一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置、模拟方法及防砂筛管动态腐蚀性能评价方法与流程

本发明涉及一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置、模拟方法及防砂筛管动态腐蚀性能评价方法，属于防砂筛管测试技术领域。

背景技术：

我国及世界上的常规石油与天然气储层中，70％以上是弱胶结疏松砂岩油气藏，在开采过程中地层出砂严重。所谓出砂，是指石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层在开采过程中，由于生产压差过大、砂岩油气层岩石胶结疏松等原因，地层砂粒随地层流体产出到井筒或地面的现象。防砂是目前解决出砂问题的主要途径，不论采取何种方式防砂体系，机械筛管是防砂体系的关键组成部分，是防砂完井的重要井下工具。机械筛管安装于油井、天然气储层等无缝或焊接钢制井管最下端，用以将所开采的对象与地层中的砂石分离；长期受到含砂流体的作用，由于流体流速非常高，砂粒冲击力强，使筛管局部出现冲蚀破坏，影响防砂效果和寿命，因此机械筛管防砂性能的长时间稳定性对油气井防砂质量、防砂有效期以及油气井产量至关重要。

近年来随着油气井工程的发展，勘探开发的方向趋于深井化、复杂化，更容易引起防砂筛管的损坏。防砂筛管在油气开采过程中的损坏形式主要包括筛管腐蚀失效、挤毁破坏、筛管堵塞等，其中腐蚀失效是防砂筛管损坏最常见的一种形式，械防砂筛管在高温高压情况下受到腐蚀，包括均匀腐蚀、点蚀和坑蚀等情况，导致筛管腐蚀失效的主要因素有温度、腐蚀气体分压、流速、溶液成分等。因此进一步研究在高温及高温高压下筛管的腐蚀情况，对确保油气井的安全开采具有重要的现实意义。

现有也有一些关于针对高温高压气藏、井下恶劣腐蚀环境进行模拟防砂筛管腐蚀的模拟装置，但是现有的装置存在以下问题：1)现有腐蚀模拟装置均针对金属材料的不同，使用金属挂片进行腐蚀实验评价，无法针对机械防砂筛管这一整体特殊复杂结构体进行腐蚀测试，也无法实现对筛管内基管、挡砂介质、外保护罩不同组件的腐蚀规律定量测试；

2)现有腐蚀模拟装置只能进行静态腐蚀，即预填充气体组分在模拟装置中，反应釜密闭进行静态腐蚀。模拟过程中气体无供给，气体中的腐蚀组分逐渐降低，不符合实际天然气井中的腐蚀组分的源源不断供给的实际情况，即无法实现实际气藏开采过程中的气体动态流动条件下的动态腐蚀模拟。

3)即使有实验装置能模拟动态流动条件下的防砂筛管的动态腐蚀情况，也只是针对一种的防砂筛管进行模拟实验，无法对不同情况的防砂筛管进行模拟；

4)导致筛管腐蚀失效的主要因素有很多，如温度、腐蚀气体分压、腐蚀气体流速、液体成分、液体流速，还有更重要的砂粒冲击，目前的模拟装置，只能针对其中两种或三种因素进行模拟，无法全面系统的模拟动态流动条件下的防砂筛管的动态腐蚀情况，使实验得到的结果与实际情况得到的结果相差甚远，缺乏说服力。

因此，亟需一种能全面系统的模拟动态流动条件下的防砂筛管的动态腐蚀情况的动态腐蚀模拟装置，实现对特殊复杂结构的机械防砂筛管及其各组件进行动态腐蚀评价，成为高温高压气藏筛管评价与优选的重大技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置。

本发明第二个目的是，提供一种利用气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置进行防砂筛管动态腐蚀模拟的方法；

本发明还提供一种利用气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置对防砂筛管在高温高压气水流动条件下的动态腐蚀规律及抗腐蚀性能评价方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置，所述模拟装置包括筛管腐蚀模拟模块、高压气体泵送模块、排气模块；所述高压气体泵送模块的出口与所述筛管腐蚀模拟模块的气体入口相连接，所述排气模块与筛管腐蚀模拟模块的气体出口相连接；

所述筛管腐蚀模拟模块包括设置有井盖的模拟井筒、防砂筛管、电加热套和温控器，防砂筛管位于模拟井筒内，电加热套设置在模拟井筒的内侧壁上，在模拟井筒内设置有热电偶，热电偶、电加热套与模拟井筒外的温控器电连接，气体入口设置在模拟井筒底部，气体出口设置在模拟井筒的井盖上，筛管腐蚀模拟模块用于模拟高温高压气藏实际生产条件下筛管的所处的环境。

