一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法与流程

本发明属于油田注水开发应用
技术领域：
，更具体地，涉及一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，该测试方法尤其适用于在实验室内快速、有针对性的预测油田现场注水系统腐蚀和结垢情况，并可依此提出防治措施，可针对具体的现场油田污水(如注水油田所用注水)，是一种快速测试方法。
背景技术：
：随着油田的开采进入中后期油压下降，注水驱替提高采收率是大多数陆地油田的主要手段之一。在油田注水的过程中，外来水与油田内地层岩石的接触，会发生各种物理变化和化学变化，极大的造成了地层的损害。同时，在注水过程中，注水管线中的流体由于地层温度和压力的变化，有些情况下造成严重的管线腐蚀甚至穿孔，还有某些成分容易析出，在注水管线中形成垢层，堵塞注水管线，对油田开采作业产生十分不利的影响。国内外已经有众多油田注水过程中已出现了不同程度的腐蚀和结垢现象，由于各地水质和地层性质的差异，很难有统一而有效的解决方法，因此，开发一套有针对性、能快速预测并提出有效解决方案的方法十分有实际意义。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，其中通过对关键的各测试步骤的设置方式以及具体的参数设置等进行改进，与现有技术相比能够有效解决油田污水腐蚀性、以及结垢性的评价测试问题，并且该测试方法可根据每个具体注水油田其不同的水质和管线情况灵活调整，能很好的反应每个现场不同的情况，使得通过本方法在实验室内测试得出的测试结论与实际油田现场的实际情况匹配度高。为实现上述目的，按照本发明，提供了一种油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)静态电化学分析步骤：在不同温度下，以现场油田污水为溶液采用3电极系统通过交流阻抗法分别测试管线材料在所述现场油田污水下的电化学阻抗图谱，并根据不同温度下得到的所述电化学阻抗图谱得出所述管线材料的相位角临界转变温度；所述管线材料为现场油田输送油田污水的管线所采用的材料；(2)CFD软件模拟步骤：以所述现场油田输送油田污水的管线为参考，设计模拟管线；接着，运用建模网格划分软件对该模拟管线进行计算机建模得到管线模型；然后，运用CFD软件模拟出在不同进管口流速下该管线模型内的流态信息，得出湍流强度以及壁面剪切应力随距进管口距离的分布情况；并根据所述湍流强度以及所述壁面剪切应力随距进管口距离的的分布情况确定实验测试片的安放位置；接着，根据在不同所述进管口流速下所述湍流强度以及所述壁面剪切应力随距进管口距离的分布情况得出壁面剪切应力与进管口流速、以及距进管口距离三者的函数关系，湍流动能与进管口流速、以及距离进管口距离三者的函数关系；(3)动态管线模拟步骤：根据所述步骤(2)中的所述模拟管线、以及所述实验测试片的安放位置，设置动态管线，该动态管线用于安放实验测试片；接着，将所述实验测试片安放在所述动态管线上，在不同温度、以及不同进管口流速下进行水循环开始动态模拟实验，并在不同的实验时长下测量不同安放位置处的所述测试片的垢层厚度，所述不同安放位置对应不同的所述距进管口距离；所述实验测试片与所述现场油田输送油田污水的管线所采用的材料相同；所述水循环采用所述现场油田污水；所述动态管线与所述步骤(2)中的所述模拟管线为等比例关系；(4)数据整合分析步骤：根据所述步骤(2)中得到的壁面剪切应力与进管口流速、以及距进管口距离三者的函数关系，湍流动能与进管口流速、以及距离进管口距离三者的函数关系，所述步骤(3)中得到的在不同温度、不同进管口流速、以及不同实验时长下的不同安放位置处的垢层厚度，得出垢层厚度与变量之间的关系，从而得出该油田污水的腐蚀结垢特性；所述变量为湍流动能、壁面剪切应力、温度、进管口流速、实验时长和距进管口距离中的至少一个。