贺梦琦
(中国石油辽河油田公司)
国内外油气井管柱失效中60%以上因腐蚀造成[1]。腐蚀试验检测可以掌握完井管材与环境工况腐蚀机制，优化生产参数，减小管柱腐蚀速率，延长管柱使用寿命。国内外腐蚀试验评价标准较多[2-8]，但模拟工况腐蚀试验检测标准较少[9]，特别是针对高温高压条件下多相流体的动态腐蚀室内检测检验还缺少成熟的仪器及标准。
针对高温高压气液两相工况，许多学者开展了不同管材腐蚀试验评价研究。黄洪春等[9]针对“三高”油气田套管腐蚀难题，利用高温高压反应釜模拟了井下条件下套管腐蚀规律。万里平等[10]利用高温高压腐蚀失重试验，评价了气液两相条件下N80管材的腐蚀速率。董猛等[11]研究了4种不同主体类型缓蚀剂在高温高压H2S/CO2环境中N80钢的缓蚀性能。戈磊等[12]针对高含硫油气田开发过程中的材料腐蚀问题，应用高温高压反应釜，对镍基合金防腐材质开展腐蚀试验评价。王建军等[13]针对储气库井下气液两相工况，利用高温高压反应釜开展了生产套管和油管防腐管材优选试验。现有的模拟实际工况的动态腐蚀试验方法主要利用搅拌实现釜内动态腐蚀，腐蚀流体处于密闭环境之中，腐蚀试验仅能在静态环境或拟动态环境中测试，在较长的腐蚀时间(3～14 d)，腐蚀流体一直处于消耗中，变化的腐蚀工况直接影响腐蚀试验测试的准确性。
为解决上述问题，笔者对模拟实际工况动态腐蚀试验方法进行研究，研制出一种高温高压多相流体动态腐蚀试验装置。该装置能够模拟不同温度、压力条件下，持续注入腐蚀性能的流体，在流动条件下的动态腐蚀试验。研究结果可为高温高压多相流体腐蚀工况管材优选提供指导。
研制的高温高压多相流体动态腐蚀速率测试装置，为高温高压条件下，持续注入均匀混合的、具有腐蚀性的多相流体，测试样件的动态腐蚀速率。为保障测试的安全性和准确性，试验系统包含多相流体动态腐蚀测试系统、安全保护系统、流体注入系统、流体排出系统、数据采集与监测系统。其测试装置原理如图1所示。
1—空气储罐；
2—气液搅拌器；
3—压力计；
4—安全阀；
5—电磁搅拌机；
6—伺服电机；
7—反应釜；
8—冷却水箱；
9—冷却水管路；
10—循环泵；
11—排出管路；
12—电感探针；
13—注入管路；
14—预热器；
15—流量调节阀；
16、19—活塞容器；
17—平流泵；
18—腐蚀流体；
20—高压气罐；
21—腐蚀气体储罐；
22—气体增压泵。图1 高温高压多相流体动态腐蚀速率测试装置原理图Fig.1 Working principle of the testing device for dynamic corrosion rates of high-temperature high-pressure multiphase fluids
1.1 多相流体动态腐蚀测试系统
1.1.1 材质优选
高温高压反应釜选用哈氏合金C276，属于镍-钼-铬-铁-钨系镍基合金，被称为万能抗腐蚀合金钢[14-15]。C276力学性能非常突出，具有高强度和高韧性的特点，在高温下许用应力高达350 MPa，在690～1 000 ℃范围内可以长时间应用。设计反应釜的腐蚀工况为：耐压50 MPa，耐温700 ℃，流体介质包括地层水、空气、富氧、烟道气、CO2、H2S等单一或混合流体。
1.1.2 系统设计
为满足腐蚀介质恒温恒压持续注入，保障测试的准确性，多相循环流体腐蚀测试系统设计了气液搅拌装置、预热器、气液混合物注入管路、磁力搅拌机构、高温高压反应釜、电感探针测试仪和气液混合物排出管路。
气液混合物经搅拌装置均匀混合，进一步经过预热装置升温，然后进入高温高压反应釜。釜内磁力搅拌机构对进入的气液混合物进行搅拌，使腐蚀流体与待测样件均匀动态接触，反应后的流体经气液混合物排出管路排出，从而形成气液混合物动态环境。同时，为提高试验测试的准确性，反应釜内挂标准腐蚀挂片4～6片，底部增加电感探针测试仪。待测金属为上部挂片中的一种，电感探针测试仪通过电感探针的电感变化[16]，确定气液混合物腐蚀电感探针中的待检测金属的腐蚀速率。测量的速度较快，能够实时获取各时间段的腐蚀速率[17]，校订腐蚀试验的准确性。
1.1.3 高温高压反应釜结构设计
