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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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：
[0008] (1)基础参数收集：
[0009] 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；
[0010] 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。
[0011] (2)轴向载荷谱提取：
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] (3)实验方案设计：
[0015] 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。
[0016] (4)交变载荷和腐蚀介质共同作用环境模拟：
[0017] 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；
[0018] 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。
[0019] (5)实验及结果分析：
[0020] 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。
[0021] 样品实验结束后，进行SSRT实验时，以8X 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；
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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】
[0025] 图1为井口和井底处的等效轴向载荷谱；
[0026] 图2为不同实验方案所得到的样品的SSRT拉伸曲线；
[0027] 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】
[0028] 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。
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例提供了一种交变载