一种冲蚀-二氧化碳腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法

摘要

本发明属于油田设备技术领域，具体提供了一种冲蚀‑二氧化碳腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法，包括步骤：1)建立管柱内组分传热、流动与扩散模型；2)建立管柱壁面二氧化碳腐蚀模型，并确定二氧化碳腐蚀过程中产物层对腐蚀速率的影响；3)建立介质冲刷对管壁基材、腐蚀层的磨损模型。4)将以上三模型进行耦合，确定天然气注采井管柱的腐蚀速率。本发明通过天然气注采井管柱中的冲蚀‑电化学腐蚀耦合作用机理，建立气井管柱腐蚀速率预测模型，能够有效预测天然气注采井管柱的腐蚀速率，为携二氧化碳及液态水的天然气注采井管柱安全性提供技术参考。

说明书

技术领域

本发明属于油田设备技术领域，涉及一种天然气井垂直管柱安全服役评估方法，尤其是一种冲蚀-二氧化碳腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法。

背景技术

随着我国对清洁能源需求的增长，天然气的开采量不断增大。然而在天然气的开采过程中，绝大部分区块含有CO₂、H₂O等腐蚀介质，并进入集输和储存系统中，这不仅影响天然气采集输管材和处理设备的使用寿命、对油气工业造成较大的经济损失，也对环境造成了很大的污染。随着天然气的逐年开发，储层深度亦不断加深，携带的CO₂、H₂O等腐蚀介质含量亦随之变化，加之集输和储存过程中的高温、高压、流速和流态变化的相互作用，管材在流场作用下的腐蚀问题也愈加突出。因此，研究流场作用下的管内腐蚀预测问题，对于实验指导在役天然气注采井管柱系统的检测工作量，保障管管柱统的安全运行，具有重大的现实意义。

天然气注采井管柱的内壁腐蚀不仅预测、检测困难，而且会严重影响输送效率、设备安全和管柱的可靠性。管柱的内腐蚀不仅会造成管柱的维护与更换周期变短，而且腐蚀产物层会影响管柱的传热效率降低输送介质的流速，使管柱介质的输送动力能源消耗增大。多相流的复杂流动会加速材料在应力和腐蚀环境协同作用下发生的开裂及断裂失效现象。天然气注采井管柱中的多相流输送特点是气相为连续相，液相为非连续相，兼有冲 刷腐蚀及二氧化碳腐蚀的特点。本发明是首次将天然气的冲刷腐蚀及二氧化碳腐蚀结合起来，结合天然气输送过程中的流场数据，建立注采井管柱的腐蚀速率预测模型。

鉴于用物理模拟试验，很难模拟深层地层下的天然气井垂直管柱中高温高压的复杂流场以及腐蚀过程，因此，用计算机数值模拟技术为主要手段是今后天然气井垂直管柱腐蚀机理与腐蚀速率预测研究发展方向。

现有的冲蚀模型中大多集中在气固/液固两相流冲蚀研究中，以数学的方式描述金属材料的冲蚀率随靶材属性、颗粒属性、环境因素的变化规律，从颗粒冲击靶材的碰撞过程入手，通过求解颗粒运动方程和碰撞的能量方程，建立了基于微切削和变形磨损的塑性材料冲蚀模型，对于电化学腐蚀过程的讨论很少，不适用于不含砂的携液酸性天然气井管柱环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冲蚀-电化学腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法，通过天然气注采井管柱中的冲蚀-电化学腐蚀耦合作用机理，建立气井管柱腐蚀速率预测模型，能够有效预测天然气注采井管柱的腐蚀速率。

本发明的技术方案是：一种冲蚀-二氧化碳腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：根据流体力学理论与天然气注采涉及的运动状态，建立各组分传热、流动与扩散数学模型，计算管壁处压力、温度、速度梯度、各组分浓度分布以及剪切力；

步骤二：根据二氧化碳腐蚀理论，在对气井管柱腐蚀数据的详细分析的基础上，建立二氧化碳腐蚀模型，确定二氧化碳腐蚀过程中腐蚀产物层对于该环境下电化学腐蚀速率的影响，引入腐蚀层厚度对腐蚀速率的影响 因子；