根据本发明优选的，所述高压气体泵送模块包括相连接的气源模块和增压模块，所述增压模块与所述筛管腐蚀模拟模块的气体入口相连接，高压气体泵送模块用于模拟产气井的开采条件。

根据本发明优选的，气源模块包括通过管路依次连接的气瓶和空压机，增压模块包括增压泵和稳压储气罐，气瓶与空压机的进气管连接，空压机的出气管与增压泵的入口连接，增压泵的出口通过连接管与稳压储气罐的进口连接，稳压储气罐的出口通过出气管路与所述筛管腐蚀模拟模块的气体入口相连接，在出气管路上依次设置有调压阀和气体流量计。

进一步优选的，在空压机的进气管管路上设置有调压阀，在模拟井筒顶部设置有压力传感器，高压气体泵送模块向模拟井筒泵送气体的压力为0.1-20mpa。

本发明的高压气体泵送模块起到稳压、调节压力以及向模拟井筒泵送稳定压力的气体，给模拟井筒提供高压条件以及流动的气体，高压气体泵送模块保证了压力的稳定，避免压力忽高忽低，气体由控制阀控制其从气瓶输出，再由空气压缩机及增压泵产出后充入稳压储气罐，通过调节气体调压阀使气体按照设定的压力输出，并通过气体流量计对输出气体流量进行实时监测以保证实验气体各组分分压，通过气体入口稳定注入到模拟井筒内并提供稳定的高压环境。

根据本发明优选的，所述排气模块包括尾气暂存装置，模拟井筒上的气体出口通过排气管与尾气暂存装置连接，在排气管路上设置有背压阀、气体流量计，背压阀靠近气体出口，气体流量计靠近尾气暂存装置。

本发明的排气模块配合高压气体泵送模块能够高度模拟气藏实际生产条件下筛管的腐蚀规律；高压气体泵送模块，用于模拟气藏的高压条件，可以根据实际生产井产出压力及各气体组分分压向模拟井筒内注入气体，压力范围为0.1-20mpa；排气模块将模拟井筒内气体进行定量周期释放，从而实现模拟井筒内气体的动态流动。

热电偶、电加热套、温控仪控制模拟井筒内的温度为30-200℃，实现高温的环境。

根据本发明优选的，井盖位于模拟井筒的上端口并通过法兰与模拟井筒密闭连接，模拟井筒为圆柱形。

根据本发明优选的，模拟井筒的底部设置有进液孔，出液孔与第一恒流恒压泵连接，井盖上还设置有出液孔，进液孔与第二恒流恒压泵连接。

当需要模拟液体流动的情况，本发明的进液孔及出液孔的设置用于提供恒定稳定的液体。

根据本发明优选的，模拟井筒内下部还设置有盛砂装置，盛砂装置安装在卡环上，卡环通过支撑杆固定连接在模拟井筒侧壁上，盛砂装置包括盛砂容器，盛砂容器的底部、顶部以及侧壁上均布有漏砂孔，盛砂容器中设置有不同粒径的砂粒，盛砂装置偏离进液孔和气体入口。

在流体的作用力下，粒径小的砂粒从盛砂容器中穿过漏砂孔流出，混在流体中形成含砂流体，砂粒对筛管侧壁进行撞击、碰撞，全面系统的模拟了动态流动条件下的防砂筛管的动态腐蚀情况，模拟了高压、高温、腐蚀气体分压、腐蚀气体流速、液体流速以及砂粒冲击的要素，能更好的模拟石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层的实际动态流动情况。

根据本发明优选的，防砂筛管为一根圆柱形防砂筛管、多根短节筛管或多段片段式的弧形片。

根据本发明优选的，所述的圆柱形防砂筛管包括基管以及套设在基管外侧的外护管，基管与外护管之间套设有过滤部件，基管的管壁上设置有通孔，圆柱形防砂筛管位于模拟井筒的中心，模拟井筒的底部中心设置有底座，圆柱形防砂筛管的底部卡设在底座上，圆柱形防砂筛管从模拟井筒的底部延伸至上部。

根据本发明优选的，短节筛管包括基管以及套设在基管外侧的外护管和/或过滤部件，每节短节筛管的长度为5-15cm，在模拟井筒侧壁上上下间隔设置有固定座，固定座上连接有指向圆心的活动臂，每个活动臂的端部连接有夹持器，每节短节筛管夹在夹持器上，相邻短节筛管的结构相同或不同。

根据本发明优选的，短节筛管的结构包括以下三种情形：a、基管以及套设在基管外侧的外护管，b、基管以及套设在基管外侧的过滤部件，c、基管以及套设在基管外侧的外护管，基管与外护管之间套设有过滤部件。