作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，在测量得到所述垢层厚度后，还包括：将所述实验测试片干燥，测重后得到最终结垢量；接着再将所述实验测试片酸洗干燥，测重后得到最终腐蚀程度。作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中的所述水循环以是添加有添加剂的所述现场油田污水进行的；所述添加剂为缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂中的至少一种。作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中通过交流阻抗法测试管线材料的电化学阻抗图谱的测试时间为至少7天；所述3电极系统是以所述管线材料作为工作电极，以甘汞电极作为参比电极，以铂电极作为对电极。作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中进行所述动态模拟实验的温度包括所述步骤(1)中得到的所述相位角临界转变温度；优选的，所述步骤(3)中进行所述动态模拟实验的温度与所述步骤(1)中进行静态电化学分析所采用的温度一一对应，所述步骤(3)中进行所述动态模拟实验的进管口流速与所述步骤(2)中运用CFD软件模拟所采用的进管口流速一一对应；优选的，所述步骤(1)中进行静态电化学分析所采用的温度为40℃～60℃，所述步骤(2)中运用CFD软件模拟所采用的进管口流速为0.41m/s～1.54m/s；所述步骤(3)中进行所述动态模拟实验的温度为40℃～60℃，所述步骤(3)中进行所述动态模拟实验的进管口流速为0.41m/s～1.54m/s。作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的所述建模网格划分软件为Gambit软件；所述CFD软件为Fluent软件。作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中测量所述测试片的垢层厚度是将所述测试片在超景深显微镜观察得出该测试片的垢层平均厚度。作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中得到的所述实验测试片的安放位置对应所述湍流强度的极值位置、以及所述壁面剪切应力的极值位置中的至少一种。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于综合了静态电化学测试、CFD软件模拟、动态管线模拟、数据整合分析这四个相对独立而又相互关联的测试步骤作为油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，能够对油田污水腐蚀与结垢特性进行快速的综合测量评价，测量结论与实际情况匹配度高，对实际的油田注水生产具有大的指导作用。本发明中的动态管线模拟步骤是依照现场注水管线按比例缩小制作动态模拟管线模型，根据静态电化学分析结果确定模拟实验最佳实验条件，根据CFD软件模拟结果在流态信息变化较大的各个区域安装测试片，应用3D超景深显微镜观察测试钢片表面形貌，用3D统计分析法测定垢层厚度。该步骤可对实验温度、使用的流速进行控制，可进行在线垢层厚度测量(垢层厚度测量可借助3D超景深显微镜观察，再利用统计分析法计算，垢样的平均厚度＝体积/采样面积)。利用该动态管线模拟步骤，可得出管道不同位置处(即，管道上距离进管口距离不同的位置处)电极表面垢层厚度分布。