一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐蝕速率的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于油田設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體提供了一種沖蝕?二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐蝕速率的確定方法，包括步驟：1)建立管柱內(nèi)組分傳熱、流動(dòng)與擴(kuò)散模型；2)建立管柱壁面二氧化碳腐蝕模型，并確定二氧化碳腐蝕過(guò)程中產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的影響；3)建立介質(zhì)沖刷對(duì)管壁基材、腐蝕層的磨損模型。4)將以上三模型進(jìn)行耦合，確定天然氣注采井管柱的腐蝕速率。本發(fā)明通過(guò)天然氣注采井管柱中的沖蝕?電化學(xué)腐蝕耦合作用機(jī)理，建立氣井管柱腐蝕速率預(yù)測(cè)模型，能夠有效預(yù)測(cè)天然氣注采井管柱的腐蝕速率，為攜二氧化碳及液態(tài)水的天然氣注采井管柱安全性提供技術(shù)參考。
【專利說(shuō)明】
-種沖蝕-二氧化碳腐蝕輔合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于油田設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種天然氣井垂直管柱安全服役評(píng)估方法， 尤其是一種沖蝕-二氧化碳腐蝕禪合作用下的天然氣注采井管柱腐蝕速率的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)對(duì)清潔能源需求的增長(zhǎng)，天然氣的開(kāi)采量不斷增大。然而在天然氣的開(kāi) 采過(guò)程中，絕大部分區(qū)塊含有C〇2、也0等腐蝕介質(zhì)，并進(jìn)入集輸和儲(chǔ)存系統(tǒng)中，運(yùn)不僅影響天 然氣采集輸管材和處理設(shè)備的使用壽命、對(duì)油氣工業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)環(huán)境造成 了很大的污染。隨著天然氣的逐年開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)層深度亦不斷加深，攜帶的C〇2、也0等腐蝕介質(zhì)含 量亦隨之變化，加之集輸和儲(chǔ)存過(guò)程中的高溫、高壓、流速和流態(tài)變化的相互作用，管材在 流場(chǎng)作用下的腐蝕問(wèn)題也愈加突出。因此，研究流場(chǎng)作用下的管內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)問(wèn)題，對(duì)于實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)在役天然氣注采井管柱系統(tǒng)的檢測(cè)工作量，保障管管柱統(tǒng)的安全運(yùn)行，具有重大的現(xiàn) 實(shí)意義。
[0003] 天然氣注采井管柱的內(nèi)壁腐蝕不僅預(yù)測(cè)、檢測(cè)困難，而且會(huì)嚴(yán)重影響輸送效率、設(shè) 備安全和管柱的可靠性。管柱的內(nèi)腐蝕不僅會(huì)造成管柱的維護(hù)與更換周期變短，而且腐蝕 產(chǎn)物層會(huì)影響管柱的傳熱效率降低輸送介質(zhì)的流速，使管柱介質(zhì)的輸送動(dòng)力能源消耗增 大。多相流的復(fù)雜流動(dòng)會(huì)加速材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境協(xié)同作用下發(fā)生的開(kāi)裂及斷裂失效現(xiàn) 象。天然氣注采井管柱中的多相流輸送特點(diǎn)是氣相為連續(xù)相，液相為非連續(xù)相，兼有沖刷 腐蝕及二氧化碳腐蝕的特點(diǎn)。本發(fā)明是首次將天然氣的沖刷腐蝕及二氧化碳腐蝕結(jié)合起 來(lái)，結(jié)合天然氣輸送過(guò)程中的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立注采井管柱的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型。
[0004] 鑒于用物理模擬試驗(yàn)，很難模擬深層地層下的天然氣井垂直管柱中高溫高壓的復(fù) 雜流場(chǎng)W及腐蝕過(guò)程，因此，用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)為主要手段是今后天然氣井垂直管柱 腐蝕機(jī)理與腐蝕速率預(yù)測(cè)研究發(fā)展方向。