步骤三：根据冲刷磨损理论，对天然气井注采数据的详细分析基础上，建立注采过程的冲蚀模型，以流体能量损失数据为基础，采用能量磨损理论建立冲蚀模型，并确定冲刷过程对腐蚀产物层及管壁基体冲刷磨损速率系数；

步骤四：将以上步骤一至步骤三所述各模型进行耦合计算，计算出管内的温度、压力、入口流速对腐蚀速率的影响，确定天然气气井管柱的安全服役参数。

上述步骤一中所描述流动、传热模型采用流体力学N-S方程计算；液滴在气流中的运动引入Wu曳力公式及牛顿第二定律计算；物质在气流中的扩散采用对流扩散模型计算；通过上述模型的共同计算，可以得到管壁处压力、温度、速度梯度、各组分浓度分布以及剪切力。

上述步骤二中所描述的二氧化碳腐蚀模型如下：

式中：a,b,d腐蚀速率的修正参数，T是温度，是CO₂分压，pH是介质值，C_cof是腐蚀速率修正系数；V_c是二氧化碳腐蚀速率；然后引入腐蚀产物层对腐蚀速率的影响因子来对腐蚀速率进行修正：V_c'＝[β^hd(1+c)+α]V_c，式中：α，β是产物层对腐蚀速率的修正因子，hd是腐蚀产物层厚度，c是腐蚀速率修正系数，V_c'是修正后的腐蚀速率。

上述二氧化碳腐蚀模型其中的a,b,d是根据实际腐蚀速率代入模型确定的参数；α，β是通过建立实际腐蚀速率以及腐蚀产物层厚度关系得到。

上述步骤三中所述的根据冲刷磨损理论所建立的冲蚀模型如下：

其中H_f是磨损速率；α是磨损速率系数；F_w是剪切力，μ是介质流体动力粘度。

上述冲蚀模型其中的α是根据实际冲蚀速率代入模型确定的参数。

上述步骤四中所述耦合计算方法为：通过流动、传热以及传质模型计算出管壁处压力、温度、速度梯度各组分浓度分布以及剪切力；将上述参数导入二氧化碳腐蚀模型，计算出腐蚀速率以及腐蚀产物的生成速率；通过冲蚀模型计算出在流体的作用下腐蚀产物以及管壁的冲蚀速率；将冲蚀模型计算结果再重新导入二氧化碳腐蚀模型的腐蚀产物层修正项，算得最终的腐蚀速率。

通过导入不同的环境参数，算得对应的管柱腐蚀速率，选择安全的腐蚀速率，确定步骤四中所述天然气井管柱的安全服役参数。

上述步骤一中所述的传热、流动与扩散数学模型的求解采用fluent软件计算；而二氧化碳腐蚀、冲刷磨损模型采用fluent软件的UDF用户自定义函数进行耦合计算。

使用Fluent软件，将天然气井管柱模型导入后将电化学腐蚀-冲刷腐蚀耦合机理模型写入UDF，将实际环境中的压力、组分浓度、温度以及流速参数输入软件进行双精度计算即可得到计算结果。

本发明的有益效果：本发明的模型及方法集中讨论了天然气注采井垂直管柱中，以气相为连续相，液相为离散相的天然气传输过程中冲蚀-电化学腐蚀对管壁的耦合作用。此过程介质中的含液体积分数低于1％，流速低于25m/s。并使用计算机数值模拟技术进行计算，计算结果与实际腐蚀结果较吻合，能够为携二氧化碳及液态水的天然气井管柱安全性提供技术参考。

以下将对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1：一种冲蚀-二氧化碳腐蚀耦合作用下的天然气注采井管柱腐蚀速率的确定方法，首先基于流体力学理论与天然气注采涉及的运动状态，采用理论分析方法建立流场数学模型；然后根据二氧化碳腐蚀理论，对天然气井腐蚀数据的详细分析的基础上，建立二氧化碳腐蚀模型；之后根据二氧化碳腐蚀理论，对天然气井腐蚀数据的详细分析的基础上，建立二氧化碳腐蚀模型；最后将上述模型写入用户自定义函数导入商业软件进行仿真计算。本发明方法包括如下步骤：