根据本发明优选的，片段式的弧形片为半圆形或弧形，片段式的弧形片从内到外依次包括基片，以及基片外侧的外护片和/或过滤部件，片段式的弧形片长度为5-15cm，在模拟井筒侧壁上上下间隔设置有固定座，固定座上连接有指向圆心的活动臂，每个活动臂的端部连接有夹持器，片段式的弧形片夹在夹持器上。相邻片段式的弧形片的结构相同或不同。

根据本发明优选的，片段式的弧形片的结构包括以下三种情形：a、从内到外的基片以及基管外部的外护片，b、从内到外的基片以及基片外部的过滤部件，c、从内到外的基片、过滤部件、外护片；基片、过滤部件、外护片形状相匹配。

本发明的压力传感器设置在模拟井筒顶部，用于实时测量实验过程中模拟井筒内气体的压力，从而指导高压气体泵送模块中气体调压阀以及排气模块中背压阀的合理调节，保证气体压力符合实验设置要求，防砂筛管为多种形式，可以为一根圆柱形防砂筛管，可以为多种结构组合的多根短节筛管或多段片段式的弧形片，使用夹持器对单部件进行固定，使用活动臂调整防砂筛管的位置，保证防砂筛管在实验过程中的位置稳定，可以在同一条件对不同结构的防砂筛管进行动态腐蚀模拟实验，对不同结构的防砂筛管进行腐蚀模拟测试，多根短节筛管或多段片段式的弧形片均为真实筛管加工而成，能够最大程度地模拟筛管的腐蚀过程。

一种利用气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置进行防砂筛管动态腐蚀模拟的方法，步骤如下：

1)、选取防砂筛管用底座或夹持器进行固定；

2)根据实验设置水气比，通过进液孔注入实验流体进入模拟井筒；

3)、开启电加热套对模拟井筒进行加热，使模拟井筒内温度达到30-200℃；

4)开启高压气体泵送模块，并通过压力传感器显示的压力，调节高压气体泵送模块，高压气体泵送模块向模拟井筒输入稳定压力的气体；

5)、待模拟井筒内压力温度稳定达到设置值，并进行记录；

6)、调节高压气体泵送模块中调压阀以及排气模块中背压阀，实现模拟井筒内气体的定量动态流动；

7)、待实验时间达到设置值，排放清空模拟井筒，取出防砂筛管进行观察分析记录。

一种利用气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置对防砂筛管在高温高压气水流动条件下的动态腐蚀规律及抗腐蚀性能评价方法，包括如下：

(1)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的腐蚀速度，腐蚀速度＝防砂筛管厚度变化量/腐蚀实验时间；

(2)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的平均重量变化率，平均重量变化率＝筛管质量变化量/材料表面积*腐蚀实验时间；

(3)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的整体重量变化率；整体重量变化率＝筛管质量变化量/腐蚀实验时间；

(4)模拟腐蚀结束，观测现象后，用酸溶液对防砂筛管进行清洗烘干，计算烘干后模拟动态腐蚀后防砂筛管的挡砂精度变化率；挡砂精度变化率＝筛管当前挡砂精度/筛管标称挡砂精度；

(5)对模拟动态腐蚀后防砂筛管腐蚀形态进行分析。

筛管标称挡砂精度参照国家标准。

在防砂筛管动态腐蚀实验模拟防砂筛管在不同条件下的腐蚀作用，通过观察测试防砂筛管的腐蚀深度，对不同腐蚀参数条件下防砂筛管的腐蚀规律进行定性定量评价。

通过测量实验前后防砂筛管的厚度变化计算防砂筛管在单位时间内的腐蚀速度；因为筛管基管作为轴向载荷，具有一定厚度，故用腐蚀深度进行评价可行，而其他部件如挡砂介质、外保护罩等较薄的部件则应选择其他评价方法。

通过测量实验前后防砂筛管的质量变化计算防砂筛管在单位时间单位面积上的重量变化率；筛管平均重量变化率越大，表明防砂筛管在单位条件下质量变化越大，受腐蚀越严重，此计算方法对于筛管挡砂介质、基管及外保护罩都适用。

通过测量实验前后防砂筛管的质量变化计算防砂筛管在单位时间内的中量变化率；对筛管整体采用腐蚀重量变化评价法，目的是对筛管各个部件组合情况进行整体评价，因此不需要引入表面积参数。