[0005] 現(xiàn)有的沖蝕模型中大多集中在氣固/液固兩相流沖蝕研究中，W數(shù)學(xué)的方式描述 金屬材料的沖蝕率隨祀材屬性、顆粒屬性、環(huán)境因素的變化規(guī)律，從顆粒沖擊祀材的碰撞過(guò) 程入手，通過(guò)求解顆粒運(yùn)動(dòng)方程和碰撞的能量方程，建立了基于微切削和變形磨損的塑性 材料沖蝕模型，對(duì)于電化學(xué)腐蝕過(guò)程的討論很少，不適用于不含砂的攜液酸性天然氣井管 柱環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種沖蝕-電化學(xué)腐蝕禪合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，通過(guò)天然氣注采井管柱中的沖蝕-電化學(xué)腐蝕禪合作用機(jī)理，建立氣井 管柱腐蝕速率預(yù)測(cè)模型，能夠有效預(yù)測(cè)天然氣注采井管柱的腐蝕速率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種沖蝕-二氧化碳腐蝕禪合作用下的天然氣注采井管柱 腐蝕速率的確定方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟一:根據(jù)流體力學(xué)理論與天然氣注采設(shè)及的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立各組分傳熱、流動(dòng) 與擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，計(jì)算管壁處壓力、溫度、速度梯度、各組分濃度分布W及剪切力；
[0009] 步驟二:根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，在對(duì)氣井管柱腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建 立二氧化碳腐蝕模型，確定二氧化碳腐蝕過(guò)程中腐蝕產(chǎn)物層對(duì)于該環(huán)境下電化學(xué)腐蝕速率 的影響，引入腐蝕層厚度對(duì)腐蝕速率的影響因子；
[0010] 步驟根據(jù)沖刷磨損理論，對(duì)天然氣井注采數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，建立注采過(guò) 程的沖蝕模型，W流體能量損失數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用能量磨損理論建立沖蝕模型，并確定沖刷 過(guò)程對(duì)腐蝕產(chǎn)物層及管壁基體沖刷磨損速率系數(shù)；
[0011] 步驟四：將W上步驟一至步驟=所述各模型進(jìn)行禪合計(jì)算，計(jì)算出管內(nèi)的溫度、壓 力、入口流速對(duì)腐蝕速率的影響，確定天然氣氣井管柱的安全服役參數(shù)。
[0012] 上述步驟一中所描述流動(dòng)、傳熱模型采用流體力學(xué)N-S方程計(jì)算;液滴在氣流中的 運(yùn)動(dòng)引入Wu曳力公式及牛頓第二定律計(jì)算;物質(zhì)在氣流中的擴(kuò)散采用對(duì)流擴(kuò)散模型計(jì)算； 通過(guò)上述模型的共同計(jì)算，可W得到管壁處壓力、溫度、速度梯度、各組分濃度分布W及剪 切力。
[0013] 上述步驟二中所描述的二氧化碳腐蝕模型如下：
[0014]
[001引式中：a，b，d腐蝕速率的修正參數(shù)，T是溫度，與0:是C02分壓，抑是介質(zhì)值，Ccof是腐 蝕速率修正系數(shù);V。是二氧化碳腐蝕速率;然后引入腐蝕產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的影響因子來(lái) 對(duì)腐蝕速率進(jìn)行修正:Vc ' = [^d (1+C) +a ] Vc，式中：a，0是產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的修正因子，hd 是腐蝕產(chǎn)物層厚度，C是腐蝕速率修正系數(shù)，V。'是修正后的腐蝕速率。
[0016] 上述二氧化碳腐蝕模型其中的a，b，d是根據(jù)實(shí)際腐蝕速率代入模型確定的參數(shù)； a, 0是通過(guò)建立實(shí)際腐蝕速率W及腐蝕產(chǎn)物層厚度關(guān)系得到。
[0017] 上述步驟=中所述的根據(jù)沖刷磨損理論所建立的沖蝕模型如下：
