一种高温高压渗流腐蚀模拟实验装置及方法

本发明属于油气井固井领域，具体涉及一种高温高压渗流腐蚀模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、固井是石油开采技术中的重要环节，水泥石腐蚀问题是油气井固井工程领域面临的重大挑战和难题。随着人们对固井水泥环完整性在井筒完整中作用认识的提高以及我国高含腐蚀介质气田的深入开发，固井水泥石在高温高压高含腐蚀介质条件下的腐蚀研究已成为热点。

2、一般来说，当一口井建立完成后，留在井内的只有套管和套管外的固井水泥石。固井水泥石不仅有支撑和保护套管的作用，还是防止地层流体窜流的重要井筒封隔屏障单元。井下水泥石部分夹在套管和地层岩石之间，部分夹在套管和套管之间。从下到上，地层岩石和套管之间的水泥石，套管与套管之间的水泥石面临的腐蚀工况是不一样的。地层围岩和套管间水泥石的腐蚀介质是从地层中直接渗透过来的腐蚀介质流体，夹在套管和套管之间的水泥石由于套管不渗透，通过下面的腐蚀介质慢慢往上推进才能接触到水泥石。固井后进行射孔把地层和井筒结合起来，石油和天然气通过炮眼进入井筒，炮眼附近的腐蚀可能更接近动态腐蚀，远离炮眼的地方是否有渗流速度，如果有渗流速度可能逐渐降低，超过一定范围以外渗流速度可能很慢，水泥石腐蚀更接近静态腐蚀。

3、依据腐蚀介质与水泥石的相对运动状态，分为静态腐蚀（水泥石直接放入高温高压釜体，并向釜体中通入腐蚀介质）和动态腐蚀（将水泥石固定在釜体内，通入腐蚀介质，使水泥石与腐蚀介质之间产生相对运动，模拟高温高压下水泥石动态腐蚀过程）。地层腐蚀介质对油井水泥的腐蚀不可避免，由于井下的实际腐蚀条件（温度、压力、腐蚀方法等）和实验室水泥石腐蚀条件有差异，使得实验室模拟的水泥石腐蚀过程与井下实际情况差异较大。

4、现有腐蚀介质对固井水泥腐蚀的室内模拟装置主要分为以下两类：

5、（1）静态腐蚀模拟实验装置

6、此类装置能够模拟在静态环境下腐蚀介质对水泥石的腐蚀（“一种高温高压水泥石腐蚀测试仪”cn102841048a），将水泥试件直接置于腐蚀釜或者置于含有地层水的腐蚀釜中，加温加压进行腐蚀模拟实验。该类装置大多采取密闭结构，生成的腐蚀产物不仅不会流失而且在水泥石表面沉淀、结晶，从而在水泥石表面形成保护层，极大影响后续腐蚀反应的进行。随着腐蚀时间的延长，由于腐蚀介质浓度的影响，腐蚀速率越来越慢，与实际井下地层有充足的腐蚀介质相比，实验室测得的腐蚀介质对水泥石的腐蚀速率要低得多。

7、（2）动态腐蚀模拟实验装置

8、此类装置能够实现酸性腐蚀介质的流动（“高温高压腐蚀介质迁移动态腐蚀装置”cn109520878a），通过低速搅拌和定期更换腐蚀介质，实现了腐蚀介质在水泥石表面的流动和更替，与静态腐蚀模拟实验装置相比更加符合井下实际特征。然而，该类装置仍存在不足，动态腐蚀只是让腐蚀介质在水泥石表面流动，但地下到底是高渗地层还是低渗地层，两者的腐蚀速率可能有一定的差异，腐蚀介质在地下渗流速度过低或过高都会影响腐蚀速率。上述两种方法都难以模拟腐蚀介质穿过地层围岩和套管之间的水泥石，逐渐渗透至套管与套管之间的水泥石，并对其进行腐蚀的过程。目前，亟需研制一种能够更贴近井下实际情况的水泥石腐蚀室内模拟装置及方法，为更真实地评价固井水泥石的腐蚀规律和抗腐蚀能力提供新的技术手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高温高压渗流腐蚀模拟实验装置，该装置原理可靠，操作简便，能够更加真实有效地模拟腐蚀介质在不同温度、压力下通过围岩、水泥石向上窜流的渗流腐蚀情况。

2、本发明的另一个目的还在于提供利用上述装置进行高温高压渗流腐蚀模拟实验的方法，通过模拟在高温高压情况下腐蚀介质从地层围岩到水泥石、从井底往井口渗流的过程，更加准确地评价水泥石的抗腐蚀能力。

3、为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

4、一种高温高压渗流腐蚀模拟实验装置，主要包括酸性气体气瓶、腐蚀介质储存罐、流量泵和腐蚀釜。

5、所述腐蚀釜包括左端盖、右端盖和釜体，左、右端盖与釜体之间通过螺栓连接。

6、所述左端盖设有进液口和出液口，进液口装有配套的单向阀，出液口设置压力表和背压阀，进液口通过管线和流量泵连接，流量泵连接腐蚀介质储存罐、酸性气体气瓶，左端盖中间的空腔，容纳从流量泵输送过来的腐蚀流体。