高温高压反应釜结构如图2所示。高温高压反应釜内挂有腐蚀挂片，并设置有内部测温探头，在反应釜筒体内还插入有电感探针测试仪的电感探针以及磁力搅拌机构的搅拌棒。在反应釜筒体的侧面分别连接有气液混合物注入管路和气液混合物排出管路。在反应釜筒体的侧面还设置有用于为反应釜筒体加热的插入式电热管和用于测量反应釜外侧温度的反应釜测温探头，该电热管外部包裹有保温套。另外，冷却水管路环绕在反应釜筒体侧面。在反应釜筒体的上侧设置有用于盖住反应釜筒体的上盖，在上盖外侧设置有上法兰盖。在反应釜筒体与上盖之间还设置有密封圈，以保障釜内流体的密封性。
1—上封头；
2—卡箍；
3—上法兰盖；
4—密封圈；
5—筒体；
6—插入式电热管；
7—保温层；
8—下堵头；
9—水冷却循环套下板；
10—釜体下支承板；
11—下部支撑杆；
12—保温套下板；
13—电感探针；
14—测温探头；
15—保温套筒体；
16—保温套上盖。图2 高温高压反应釜结构Fig.2 Structure of the high-temperature high-pressure reaction vessel
1.2 安全保护系统
1.2.1 高压保护系统
在预热器和高温高压反应釜的连接管路上设置有反应釜压力计和安全阀。在反应釜压力过大时，可以开启安全阀，以避免反应釜中的压力过大。反应釜上盖外侧还设置有反向膨胀压紧装置，通过反向膨胀压紧装置能够将上盖压紧，避免高温高压反应釜在高温高压环境下泄漏。
1.2.2 高温防烫伤设计
高温高压反应釜外加有保护套体(保温套)，保护套体由上保护套和下保护套组成。保护套体对反应釜进行保温，同时避免试验过程中的高温烫伤。
1.2.3 快速制冷设计
为保障试验安全开展，及时中止高温试验，设置了快速制冷系统。在高温高压反应釜的外侧设置有冷却水管路，冷却水管路通过循环泵与冷却水箱连接，可实现反应釜的快速冷却。
1.3 注入系统
1.3.1 液体注入系统
多相流体动态腐蚀速率测试系统连接2个带杆活塞容器。该带杆活塞容器连接有平流泵，在搅拌装置与带杆活塞容器之间的连接管路上设置流量调节阀。平流泵与腐蚀流体储罐连接，用于从储罐中抽取腐蚀流体。
1.3.2 气体注入系统
多相流体动态腐蚀速率测试系统通过三通连接高压气罐、气体增压泵、空气压缩机、空气储罐、腐蚀气体储罐、驱动阀、进气阀以及出气阀。其中，空气压缩机依次连接空气储罐、驱动阀以及气体增压泵。腐蚀气体储罐通过进气阀与气体增压泵连接。气体增压泵通过出气阀与高压气体储罐连接。在高压气体储罐与搅拌装置之间的连接路径上的气体流量控制器，用于控制注入气体的流速。
1.4 流体排出系统
气液混合物排出管路连接有回压阀，回压阀分别连接回压容器和气液分离器，回压容器还连接有回压泵。气液分离器与废液存储装置连接，回压泵与废气存储装置连接。废液废气存储装置均加有处理药剂，用于吸收有毒有害物质。
1.5 数据采集与控制系统
数据采集与控制系统包括：气体流量采集与控制单元、试验温度压力采集与控制单元、电感探针测试实时腐蚀速率采集单元。气体流量采集与控制单元用于控制注入腐蚀气体的种类和气体比例，经气体增压泵增压后进入高压气体储罐，再由气体流量控制器控制混合气体的注入速度；
反应釜入口处管线上安装有进气阀，并连接压力传感器，气液混合物排出管路连接有回压阀，用于采集背压，控制试验压力；
反应釜内部安装能监测腐蚀流体温度的测温探头，反应釜筒体的侧面还安装有控温探头，用于控制反应釜筒体加热和降温。当系统工作时，其试验压力、温度、流体速度、电感探针实时腐蚀速率通过探头及传感器进行测量并传输至PC端，从而实现实时监测与控制。
2.1 试验方法
参考美国(NACE)SP0 775—2018《油田生产中腐蚀挂片的准备和安装以及试验数据的分析》标准，设计高温高压多相流体动态腐蚀速率测试方法。具体试验步骤如下。
(1)检查试验系统密封性。密封反应釜，关闭回压阀，利用N2对测试装置增压至25 MPa，静置1 h。压力不变，说明密封性良好。
(2)准备试验流体。设置气体比例，将试验气体通过气体增压泵增至一定压力(超过试验压力3～5 MPa)，并储存于高压气罐中；
配制一定矿化度的水溶液，置于腐蚀流体储罐中。
(3)将腐蚀样品悬挂于反应釜顶部，试样之间及试样与反应釜壁保持一定距离，上紧螺栓使反应釜密封。