[001 引
[0019]其中曲是磨損速率;a是磨損速率系數(shù);Fw是剪切力，y是介質(zhì)流體動(dòng)力粘度。
[0020] 上述沖蝕模型其中的a是根據(jù)實(shí)際沖蝕速率代入模型確定的參數(shù)。
[0021] 上述步驟四中所述禪合計(jì)算方法為:通過(guò)流動(dòng)、傳熱W及傳質(zhì)模型計(jì)算出管壁處 壓力、溫度、速度梯度各組分濃度分布W及剪切力；將上述參數(shù)導(dǎo)入二氧化碳腐蝕模型，計(jì) 算出腐蝕速率W及腐蝕產(chǎn)物的生成速率;通過(guò)沖蝕模型計(jì)算出在流體的作用下腐蝕產(chǎn)物W 及管壁的沖蝕速率;將沖蝕模型計(jì)算結(jié)果再重新導(dǎo)入二氧化碳腐蝕模型的腐蝕產(chǎn)物層修正 項(xiàng)，算得最終的腐蝕速率。
[0022] 通過(guò)導(dǎo)入不同的環(huán)境參數(shù)，算得對(duì)應(yīng)的管柱腐蝕速率，選擇安全的腐蝕速率，確定 步驟四中所述天然氣井管柱的安全服役參數(shù)。
[0023] 上述步驟一中所述的傳熱、流動(dòng)與擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的求解采用fluent軟件計(jì)算；而 二氧化碳腐蝕、沖刷磨損模型采用fluent軟件的UDF用戶自定義函數(shù)進(jìn)行禪合計(jì)算。
[0024] 使用Fluent軟件，將天然氣井管柱模型導(dǎo)入后將電化學(xué)腐蝕-沖刷腐蝕禪合機(jī)理 模型寫(xiě)入U(xiǎn)DF，將實(shí)際環(huán)境中的壓力、組分濃度、溫度W及流速參數(shù)輸入軟件進(jìn)行雙精度計(jì) 算即可得到計(jì)算結(jié)果。
[0025] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的模型及方法集中討論了天然氣注采井垂直管柱中， W氣相為連續(xù)相，液相為離散相的天然氣傳輸過(guò)程中沖蝕-電化學(xué)腐蝕對(duì)管壁的禪合作用。 此過(guò)程介質(zhì)中的含液體積分?jǐn)?shù)低于1%，流速低于25m/s。并使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行 計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際腐蝕結(jié)果較吻合，能夠?yàn)閿y二氧化碳及液態(tài)水的天然氣井管柱安全 性提供技術(shù)參考。
[0026] W下將對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 實(shí)施例1: 一種沖蝕-二氧化碳腐蝕禪合作用下的天然氣注采井管柱腐蝕速率的確 定方法，首先基于流體力學(xué)理論與天然氣注采設(shè)及的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用理論分析方法建立流 場(chǎng)數(shù)學(xué)模型;然后根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，對(duì)天然氣井腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建立 二氧化碳腐蝕模型；之后根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，對(duì)天然氣井腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ) 上，建立二氧化碳腐蝕模型；最后將上述模型寫(xiě)入用戶自定義函數(shù)導(dǎo)入商業(yè)軟件進(jìn)行仿真 計(jì)算。本發(fā)明方法包括如下步驟：
[0028] 步驟一:根據(jù)流體力學(xué)理論與天然氣注采設(shè)及的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用理論分析方法建 立流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型包括傳熱、流動(dòng)、傳質(zhì)模型。采用建模軟件建立模擬區(qū)域的 管柱模型，根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和流場(chǎng)計(jì)算的塊中屯、網(wǎng)格數(shù)據(jù)的集合對(duì) 應(yīng)關(guān)系，將建立的管柱網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為流場(chǎng)計(jì)算所需的有限元數(shù)值模型，計(jì)算管壁處壓力、 溫度、速度梯度、各組分濃度分布W及剪切力等參數(shù)。