步骤一：根据流体力学理论与天然气注采涉及的运动状态，采用理论分析方法建立流场数学模型，流场数学模型包括传热、流动、传质模型。采用建模软件建立模拟区域的管柱模型，根据流场计算每个单元的节点坐标数据和流场计算的块中心网格数据的集合对应关系，将建立的管柱网格模型转化为流场计算所需的有限元数值模型，计算管壁处压力、温度、速度梯度、各组分浓度分布以及剪切力等参数。其中流动、传热模型采用流体力学N-S方程计算；液滴在气流中的运动引入Wu曳力公式及牛顿第二定律计算；物质在气流中的扩散采用对流扩散模型计算；通过上述模型的共同计算，可以得到管壁处压力、温度、速度梯度、各组分浓度分布以及剪切力。本步骤中的传热、流动与扩散数学模型的求解采用fluent软件计算；而二氧化碳腐蚀、冲刷磨损模型采用fluent软件的UDF用户自定义函数进行耦合计算。使用Fluent软件，将天然气井管柱模型导入后将电化学腐蚀-冲刷腐蚀耦合机理模型写入UDF，将实际环境中的压力、组分浓度、温度以及流速参数输入软件进行双精度计算即可得到计算结果。

步骤二：根据二氧化碳腐蚀理论，在对天然气井管柱腐蚀数据的详细分析的基础上，建立二氧化碳腐蚀模型，确定二氧化碳腐蚀过程中腐蚀产物层对于该环境下电化学腐蚀速率的影响，引入腐蚀层厚度对腐蚀速率的影响因子。

其中二氧化碳腐蚀模型如下：

式中：a,b,d腐蚀速率的修正参数，T是温度，是CO₂分压，pH是介质值，C_cof是腐蚀速率修正系数；V_c是二氧化碳腐蚀速率；然后引入腐蚀产物层对腐蚀速率的影响因子来对腐蚀速率进行修正：V_c'＝[β^hd(1+c)+α]V_c，式中：α，β是产物层对腐蚀速率的修正因子，hd是腐蚀产物层厚度，c是腐蚀速率修正系数，V_c'是修正后的腐蚀速率。二氧化碳腐蚀模型中的a,b,d是根据实际腐蚀速率代入模型确定的参数；α，β是通过建立实际腐蚀速率以及腐蚀产物层厚度关系得到。

步骤三：根据冲刷腐蚀理论，对天然气井注采数据的详细分析基础上，建立注采过程的冲蚀模型，以流体能量损失数据为基础，采用能量磨损理论建立冲蚀模型，并确定冲刷过程对腐蚀产物层及管壁基体冲刷磨损速率系数；根据冲刷磨损理论所建立的冲蚀模型如下：

其中H_f是磨损速率；α是磨损速率系数；F_w是剪切力，μ是介质流体动力粘度。其中冲蚀模型其中的α是根据实际冲蚀速率代入模型确定的参数。

步骤四：将以上步骤一至步骤三所述各模型进行耦合计算，计算出管 内的温度、压力、入口流速对腐蚀速率的影响，确定天然气气井管柱的安全服役参数。具体为：将步骤一建立的管柱模型导入fluent，在fluent软件中设置好流场边界和初始条件，根据步骤一中的流场模型、边界类型及初始条件在fluent中选择对应的流场模拟计算模型；并结合注采井的实际情况，输入井的注采数据，在fluent中设置好模型的边界及初始条件，计算模拟区域的温度、压力、流速变化；将步骤二与步骤三中的二氧化碳腐蚀模型与冲刷磨损模型进行耦合，写入UDF。将步骤一中的流场模型导入fluent进行计算，可以得到管柱内流场中的温度、压力、流速、二氧化碳分压、携液量等瞬时状态数据，将UDF导入进行计算。最终计算出管内的温度、压力、入口流速对腐蚀速率的影响。本步骤中所述耦合计算方法为：通过流动、传热以及传质模型计算出管壁处压力、温度、速度梯度各组分浓度分布以及剪切力；将上述参数导入二氧化碳腐蚀模型，计算出腐蚀速率以及腐蚀产物的生成速率；通过冲蚀模型计算出在流体的作用下腐蚀产物以及管壁的冲蚀速率；将冲蚀模型计算结果再重新导入二氧化碳腐蚀模型的腐蚀产物层修正项，算得最终的腐蚀速率。通过导入不同的环境参数，算得对应的管柱腐蚀速率，选择安全的腐蚀速率，确定本步骤中所述天然气井管柱的安全服役参数。

