹持装置由变径杆体与螺母组成，变径杆体固定在回转轴(17)前端，试样(18)为内径为10mm，外径为15mm的空心圆柱体，变径杆体上部直径为15mm，下部为直径10mm，下端有螺纹，试样串在杆体下部，末端由螺母锁死。
2.根据权利要求1所述的一种模拟钻井环境下的钻具材料腐蚀试验台，其特征在于：所述反应釜(15)和活塞容器(21)由耐腐蚀的哈式钢制造。
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