其中流動(dòng)、傳熱模型采用流體力學(xué)N-S 方程計(jì)算;液滴在氣流中的運(yùn)動(dòng)引入Wu曳力公式及牛頓第二定律計(jì)算;物質(zhì)在氣流中的擴(kuò) 散采用對(duì)流擴(kuò)散模型計(jì)算;通過(guò)上述模型的共同計(jì)算，可W得到管壁處壓力、溫度、速度梯 度、各組分濃度分布W及剪切力。本步驟中的傳熱、流動(dòng)與擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的求解采用fluent 軟件計(jì)算;而二氧化碳腐蝕、沖刷磨損模型采用fluent軟件的UDF用戶自定義函數(shù)進(jìn)行禪合 計(jì)算。使用Fluent軟件，將天然氣井管柱模型導(dǎo)入后將電化學(xué)腐蝕-沖刷腐蝕禪合機(jī)理模型 寫(xiě)入U(xiǎn)DF，將實(shí)際環(huán)境中的壓力、組分濃度、溫度W及流速參數(shù)輸入軟件進(jìn)行雙精度計(jì)算即 可得到計(jì)算結(jié)果。
[0029] 步驟二:根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，在對(duì)天然氣井管柱腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ) 上，建立二氧化碳腐蝕模型，確定二氧化碳腐蝕過(guò)程中腐蝕產(chǎn)物層對(duì)于該環(huán)境下電化學(xué)腐 蝕速率的影響，引入腐蝕層厚度對(duì)腐蝕速率的影響因子。
[0030] 其中二氧化碳腐蝕模型如下：
[0031]
[0032] 式中：a，b，d腐蝕速率的修正參數(shù)，T是溫度，巧〇,是0)2分壓，抑是介質(zhì)值，Ccof是腐 蝕速率修正系數(shù);V。是二氧化碳腐蝕速率;然后引入腐蝕產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的影響因子來(lái) 對(duì)腐蝕速率進(jìn)行修正:Vc ' = [^d (1+C) +a ] Vc，式中：a，0是產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的修正因子，hd 是腐蝕產(chǎn)物層厚度，C是腐蝕速率修正系數(shù)，V。'是修正后的腐蝕速率。二氧化碳腐蝕模型中 的a，b，d是根據(jù)實(shí)際腐蝕速率代入模型確定的參數(shù);a，e是通過(guò)建立實(shí)際腐蝕速率W及腐蝕 產(chǎn)物層厚度關(guān)系得到。
[0033] 步驟=:根據(jù)沖刷腐蝕理論，對(duì)天然氣井注采數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，建立注采過(guò) 程的沖蝕模型，W流體能量損失數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用能量磨損理論建立沖蝕模型，并確定沖刷 過(guò)程對(duì)腐蝕產(chǎn)物層及管壁基體沖刷磨損速率系數(shù);根據(jù)沖刷磨損理論所建立的沖蝕模型如 下：
[0034]
[0035] 其中出是磨損速率;a是磨損速率系數(shù);Fw是剪切力，y是介質(zhì)流體動(dòng)力粘度。其中沖 蝕模型其中的a是根據(jù)實(shí)際沖蝕速率代入模型確定的參數(shù)。
[0036] 步驟四：將W上步驟一至步驟=所述各模型進(jìn)行禪合計(jì)算，計(jì)算出管內(nèi)的溫度、 壓力、入口流速對(duì)腐蝕速率的影響，確定天然氣氣井管柱的安全服役參數(shù)。具體為:將步驟 一建立的管柱模型導(dǎo)入fluent,在fluent軟件中設(shè)置好流場(chǎng)邊界和初始條件，根據(jù)步驟一 中的流場(chǎng)模型、邊界類型及初始條件在fluent中選擇對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)模擬計(jì)算模型;并結(jié)合注 采井的實(shí)際情況，輸入井的注采數(shù)據(jù)，在fluent中設(shè)置好模型的邊界及初始條件，計(jì)算模擬 區(qū)域的溫度、壓力、流速變化;將步驟二與步驟=中的二氧化碳腐蝕模型與沖刷磨損模型進(jìn) 行禪合，寫(xiě)入U(xiǎn)DF。將步驟一中的流場(chǎng)模型導(dǎo)入fluent進(jìn)行計(jì)算，可W得到管柱內(nèi)流場(chǎng)中的 溫度、壓力、流速、二氧化碳分壓、攜液量等瞬時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，將UDF導(dǎo)入進(jìn)行計(jì)算。