静态电化学分析步骤是采用3电极系统，测试管线材料的电化学阻抗、极化曲线等，分析在静态条件下油田现场污水中管线材料的腐蚀与结垢趋势；根据电化学阻抗谱BODE图，在高频区(频率高于100Hz的区间为高频区)出现相位角峰对应于材料表面垢层膜厚和膜的致密性信息，在低频区(频率低于100Hz的区间为低频区，即，以100Hz为分界点区分高频区和低频区)出现相位角峰对应于材料表面膜下腐蚀相关信息。CFD软件模拟步骤，是根据实际油田现场运用的管径和流速特征，计算出管壁剪切应力；是先通过GAMBIT软件的建模和划分网格及检测后，再使用Fluent软件进行流体动力学模拟，实验模拟管线GAMBIT建模；统计管线不同位置截面的最大湍流能和不同位置壁面的最大剪切应力。本发明中的油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，能够快速测试，预测、评价油田注水腐蚀性和结垢性；另一方面，通过向油田污水中添加添加剂(如缓蚀剂、阻垢剂等)对水质进行调节，并再次测试，可以对各种添加剂(包括各种不同种类的添加剂、以及不同配比的添加剂)的添加效果(即，添加有添加剂的污水的腐蚀性和结垢性等)进行评价，具有良好的针对性和实际应用价值。本发明中的油田污水腐蚀结垢特性的测试方法通过静态电化学分析、CFD软件模拟、动态管线模拟、数据整合分析四大部分，能快速有效的在实验室内还原油田现场，以油田现场不同的实际状况(如温度，压力，管线材料种类，表面粗糙度，管线内部湍流强度，壁面剪切应力等)为基础，系统的分析注水管线的腐蚀与结垢趋势，可建立有效的函数模型对注入水腐蚀和结垢规律进行预测，并对提出的解决方案(如向注水中添加添加剂等)进行评价，测试评价的结论与生产现场实际情况符合较好。本发明中的油田污水腐蚀结垢特性的测试方法能够快速对油田污水腐蚀结垢特性作出评价，具有简单，准确性高，针对性强等优点，是一种实验室内预测油田现场注水系统腐蚀和结垢情况，并能够预先评价防治措施，具体具有以下优点：(1)本发明的CFD软件模拟，动态管线模拟等方法有针对性，可以评价不同油田的不同情况，能较好的解决不同油田的实际问题；其中3D统计分析法能很好的获得垢层厚度信息，准确快速。(2)本发明提出的数据拟合将各个因素对管线结垢和腐蚀的影响关联了起来，能对现场的腐蚀和结垢情况进行较为准确的预测，为现场的防治提供相关信息。(3)本发明的动态管线模拟还可以对提出的解决方案进行验证，能在实验室中找到最佳的解决方案和相关的技术指标，注意事项，为现场实际生产提供指导，节约人力物力。本发明油田污水腐蚀结垢特性的测试方法，可快速预测油田注水的结垢和腐蚀特性，并对相应的解决方案(如向油田注水中添加添加剂、改变管线材料等)进行评价，对每个注水油田不同的水质和管线情况都有针对性，能很好的反应每个现场不同的情况，进一步的，可得到最佳的添加剂使用组合。本发明中的测试评价方法以油田现场水为介质，能够实况反应油田现场情况；静态电化学分析步骤通过交流阻抗、电化学极化等分析手段，能够找出管线所用材料在现场水中的腐蚀和结垢趋势；CFD软件模拟步骤通过CFD软件模拟生产现场的情况，模拟出管线的流态、湍流强度、壁面剪切力等相关信息；动态管线模拟步骤则根据现场实际比例建立模拟管线，基于静态电化学分析部分得到的最适宜实验条件进行实验，并可同时检验提出的解决方案在实际应用情况下的效用；数据整合分析步骤则是整合前三个步骤的数据，建立相关的简单函数模型，对生产现场管线结垢和腐蚀的程度进行大致预测，讨论腐蚀和结垢程度与温度、流速、湍流强度、壁面剪切应力等相关因素之间的变化关系，同时评价所提出的解决方案的好坏以及现场可行性。附图说明图1A、1B、1C分别是N80钢不同温度下交流阻抗数据拟合后曲线图；图2A是本发明动态管线模拟实验装置结构示意图，图2B为安放测试钢片的动态管线(该动态管线可以采用玻璃材料)的放大示意图。