(4)设定试验温度。设定预热器及反应釜的控温仪，待反应釜内温度达到设定温度之后开始试验。
(5)设定试验流体注入流速。
(6)设定试验压力，在确定的试验温度和注入流速下，调整回压阀，使试验压力达到设计压力要求。
(7)设定试验周期开始试验，计算机收集试验温度、压力、电感探针实时腐蚀速率数据，同时绘制曲线。
(8)试验结束后，停止腐蚀流体注入，并用N2清扫反应釜，待反应釜泄压降温后，取出样品。
(9)测试样品。先用清水冲洗试样表面残留溶液，用丙酮浸泡、烘干，对腐蚀试样拍照，并进行电镜扫描分析；
相关分析完成后，用腐蚀产物膜清洗液清洗腐蚀产物膜，再用清水、丙酮冲洗后干燥腐蚀试样；
之后对腐蚀试样拍摄微距照片，记录表面腐蚀情况；
最后用电子天平称质量并计算出腐蚀速率。
2.2 高温高压动态腐蚀速率测试
选用辽河油田储气库群双x井采出腐蚀气流体组分、地层水矿化度、储层温度和压力为腐蚀工况，开展完井管柱防腐管材优选试验评价。其中：采出气气体组分中腐蚀气体为CO2，最高分压为0.624 MPa；
储层温度为98.4～100.5 ℃；
地层水矿化度为3 000～4 000 mg/L；
评价管材类型包括N80和9Cr这2种不锈钢管材。电感探针腐蚀试验选用N80进行试验对比。试验评价时间为7 d。试验结果如图3所示。
从图3可以看出，随着试验时间延长，腐蚀速率均呈降低趋势。这是因为腐蚀初期形成的腐蚀膜降低了继续反应的腐蚀速率。N80电感探针测试腐蚀速率与腐蚀样件相差不大，由此可用腐蚀探针准确获取腐蚀过程中的腐蚀速率变化，明确不同管材的腐蚀速率变化特征。从9Cr管材动态和静态腐蚀速率对比来看，动态腐蚀速率是静态试验腐蚀速率的1.6～3.2 倍。这是因为动态腐蚀过程中，腐蚀流体的分压不变，混合均匀的气液两相流冲蚀能力强，具有更强的腐蚀能力，所以获得的腐蚀速率更大，更加符合实际工况。
为明确管材腐蚀特征，利用扫描电镜对比了动态和静态管材腐蚀膜清洗前、后形貌，结果如图4所示。图4中同一材质同一腐蚀时间结果中，上部为腐蚀膜清洗前，下部为清洗后。
从图4可以看出：在腐蚀初期(3 d)静态工况下，样件的腐蚀产物膜不明显，酸洗后无明显腐蚀特征；
但动态工况下，腐蚀产物膜有少许细小裂纹，从裂纹处可见产物膜较薄，酸洗后可见轻微的均匀腐蚀。随腐蚀时间延长(7 d)，静态工况下，样件表面有薄而明显的产物膜，酸洗后无明显腐蚀特征，其打磨痕迹清晰；
动态工况下，样件的腐蚀产物膜开裂明显，但表面平整，酸洗后无明显腐蚀特征。当腐蚀时间进一步延长(14 d)，2种工况下，样件表面均有少量晶体颗粒，动态较静态的略多，酸洗后，均无明显腐蚀特征，但动态较静态的表面粗糙度大。
图4 9Cr材质不同工况下腐蚀膜清洗前、后形貌对比Fig.4 Morphological comparison of 9Cr steel corroded under varied working conditions before and after removal of corrosion films
因腐蚀速率计算结果以365 d计算，而试验测试时间远小于计算值(14 d<365 d)，测试结果偏大。因此，基于9Cr动态腐蚀试验测试结果，利用室内试验时间为3、7和14 d的腐蚀速率，拟合并预测试验60 d的腐蚀速率，为0.059 mm/a，可以满足入井管柱服役期间腐蚀速率小于0.076 mm/a的要求。
(1)新型高温高压多相流体动态腐蚀速率测试装置，通过设计的多相流体动态腐蚀测试系统、安全保护系统、流体注入系统、流体排出系统、数据采集与监测系统，实现了测试过程中腐蚀流体的恒温恒压；
同时，利用电感探针测试仪实时测试钢材腐蚀速率，有效提高了腐蚀速率的测试精度。
(2)对比静态和动态2种工况，在不同的试验周期中，动态工况的腐蚀速率是静态工况的1.6～3.2倍。腐蚀样件电镜扫描后，动态工况的表面腐蚀产物更明显，酸洗后其表面粗糙度也更大。
(3)高温高压油气藏生产过程中，多相流体冲刷腐蚀不可避免，防腐管材优选试验过程要符合实际工况，同时适当提高设计安全裕量，保障井筒完井管柱的安全性，减少事故率，提高工程效率。
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