最終計(jì)算出 管內(nèi)的溫度、壓力、入口流速對(duì)腐蝕速率的影響。本步驟中所述禪合計(jì)算方法為:通過(guò)流動(dòng)、 傳熱W及傳質(zhì)模型計(jì)算出管壁處壓力、溫度、速度梯度各組分濃度分布W及剪切力;將上述 參數(shù)導(dǎo)入二氧化碳腐蝕模型，計(jì)算出腐蝕速率W及腐蝕產(chǎn)物的生成速率;通過(guò)沖蝕模型計(jì) 算出在流體的作用下腐蝕產(chǎn)物W及管壁的沖蝕速率;將沖蝕模型計(jì)算結(jié)果再重新導(dǎo)入二氧 化碳腐蝕模型的腐蝕產(chǎn)物層修正項(xiàng)，算得最終的腐蝕速率。通過(guò)導(dǎo)入不同的環(huán)境參數(shù)，算得 對(duì)應(yīng)的管柱腐蝕速率，選擇安全的腐蝕速率，確定本步驟中所述天然氣井管柱的安全服役 參數(shù)。
[0037] 本發(fā)明的具體計(jì)算步驟如下：
[0038] 根據(jù)流體力學(xué)理論與天然氣注采設(shè)及的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用理論分析方法建立流場(chǎng)數(shù) 學(xué)模型，流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型包括傳熱、流動(dòng)、傳質(zhì)模型，組分?jǐn)U散模型，和流場(chǎng)邊界條件。
[0039] (1)建立質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程）：
[0040]
[0041] 式中，P是流體密度，V是流體速度。[0042] (2)建立動(dòng)量守恒方程：
[0043] X方向
[0044] y方向
[0045] Z方向：
[0046] 式中，y、u、w是速度分量，P是流體各向同性壓強(qiáng)，T是與流體粘性有關(guān)的剪切力，f 是體積力。
[0047] (3)建立能量守恒方程：
[004引
[0049] 式中，e是熱力學(xué)能，q是對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)臒崃?，k是熱傳導(dǎo)系數(shù)。
[0050] (4)建立組分傳輸擴(kuò)散模型：
[0051] 通過(guò)第巧巾物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Yi。其守恒方程如下：
[0化2]
[0053] 其中，P是密度，V是擴(kuò)散流動(dòng)速度，Ji是混合物中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散通量，Ri是化學(xué) 反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率，Si為離散相及用戶定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。i = l，2,3分別代 表邸4、C〇2、出0立種物質(zhì)，需要求解兩個(gè)運(yùn)種形式的方程。
[0054] 針對(duì)管內(nèi)端流流動(dòng)，W如下形式計(jì)算質(zhì)量擴(kuò)散：
[0化5]
[0056] 其中，Di,m是擴(kuò)散系數(shù)，Sct是端流施密特?cái)?shù)，化是端流粘性力。
[0057] 根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，對(duì)天然氣井腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建立二氧化 碳腐蝕模型;結(jié)合沖刷腐蝕模型，建立天然氣注采井注采過(guò)程的沖蝕-電化學(xué)腐蝕禪合數(shù)學(xué) 模型。二氧化碳腐蝕模型表達(dá)式為：
[0化引
[0化9] 式中：曰,b, d都是根據(jù)實(shí)際腐蝕速率確走的參數(shù),T是溫度，巧..是C〇2分壓,pH是介 質(zhì)值，Cwf是腐蝕速率修正系數(shù)。V。是二氧化碳腐蝕速率。之后引入腐蝕產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率 的影響因子來(lái)對(duì)腐蝕速率進(jìn)行修正:￥。' =[護(hù)4(1+(3)+0]￥。，式中：〇，0是產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率 的修正因子，hd是腐蝕產(chǎn)物層厚度，C是腐蝕速率修正系數(shù)，V。'是修正后的腐蝕速率。
