[发明专利]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。

主权项

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，其特征在于，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，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；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；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；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，得到管柱内流场中的温度、压力、流速、二氧化碳分压、携液量瞬时状态数据，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；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，确定所述天然气井管柱的安全服役参数；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：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。