本发明的具体计算步骤如下：

根据流体力学理论与天然气注采涉及的运动状态，采用理论分析方法建立流场数学模型，流场数学模型包括传热、流动、传质模型，组分扩散模型，和流场边界条件。

(1)建立质量守恒方程(连续性方程)：

式中，ρ是流体密度，V是流体速度。

(2)建立动量守恒方程：

X方向：

y方向：

z方向：

式中，μ、υ、w是速度分量，p是流体各向同性压强，τ是与流体粘性有关的剪切力，f是体积力。

(3)建立能量守恒方程：

式中，e是热力学能，q是对系统传输的热流，k是热传导系数。

(4)建立组分传输扩散模型：

通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Y_i。其守恒方程如下：

其中，ρ是密度，v是扩散流动速度，J_i是混合物中第i种物质的扩散通量，R_i是化学反应的净产生速率，S_i为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。i＝1，2，3分别代表CH₄、CO₂、H₂O三种物质，需要求解两个这种形式的方程。

针对管内湍流流动，以如下形式计算质量扩散：

其中，D_i,m是扩散系数，Sc_t是湍流施密特数，μ_t是湍流粘性力。

根据二氧化碳腐蚀理论，对天然气井腐蚀数据的详细分析的基础上，建立二氧化碳腐蚀模型；结合冲刷腐蚀模型，建立天然气注采井注采过程的冲蚀-电化学腐蚀耦合数学模型。二氧化碳腐蚀模型表达式为：

式中：a,b,d都是根据实际腐蚀速率确定的参数，T是温度，是CO₂分压，pH是介质值，C_cof是腐蚀速率修正系数。V_c是二氧化碳腐蚀速率。之后引入腐蚀产物层对腐蚀速率的影响因子来对腐蚀速率进行修正：V_c'＝[β^hd(1+c)+α]V_c，式中：α，β是产物层对腐蚀速率的修正因子，hd是腐蚀产物层厚度，c是腐蚀速率修正系数，V_c'是修正后的腐蚀速率。

(5)根据冲刷腐蚀理论，对天然气井注采数据的详细分析基础上，建立注采过程的冲蚀模型，以流体能量损失数据为基础，采用能量磨损理论建立冲蚀模型。该模型表达式为：

其中H_f是磨损速率；α是磨损速率系数，由实际实验数据推出；F_w是剪切力，μ是介质流体动力粘度。

(6)采用建模软件Gambit建立模拟区域的管柱模型，根据流场计算每个单元的节点坐标数据和流场计算的块中心网格数据的集合对应关系，将Gambit建立的管柱网格模型转化为流场计算所需的有限元数值模型；

将上述模型写入UDF，并将(6)中的建立的管柱模型导入fluent，在fluent软件中设置好流场边界和初始条件，根据步骤一中的流场模型、边界类型及初始条件在fluent中选择对应的流场模拟计算模型；并结合注采井的实际情况，输入井的注采数据，在fluent中设置好模型的边界及初始条件，计算模拟区域的温度、压力、流速变化；将UDF导入fluent，计算出注采井管壁腐蚀速率。

本发明提供的模型及方法集中讨论了天然气注采井垂直管柱中，以气相为连续相，液相为离散相的天然气传输过程中冲蚀-电化学腐蚀对管壁的耦合作用。此过程介质中的含液体积分数低于1％，流速低于25m/s。并使用计算机数值模拟技术进行计算，计算结果与实际腐蚀结果较吻合，能够为携二氧化碳及液态水的天然气井管柱安全性提供技术参考。

本实施方式中没有详细叙述的部分或计算方法属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。