[0060] (5)根據(jù)沖刷腐蝕理論，對(duì)天然氣井注采數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，建立注采過(guò)程的 沖蝕模型，W流體能量損失數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用能量磨損理論建立沖蝕模型。該模型表達(dá)式 為：
[0061]
[0062] 其中出是磨損速率;a是磨損速率系數(shù)，由實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出;Fw是剪切力，y是介質(zhì) 流體動(dòng)力粘度。
[0063] (6)采用建模軟件Gambit建立模擬區(qū)域的管柱模型，根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算每個(gè)單元的節(jié) 點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和流場(chǎng)計(jì)算的塊中屯、網(wǎng)格數(shù)據(jù)的集合對(duì)應(yīng)關(guān)系，將Gambit建立的管柱網(wǎng)格模型 轉(zhuǎn)化為流場(chǎng)計(jì)算所需的有限元數(shù)值模型；
[0064] 將上述模型寫(xiě)入U(xiǎn)DF，并將(6)中的建立的管柱模型導(dǎo)入fluent,在fluent軟件中 設(shè)置好流場(chǎng)邊界和初始條件，根據(jù)步驟一中的流場(chǎng)模型、邊界類型及初始條件在fluent中 選擇對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)模擬計(jì)算模型;并結(jié)合注采井的實(shí)際情況，輸入井的注采數(shù)據(jù)，在fluent中 設(shè)置好模型的邊界及初始條件，計(jì)算模擬區(qū)域的溫度、壓力、流速變化;將UDF導(dǎo)入fluent， 計(jì)算出注采井管壁腐蝕速率。
[0065] 本發(fā)明提供的模型及方法集中討論了天然氣注采井垂直管柱中，W氣相為連續(xù) 相，液相為離散相的天然氣傳輸過(guò)程中沖蝕-電化學(xué)腐蝕對(duì)管壁的禪合作用。此過(guò)程介質(zhì)中 的含液體積分?jǐn)?shù)低于1%，流速低于25m/s。并使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果 與實(shí)際腐蝕結(jié)果較吻合，能夠?yàn)閿y二氧化碳及液態(tài)水的天然氣井管柱安全性提供技術(shù)參 考。
[0066] 本實(shí)施方式中沒(méi)有詳細(xì)敘述的部分或計(jì)算方法屬本行業(yè)的公知的常用手段，運(yùn)里 不一一敘述。W上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制， 凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐蝕速率的確定方法，其 特征在于，包括如下步驟： 步驟一:根據(jù)流體力學(xué)理論與天然氣注采涉及的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立各組分傳熱、流動(dòng)與擴(kuò) 散數(shù)學(xué)模型，計(jì)算管壁處壓力、溫度、速度梯度、各組分濃度分布以及剪切力； 步驟二:根據(jù)二氧化碳腐蝕理論，在對(duì)氣井管柱腐蝕數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建立二 氧化碳腐蝕模型，確定二氧化碳腐蝕過(guò)程中腐蝕產(chǎn)物層對(duì)于該環(huán)境下電化學(xué)腐蝕速率的影 響，引入腐蝕層厚度對(duì)腐蝕速率的影響因子； 步驟三:根據(jù)沖刷磨損理論，對(duì)天然氣井注采數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析基礎(chǔ)上，建立注采過(guò)程的 沖蝕模型，以流體能量損失數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用能量磨損理論建立沖蝕模型，并確定沖刷過(guò)程 對(duì)腐蝕產(chǎn)物層及管壁基體沖刷磨損速率系數(shù)； 步驟四：將以上步驟一至步驟三所述各模型進(jìn)行耦合計(jì)算，計(jì)算出管內(nèi)的溫度、壓力、 入口流速對(duì)腐蝕速率的影響，確定天然氣氣井管柱的安全服役參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，步驟一中所描述流動(dòng)、傳熱模型采用流體力學(xué)N-S方程計(jì) 算;液滴在氣流中的運(yùn)動(dòng)引入Wu曳力公式及牛頓第二定律計(jì)算;物質(zhì)在氣流中的擴(kuò)散采用 對(duì)流擴(kuò)散模型計(jì)算;通過(guò)上述模型的共同計(jì)算，可以得到管壁處壓力、溫度、速度梯度、各組 分濃度分布以及剪切力。