图2A中的动态管线其外径为3cm，内径为2.8cm，该动态管线自上而下由空心的圆柱体和锥体组合而成(该锥体是为了便于管线连接而设置的，也可不采用)，圆柱体的圆形底面与锥体的圆形顶面重合，其中，圆柱体的高度为67cm，锥体的高度为3cm，在距圆柱体圆形顶面7cm、12cm、37cm的圆柱体侧面上分别设置有相对的、向外凸出的、凸出宽度为2cm的容纳口，这些容纳口共计6个，用于容纳测试钢片(这6个容纳口均可用活塞密封，待测试的钢片可以附着在活塞上)。该动态管线模拟实验的装置包括水浴锅(精密测温探头、高精度控温器控温)、以及相应的连接管路；其中，恒温水浴锅配有精密控温探头，该探头还与高精度控温器相连。图3是本发明所述的3D统计分析法测试原理；图4是本发明所述的软件管线建模示例；图5A、5B、5C分别是本发明所述的CFD软件模拟计算结果示例；图5B自左向右分别为1.38e-03、7.76e-05、1.05e-05，图5C自左向右分别为3.14e-02、1.29e-02、9.50e-03。图6是本发明所述的动态模拟实验测试钢片示例；图6(a)(b)(c)(d)均为N80碳钢，自左向右对应不同的测试片的安放位置(即对应图2A中所示的自上而下测试钢片安放位置)。图7A、7B均是本发明所述的数据整合函数建模示例；图8是进管口流速0.41m/s不同位置垢层厚度随时间变化的曲线；图中的位置1、位置2、位置3依次对应图2A中所示的自上向下的测试钢片安放位置；图9是进管口流速1.06m/s不同位置垢层厚度随时间变化的曲线；图中的位置1、位置2、位置3依次对应图2A中所示的自上向下的测试钢片安放位置；图10是进管口流速1.54m/s不同位置垢层厚度随时间变化的曲线；图中的位置1、位置2、位置3依次对应图2A中所示的自上向下的测试钢片安放位置；图11A、11B分别是不加阻垢杀菌剂的结垢产物图、以及添加阻垢杀菌剂的结垢产物图，即，阻垢杀菌剂添加前后某油田现场管线内壁结垢产物对比图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施步骤1：电化学静态分析准备抛光好的现场管线所用材料的电极用作测试用工作电极，甘汞电极用作参比电极，铂电极为对电极，组成3电极体系，待3电极体系在现场水溶液中开路电位稳定后，在开路电位正负20mV下进行EIS测试，测试的频率区间为105Hz至10-3Hz，之后测定在开路电位下测极化曲线，利用科斯特电化学工作站ZView中电化学阻抗拟合分析软件拟合出等效电路和相应的电化学参数；分别测定在40℃，50℃，60℃条件下，碳钢电极在现场水中的阻抗图谱和极化曲线；连续7天测电极在60℃现场水中的阻抗图谱，分析长时间浸泡电极表面结垢和腐蚀的变化规律(由于40℃、50℃、60℃下的阻抗图谱中，60℃下钢片的腐蚀和结垢更加明显，因此可以仅以60℃下阻抗图谱，分析长时间浸泡电极表面结垢和腐蚀的变化规律)。见图1和表1。从图上可以看出，高频区(频率大于100Hz的区间定义为高频区)相位角在实验温度超过50℃后，相位角突破-50°，说明临界转变温度Tc为50℃(该临界转变温度即相位角突变温度，当温度高于此温度时，结垢速率大于腐蚀速率，宏观体现出结垢为主；而当温度低于此温度时，腐蚀反应速率大于结垢速率，宏观则体现出腐蚀反应为主)。这是后续动态模拟实验步骤最关注的温度点。通过阻抗图谱可判断结垢和腐蚀的趋势，而利用极化曲线可以得出管道材料(如碳钢)的腐蚀速率大小。表1N80钢在不同温度下的交流阻抗拟合数据结果电化学静态分析的结果表明，温度低于60℃条件下管线结垢速率不高，不易结垢，当温度高于60℃条件下，管线结垢趋势随着温度的逐渐增加；试样随着温度的增加试样腐蚀速率增加。