腐蚀实验结束完成现象观测后用酸溶液对防砂筛管进行清洗烘干，通过测量防砂筛管腐蚀前后挡砂精度的变化计算筛管挡砂精度变化率；所述挡砂精度变化率可以对不同挡砂介质的挡砂精度变化进行对比分析，从侧面反映出挡砂介质的抗腐蚀能力，所述挡砂精度变化率越大，表示实验前后挡砂介质挡砂精度变化越小，抗腐蚀能力越好；此方法仅适用于筛管的挡砂介质。

根据本发明优选的，所述筛管腐蚀形态分析分为腐蚀形态定性分析和腐蚀形态定量分析此处设计的优势在于，腐蚀实验结束后，进行酸洗前，先对腐蚀产物进行观察，初步分析比较各个部位腐蚀的严重程度，进行酸洗后，对腐蚀形态的观察可以基本推测出腐蚀类型；发生局部腐蚀时，可借助扫描电镜观测腐蚀形态，通过点蚀形成坑洼的密度以及点坑的大小等，可以对不同条件下筛管挡砂介质腐蚀程度进行比较，通过测量放大倍数下观测到的蚀坑个数和所有蚀坑的总面积，计算点蚀密度和点蚀面积比；不同的防砂筛管，发生点蚀时在相同显微镜放大倍数下均可计算出点蚀密度和点蚀面积比，点蚀密度越大说明腐蚀现象越严重；点蚀面积比越大，腐蚀现象也越严重；此方法对防砂筛管整体、过滤部件、基管和外护管都适用。

本发明的有益效果为：

1、本发明防砂筛管为多种形式，可以为一根圆柱形防砂筛管，可以为多种结构组合的多根短节筛管或多段片段式的弧形片，可以在同一条件对不同结构的防砂筛管进行动态腐蚀模拟实验，对不同结构的防砂筛管进行腐蚀模拟测试，多根短节筛管或多段片段式的弧形片均为真实筛管加工而成，能够最大程度地模拟筛管的腐蚀过程。

2、本发明的高压气体泵送模块起到稳压、调节压力以及向模拟井筒泵送稳定压力的气体，给模拟井筒提供高压条件以及流动的气体，高压气体泵送模块保证了压力的稳定，避免压力忽高忽低，可使模拟井筒内增压至20mpa，并结合排气模块使模拟井筒内气体进行定量的动态流动，模拟真实气藏的开采条件。

3、本发明的电加热套可以加热模拟井筒环境至200℃，模拟气藏开采过程中地层高温的开采条件；

4、本发明通过对腐蚀实验前后筛管厚度、重量变化的测量，以及实验后对腐蚀形态的观测，可以实现防砂筛管腐蚀规律的定性及定量评价。

附图说明

图1为本发明的气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置的结构示意图；

图2为本发明模拟井筒的纵向剖面示意图；

图中，1、模拟井筒；2、防砂筛管；3、电加热套；4、压力传感器；5、活动臂；6、管夹持器；7、温控器；8、底座；9、气瓶；10、调压阀；11、空压机；12、增压泵；13、稳压储气罐；14、调压阀；15、气体流量计；16、气体入口；17、气体出口；18、背压阀；19、气体流量计；20、尾气暂存装置，21、进液孔，22、盛砂装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置，结构如图1图2所示，所述模拟装置包括筛管腐蚀模拟模块、高压气体泵送模块、排气模块；

高压气体泵送模块包括相连接的气源模块和增压模块，所述增压模块与所述筛管腐蚀模拟模块的气体入口相连接，气源模块包括通过管路依次连接的气瓶9和空压机11，增压模块包括增压泵12和稳压储气罐13，气瓶9与空压机11的进气管连接，空压机的出气管与增压泵12的入口连接，增压泵12的出口通过连接管与稳压储气罐13的进口连接，稳压储气罐13的出口通过出气管路与筛管腐蚀模拟模块的气体入口相连接，在出气管路上依次设置有调压阀14和气体流量计15，

排气模块包括尾气暂存装置20，模拟井筒1上的气体出口17通过排气管与尾气暂存装置20连接，在排气管路上设置有背压阀18、气体流量计19，背压阀18靠近气体出口，气体流量计19靠近尾气暂存装置

筛管腐蚀模拟模块包括设置有井盖的模拟井筒1、防砂筛管2、电加热套3和温控器7，防砂筛管2位于模拟井筒内，电加热套设置3在模拟井筒1的内侧壁上，在模拟井筒1内设置有热电偶，热电偶、电加热套3与模拟井筒外的温控器7电连接，气体入口16设置在模拟井筒1底部，气体出口17设置在模拟井筒的井盖上，井盖位于模拟井筒1的上端口并通过法兰与模拟井筒密闭连接，模拟井筒为圆柱形。