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，步驟二中所描述的二氧化碳腐蝕模型如下：式中：a，b，d腐蝕速率的修正參數(shù)，T是溫度，A02是⑶2分壓，pH是介質(zhì)值，Cccif是腐蝕速 率修正系數(shù);V。是二氧化碳腐蝕速率;然后引入腐蝕產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的影響因子來(lái)對(duì)腐 蝕速率進(jìn)行修正:￥/。=[妒 <1(1+(：)+〇]￥。，式中：〇，0是產(chǎn)物層對(duì)腐蝕速率的修正因子，]1(1是腐 蝕產(chǎn)物層厚度，c是腐蝕速率修正系數(shù)，V。是修正后的腐蝕速率。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，所述二氧化碳腐蝕模型其中的a，b，d是根據(jù)實(shí)際腐蝕速率 代入模型確定的參數(shù);α，β是通過(guò)建立實(shí)際腐蝕速率以及腐蝕產(chǎn)物層厚度關(guān)系得到。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，步驟三中所述的根據(jù)沖刷磨損理論所建立的沖蝕模型如 下：其中Hf是磨損速率;α是磨損速率系數(shù);Fw是剪切力，μ是介質(zhì)流體動(dòng)力粘度。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，所述沖蝕模型其中的α是根據(jù)實(shí)際沖蝕速率代入模型確定 的參數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，步驟四中所述親合計(jì)算方法為:通過(guò)流動(dòng)、傳熱以及傳質(zhì) 模型計(jì)算出管壁處壓力、溫度、速度梯度各組分濃度分布以及剪切力;將上述參數(shù)導(dǎo)入二氧 化碳腐蝕模型，計(jì)算出腐蝕速率以及腐蝕產(chǎn)物的生成速率;通過(guò)沖蝕模型計(jì)算出在流體的 作用下腐蝕產(chǎn)物以及管壁的沖蝕速率;將沖蝕模型計(jì)算結(jié)果再重新導(dǎo)入二氧化碳腐蝕模型 的腐蝕產(chǎn)物層修正項(xiàng)，算得最終的腐蝕速率。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，通過(guò)導(dǎo)入不同的環(huán)境參數(shù)，算得對(duì)應(yīng)的管柱腐蝕速率，選 擇安全的腐蝕速率，確定步驟四中所述天然氣井管柱的安全服役參數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，步驟一中所述的傳熱、流動(dòng)與擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的求解采用 fluent軟件計(jì)算;而二氧化碳腐蝕、沖刷磨損模型采用fluent軟件的UDF用戶自定義函數(shù)進(jìn) 行親合計(jì)算。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種沖蝕-二氧化碳腐蝕耦合作用下的天然氣注采井管柱腐 蝕速率的確定方法，其特征在于，使用Fluent軟件，將天然氣井管柱模型導(dǎo)入后將電化學(xué)腐 蝕-沖刷腐蝕耦合機(jī)理模型寫(xiě)入U(xiǎn)DF，將實(shí)際環(huán)境中的壓力、組分濃度、溫度以及流速參數(shù)輸 入軟件進(jìn)行雙精度計(jì)算即可得到計(jì)算結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021659SQ201610304136
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】劉偉, 付鋼旦, 楊斌, 李瓊瑋, 李治, 董曉煥, 張振云, 朱方輝, 李慧, 孫雨來(lái)
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油天然氣股份有限公司