实施步骤2：CFD建模模拟参考油田注水现场的输水管线的实际尺寸，设计模拟管线(该模拟管线的长度与管线直径的比值不小于10，例如，模拟管线的直径可以小于实际油田注水管线的直径，只要模拟管线的长度与直径两者的比值大于10即可；为了便于管线连接，可在该模拟管线的一端可设置锥体结构，在该锥体内部以及靠近该锥体的管线部分均不设置样品点，以免整体管线模拟实验；该模拟管线的长度可灵活调整，只要能够获得相对稳定的流态即可，一般模拟管线的长度与管线直径的比值不小于10就能满足要求，当然长度越长越有利)。运用Gambit软件等建模网格划分软件对管线进行计算机建模，再用Fluent(CFD)软件在不同流速下模拟出管线中流态信息，如湍流强度，壁面剪切应力等的分布情况(尤其是湍流强度和剪切应力的最大值和最小值位置，即极值位置)并初步确定实验测试片安放位置(由于湍流强度和剪切应力的极值位置一般腐蚀或结垢都相对严重，这样获得的数据更加有参考性)。软件建模示范见图4。在该步骤中，利用CFD软件模拟，可找出现场管线的流态信息分布，确定下步动态管线模拟测试的具体测试条件(如流速、试片安装的位置等，在该CFD软件模拟步骤中采用的流速主要是根据油田现场实际的速度为参考，例如，可以围绕实际速度上下取若干个点进行CFD模拟；在下步动态管线模拟实验中所采用的流速，可以与该CFD模拟步骤中的流速保持一致；CFD模拟步骤中初步确定实验测试片安放位置一般就是动态管线模拟步骤中的试片安装位置，如果遇到一些无法安装试片的情况，比如模拟出两个试片安放位置过于接近，则可以根据模拟结果重新考虑其中一个位置)。实施步骤3：动态管线模拟动态模拟管线示意如图2所示(该动态模拟管线的尺寸可以与CFD模拟管线的尺寸保持一致)，实验实物按照该图对应设置。每一块胶塞上可安放不同种类的测试钢片，一次用丙酮和乙醇清洗安装好的钢片表面备用，测试开始前，先将油田现场水样加热恒温至所需温度1小时，再插入测试钢片进行水循环，循环初始时期，在钢片表面易有较多气泡附着，此时应暂停循环水，使钢片裸露，气泡随之破裂，再开启循环水，如此反复直至钢片表面不再有气泡附着。在测试过程中，由于水中原有气体溢出和液体挥发作用易在测试管线顶端产生气体，这时应及时用止水夹夹住底部出水口，从上部预留的溢水口排除气泡并接收上部溢出的带有泡沫的液体，并倒回现场水瓶中。开启动态模拟实验后，在第24h，48h，72h，120h，168h，216h时暂停水循环，取出测试钢片，分别用3D超景深显微镜观察测试钢片的表面形貌，用3D超景深显微镜的平均厚度法测量垢层的平均厚度。体积平均厚度即用3D照相机获取一定面积内垢样的体积，然后除以底面积，从而获得垢样的平均厚度，低放大倍数，在试片不同部位进行3d井深照相进行采样，通过多个采样点的厚度数值取平均，从而能够较为准确的反映整个试片的结垢厚度信息。统计分析方法，如图3所示。变换测试片材料种类和表面粗糙度等因素(表面粗糙度也可参考实际管道的粗糙度指标)，分析不同因素对测试片表面腐蚀和结垢规律的影响(图6所示为动态模拟试片表面结垢后的形貌图)。测试结束后，测试片干燥后测增重确定结垢量，酸洗后测失重确定腐蚀程度，3D照相机观察采集腐蚀形貌。测试片还可进行SEM，EDAX，XRD，XPS等分析确定腐蚀产物和垢样的成分信息。该动态管线模拟实验可以用于检测备选解决方案(如向油田注水中添加添加剂等)，确定其有效性以及相关技术指标和注意事项(如构成添加剂的具体成分、及相应试剂的配比等)，例如，某油田拟使用某缓蚀剂减缓管道腐蚀，可以在此模拟管线中先进行模拟实验。该步骤是将现场管线按比例缩小制作模拟管线，根据电化学分析结果确定最佳测试条件，根据软件模拟结果确定测试钢片分布位置；通过3D超景深显微镜观察测试钢片表面腐蚀和结垢形貌；应用3D统计分析发采集垢层厚度随时间变化的规律；实验结束后通过增重计算结垢量，酸洗后通过失重计算腐蚀程度。