模拟井筒1的底部设置有进液孔，出液孔与第一恒流恒压泵连接，井盖上还设置有出液孔，进液孔与第二恒流恒压泵连接。

防砂筛管2为一根圆柱形防砂筛管，圆柱形防砂筛管包括基管以及套设在基管外侧的外护管，基管与外护管之间套设有过滤部件，基管的管壁上设置有通孔，圆柱形防砂筛管位于模拟井筒的中心，模拟井筒的底部中心设置有底座，圆柱形防砂筛管的底部卡设在底座8上，圆柱形防砂筛管从模拟井筒的底部延伸至上部。

实施例2

一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置，同实施例1，不同之处在于：

模拟井筒内下部设置有盛砂装置，盛砂装置安装在卡环上，卡环通过支撑杆固定连接在模拟井筒侧壁上，盛砂装置包括盛砂容器，盛砂容器的底部、顶部以及侧壁上均布有漏砂孔，盛砂容器中设置有不同粒径的砂粒，盛砂装置偏离进液孔和气体入口。在流体的作用力下，粒径小的砂粒从盛砂容器中穿过漏砂孔流出，混在流体中形成含砂流体，砂粒对筛管侧壁进行撞击、碰撞，全面系统的模拟了动态流动条件下的防砂筛管的动态腐蚀情况，模拟了高压、高温、腐蚀气体分压、腐蚀气体流速、液体流速以及砂粒冲击的要素，能更好的模拟石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层的实际动态流动情况。

实施例3

一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置，同实施例1，不同之处在于：

防砂筛管为多根短节筛管，短节筛管的结构包括以下三种情形：a、基管以及套设在基管外侧的外护管，b、基管以及套设在基管外侧的过滤部件，c、基管以及套设在基管外侧的外护管，基管与外护管之间套设有过滤部件，相邻短节筛管的结构不同。

每节短节筛管的长度为5-15cm，在模拟井筒侧壁上上下间隔设置有固定座，固定座上连接有指向圆心的活动臂5，每个活动臂的端部连接有夹持器6，每节短节筛管夹在夹持器上。

实施例4

一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置，同实施例1，不同之处在于：

防砂筛管为多段片段式的弧形片，片段式的弧形片的结构包括以下三种情形：a、从内到外的基片以及基管外部的外护片，b、从内到外的基片以及基片外部的过滤部件，c、从内到外的基片、过滤部件、外护片；基片、过滤部件、外护片形状相匹配；相邻短节筛管的结构不同

片段式的弧形片为半圆形或弧形，片段式的弧形片长度为5-15cm，在模拟井筒侧壁上上下间隔设置有固定座，固定座上连接有指向圆心的活动臂，每个活动臂的端部连接有夹持器，每节片段式的弧形片夹在夹持器上。

实施例5

一种利用实施例1-4任一所述的气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置进行防砂筛管动态腐蚀模拟的方法，步骤如下：

1)、选取防砂筛管用底座或夹持器进行固定；

2)根据实验设置水气比，通过进液孔注入实验流体进入模拟井筒；

3)、开启电加热套对模拟井筒进行加热，使模拟井筒内温度达到30-200℃；

4)开启高压气体泵送模块，并通过压力传感器显示的压力，调节高压气体泵送模块，高压气体泵送模块向模拟井筒输入稳定压力的气体；

5)、待模拟井筒内压力温度稳定达到设置值，并进行记录；

6)、调节高压气体泵送模块中调压阀以及排气模块中背压阀，实现模拟井筒内气体的定量动态流动；

7)、待实验时间达到设置值，排放清空模拟井筒，取出防砂筛管进行观察分析记录。

实施例6

一种利用实施例1-4任一所述的气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置对防砂筛管在高温高压气水流动条件下的动态腐蚀规律及抗腐蚀性能评价方法，包括如下：

(1)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的腐蚀速度，腐蚀速度＝防砂筛管厚度变化量/腐蚀实验时间；

(2)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的平均重量变化率，平均重量变化率＝筛管质量变化量/材料表面积*腐蚀实验时间；

(3)计算模拟动态腐蚀后防砂筛管的整体重量变化率；整体重量变化率＝筛管质量变化量/腐蚀实验时间；

(4)模拟腐蚀结束，观测现象后，用酸溶液对防砂筛管进行清洗烘干，计算烘干后模拟动态腐蚀后防砂筛管的挡砂精度变化率；挡砂精度变化率＝筛管当前挡砂精度/筛管标称挡砂精度；

(5)对模拟动态腐蚀后防砂筛管腐蚀形态进行分析。