7、所述右端盖设有背压阀，用于调节腐蚀流体和水泥石试样之间的渗流腐蚀压差，同时，若腐蚀介质慢慢渗流穿透了所有水泥石试样，则通过背压阀放出渗流过来的腐蚀介质。

8、所述釜体从内到外依次是釜体内部、橡胶套、钢筒和加热保温套，所述釜体设有围压接口，通过管线与压力表、围压泵相连，保证橡胶套与釜体内部的围岩和水泥石试样的侧面之间无空隙，确保腐蚀介质沿着围岩和水泥水试样从左往右渗流。

9、所述釜体内部从左往右依次装入围岩和水泥石试样，相当于渗透率测试仪，刚开始2-3cm可以模拟腐蚀地层流体渗流穿过围岩和水泥石接触的情况，后期模拟腐蚀流体从井底往上窜流的情况。在一定的腐蚀时间后，取出水泥石试样，观察腐蚀介质最终渗流腐蚀水泥石的位置，是否腐蚀穿透了水泥石，以及被腐蚀水泥石的性能变化情况；根据腐蚀介质渗流通过围岩和水泥石不同位置的腐蚀情况来模拟实际地层围岩和水泥石之间的渗流、水泥石和水泥石之间从井底往井口窜流的情况。

10、进一步地，所述釜体内从左往右1块围岩和3块以上水泥石试样依次接触排列，围岩和水泥石试样表面规则、尺寸相同，水泥石试样为在相同养护条件下得到的若干个大小相同的样品，根据具体实验情况确定个数。

11、进一步地，所述橡胶套对釜体内部加压，把地层围岩、水泥石试样密封起来，保证腐蚀介质沿着围岩和水泥石从左往右渗流而不是在围岩和水泥石四周流动。

12、进一步地，所属釜体外侧包裹加热保温套，加热保温套与温控器相连。

13、进一步地，如果地下腐蚀介质含有酸性气体，将酸性气体气瓶提供的酸性气体注入腐蚀介质储存罐中。若无酸性气体，关闭酸性气体瓶处的单向阀，直接把腐蚀流体储存在腐蚀介质储存罐中，通过流量泵把腐蚀流体注入腐蚀釜，使腐蚀介质定期或连续流动。

14、利用上述装置进行高温高压渗流腐蚀模拟实验的方法，依次包括以下步骤：

15、（1）准备一块地层围岩，按照api规范制作好水泥浆倒入模具中养护制作至少三个尺寸相同的水泥石小圆饼或小圆柱样品（根据具体实验需求准备水泥石试样的个数，多个样品可以方便实验结束后测定不同腐蚀位置处渗透率），地层围岩与水泥石试样高度相当且表面平行光滑；将地层围岩和水泥石试样依次从左向右放置于釜体内部，使地层围岩和水泥石试样紧密排列，组成模拟试样；

16、（2）将准备好的腐蚀溶液注入腐蚀介质储存罐中；

17、（3）打开围压泵，通过围压接口对模拟试样施加围压，保证围压大于进口压力；

18、（4）通过流量泵向腐蚀釜的空腔中注入腐蚀介质，通过右端盖的背压阀调节腐蚀流体对水泥石试样的渗流压差以及腐蚀流体循环更替的压差，温控器对腐蚀釜进行加热，达到实验所需的温度及压力；

19、（5）利用流量泵向腐蚀釜内定期或连续注入腐蚀介质，保证腐蚀介质不间断渗流通过围岩和水泥石试样；

20、（6）待达到实验设计所需时间后，停止注入腐蚀介质，关闭温控器，待釜体温度降低至室温或设定温度后，对釜体空腔内的腐蚀流体泄压，之后，降低围压逐渐到零，打开釜体依次取出围岩和水泥石试样，进行后续测试；

21、（7）测定距离地层围岩不同位置处水泥石试样腐蚀的各种参数（腐蚀深度、抗压强度、渗透率等），通过模拟地层围岩到水泥石试样的渗流情况、水泥石试样和水泥石试样之间腐蚀介质的窜流情况，得到实际地层中腐蚀介质渗流通过围岩到水泥石在地下的渗流速度以及腐蚀介质渗流通过水泥石从井底往上窜流的速度等关键数据。

22、本发明通过流量泵将持续或定期向釜体中注入腐蚀介质，最终使腐蚀介质不间断地渗流通过围岩和水泥石试样接触，更加贴近地下腐蚀介质从围岩到水泥石，并沿水泥石向井口窜流的过程。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、（1）本发明通过模拟腐蚀介质从围岩到水泥石试样的渗流，能够更加真实模拟井底固井水泥石所受到的实际腐蚀情况，以及腐蚀介质从地下通过围岩、水泥石往井口窜流过程中渗流腐蚀速度的变化情况；

25、（2）本发明提供的装置及方法，为进一步深入研究水泥石渗流腐蚀后不同位置处的渗流腐蚀情况和提高水泥环长期封固稳定性，提供了有利的技术手段。