中低流速环境下，距离管口较近的位置结垢较薄，但随着流速的加大，厚度急剧上升，而管中部和后部的区域呈先增大后减小的趋势。通过在动态管线模拟步骤中采用不同温度、不同进管口流速，可系统的分析在油田污水作用下某一管道的结垢和腐蚀趋势；以温度为例，该动态管线模拟步骤所采用的多个不同的温度，可以是在现场温度(即，实际油田现场的温度)和临界转变温度(即，步骤1电化学静态分析实验所得的临界转变温度)附近的多个温度点，从而能够系统分析油田现场温度和临界转变温度附近的结垢和腐蚀趋势，并进一步的提出可以减少腐蚀或者结垢的参考意见。实施步骤4：数据整合分析以CFD软件模拟和动态管线模拟为主要数据来源，考察相关变量，建立温度，管线材料种类，表面粗糙度，管线内部湍流强度，壁面剪切应力等相关变量与管线材料表面腐蚀结垢的关系，以函数关系式方式表达，并用公式或图像、表示其间的函数关系，对油田现场的管线腐蚀和结垢情况进行分析和预测。见图5、图7-图10。例如，0.41m/s流速下动态管线模拟实验获得的最大结垢速率是1.0543μm/h，1.54m/s流速下流速更大，高流速下壁面剪切应力很大，垢层形成速度具有不确定性和偶然性，垢层厚度随时间变化并不很好的符合线性关系。在CFD软件模拟和动态管线模拟中，还可进一步的建立压力与管线材料表面腐蚀结垢的关系，并相似的以函数关系式方式表达；考虑到油田注水管路中，不同高度处的管路往往具有不同的水压，因此本发明的动态管线模拟中的动态管线按竖直方向设置；尤其当动态管线较长时，靠近底部的试样点就会因为水柱高度压力较大，与靠近顶部的试样压力有区别，导致压力不同；但是受动态管线的长度限制，动态管线内的压力增加并没有实际油田埋设管线内增加的压力大，因此在动态模拟管线允许的情况下，可适当增加动态管线的压力，并得出压力与管线材料表面腐蚀结垢的关系。本发明模拟条件下建立的垢层厚度与各变量之间的最终函数模型如下式，其中湍流能k(m2/s2)和壁面剪切应力p(Pa)与进管口流速v(m/s)，距离进管口距离d(cm)的函数关系可由CFD软件模拟获得。H=F(k,p,T)k=F(v,d)p=F(v,d)---(1)]]>式中，H为垢层厚度(μm)，k为湍流能(m2/s2)，p为壁面剪切应力(Pa)，v为进管口流速(m/s)，d为距离进管口距离(cm)，T为温度(℃)。通过静态电化学分析，CFD软件模拟，动态管线模拟的数据找出影响管线材料腐蚀或结垢的因素，建立函数模型，并用公式或图像等表述函数关系，应用所得函数关系，对油田现场的腐蚀和结垢进行预测。实施步骤5：胜利油田现场某油田聚合物驱产出水通过实验室快速评价，结果表明其微生物诱导结垢严重；实验室筛选阻垢剂和杀菌剂组合添加后可以明显抑制结垢(即，将添加有不同阻垢剂和/或杀菌剂的现场水作为上述步骤1－4，尤其是动态管线模拟的实验用水，由此筛选出最佳的阻垢剂和杀菌剂组合)。油田现场采用实验室筛选配方，经过现场3个月验证实验，结垢问题得到控制，阻垢率达到90％。现场结垢对比图见图11A和11B。图中可以看出添加阻垢杀菌剂后，管线内壁微生物诱导结垢产物较少。通过本发明中的测试方法可以判断某油田污水的腐蚀性(即腐蚀倾向)以及结垢性(即结垢倾向)强弱。本发明中的动态管线模拟步骤是以静态电化学分析步骤所采用的温度、CFD软件模拟步骤所采用的流速为实验条件，通过实验数据分析，可以检测理论计算与实际模拟之间大趋势上的统一性，从而使得出的结论更加有参考性。例如，通过静态电化学分析(如相位角信息等)，可以判断材料腐蚀和结垢的趋势，即预先判断材料在特定温度下的腐蚀和结垢趋势；而在动态管线模拟步骤中则通过3d照相机来实际的观察管线在实际使用中的结垢和腐蚀趋势，从而检测理论计算与实际模拟之间大趋势上的统一性，从而使得出的结论更加有参考性。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3