本发明属于油气固井领域，具体涉及一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置及方法。
背景技术：
1、固井水泥石的主要作用是保护井壁、封隔地层流体、防止层间窜流，并提供一种碱性环境，防止套管的腐蚀。在油气层中，常有co2和h2s作为石油与天然气的伴生气存在，在适度的压力和温度环境下会对固井水泥石产生腐蚀作用，严重影响到油气井的安全生产。
2、一口井建立完成后，套管和水泥石留于井内，裸眼段固井的水泥石处于套管与地层之间，水泥石与地层流体中的腐蚀介质直接接触并被腐蚀；上层套管固井后的水泥石处于两层套管之间，腐蚀介质必须穿过裸眼段的固井水泥石上窜，才能对其进行接触和腐蚀；射孔炮眼处的水泥石直接接触腐蚀介质，不仅会受腐蚀介质的腐蚀，还会受到腐蚀介质的冲蚀。由此可见，水泥石所处的位置不一样，其腐蚀过程和腐蚀结果均有所不同，甚至差异巨大。
3、国内科研人员对水泥石腐蚀进行了大量研究。“一种评价水泥石耐酸性气体腐蚀能力的实验装置”（cn217878823u），通过在箱体内设置反应桶，利用反应桶在箱体内生成水泥浆、养护成水泥石以及检测其耐酸性气体腐蚀的能力，能够提高水泥石在静态端面腐蚀下的检测准确性；“一种水泥石养护模具及动态气体腐蚀实验装置”（cn11896339a），通过腐蚀釜的旋转底座带动釜体内部水泥石养护模转动，实现水泥石表面与腐蚀性气体的相对流动，且外部电机可以对釜内模具进行调速旋转，更准确和真实地反映釜内水泥石动态腐蚀情况；“一种模拟抗co2动态腐蚀的评价装置”（cn218629430u），模拟了水泥石在co2环境下的腐蚀情况，并能在其中放置几种不同型号的水泥石，水泥石通过旋转装置在co2水溶液环境中转动，实现腐蚀介质在水泥石表面的流动更替和不同水泥石在同一腐蚀介质下的对比分析。但该类装置采用密封结构，反应釜内的酸性腐蚀介质无法得到及时更新，随着反应时间的增加，腐蚀介质浓度逐渐降低，腐蚀速率也越来越低，与实际井下充足的腐蚀介质相比，实验测得的腐蚀介质对水泥石腐蚀效率要低的多。
4、“模拟固井水泥环在地层中腐蚀过程的实验装置及实验方法”（cn108593533b），通过恒流恒压泵将腐蚀介质匀速地充入釜体内部，保证地层水中腐蚀介质浓度不会随着实验的进行而衰退，实现了腐蚀介质的动态更新。但该装置采用螺旋分液孔对水泥石表面进行腐蚀，不符合地下流体沿地层向水泥石渗流腐蚀的情况，且腐蚀介质沿流动方向流出的腐蚀介质浓度不变，也不符合井下腐蚀介质流体在流动过程中浓度不断变化的情况。
5、“二氧化碳对水泥动态冲刷腐蚀的室内模拟实验装置及方法”（cn112179832a），通过设置上下进出液口和流量泵来模拟井下流体的动态更新，反应容器内两侧安装可移动的水泥石固定夹模拟水泥石形成的裂缝，反映酸性流体沿含有微裂缝的胶结面和水泥本体流动冲刷与腐蚀耦合的过程。但该装置使用位移传感器调整两块长方体水泥石试样的间距模拟微裂缝，与井下实际形成的裂缝相比过于理想化，无法反映含有曲折微裂缝水泥石在酸性流体环境下的腐蚀情况。
6、对水泥石腐蚀的研究虽然取得了一定的进展，但是目前的装置及方法都难以模拟腐蚀介质通过地层渗流到水泥石、从下部水泥石上窜到上部水泥石的腐蚀过程，不符合井下水泥石腐蚀的真实情况，不能准确反映固井水泥石在井下的腐蚀规律。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，该装置原理可靠，操作简便，既能实现腐蚀流体的动态更新，又能反应腐蚀介质在不同压差和温度下对水泥石的静态端面腐蚀、动态冲刷腐蚀和通过围岩、水泥石向上窜流的渗流腐蚀的过程，更加符合井下水泥石腐蚀的真实情况，准确地反映固井水泥石在井下的腐蚀规律。
2、本发明的另一个目的还在于提供利用上述装置进行多工况高温高压腐蚀模拟实验的方法，通过高温高压下腐蚀介质从地层围岩到水泥石的渗流腐蚀、从井底向井口渗流对水泥石的上窜腐蚀和炮眼处对水泥石的直接腐蚀，能够全面、真实地反映处于不同位置的水泥石的腐蚀过程和腐蚀结果，从而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、一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，主要由氮气瓶、腐蚀介质储存罐、流量泵和养护/腐蚀釜组成。
5、所述养护/腐蚀釜包括釜体、养护压盖、腐蚀压盖和回压上盖，养护压盖、腐蚀压盖与釜体采用螺栓连接，回压上盖与腐蚀压盖采用螺栓连接。
6、所述釜体为一中空带底、上端开口的厚壁圆柱形钢筒，内部为釜腔，外部设有加热保温套，侧壁上设有带阀门的进液打压口和带阀门、冷凝罐、背压阀的排液泄压口，以及带阀门的排气口。进液打压口外接流量泵和腐蚀介质储存罐，可向釜腔注入腐蚀介质；排气口与氮气瓶相连，用于实验前对釜腔充液排气和实验后对釜腔充气排液。
7、所述养护压盖为一周边带圆形通孔的厚壁圆形钢板，通过螺纹与釜体相连，形成密闭釜腔，用于养护水泥环组合体。
8、所述水泥环组合体，中心为两端带实心堵头封堵的中间套管，堵头设有内螺纹，可与水泥环上/下承托板通过螺纹进行连接；外层从上至下依次为水泥环上盖、上层套管、渗透性岩心和对扣钢筒；中间套管与外层之间为环形空间。
9、所述水泥环上盖由两个不同内径的钢筒组合而成，内径较小的上部钢筒与中间套管之间形成环形空间；内径较大的下部钢筒有内螺纹，与带外螺纹的上层套管连接，上层套管与中间套管之间也形成相同尺寸的环形空间。
10、所述渗透性岩心，内外直径与上层套管相同，位于上层套管下方，与中间套管配合，模拟裸眼地层与中间套管形成环形空间。
11、所述对扣钢筒，由两个对称且通过螺栓连接的半圆型钢筒组成，其内外直径与上层套管相同，位于模拟岩心之下。
12、所述水泥环上/下承托板为一中心带通孔的圆形厚壁钢板，通过螺栓与中间套管相连，压紧水泥环上盖、上层套管、模拟岩心和对扣钢筒，避免模拟岩心、对扣钢筒发生移动，形成环形空间，用于盛放水泥浆以及水泥浆凝结后形成的水泥石。
13、所述腐蚀压盖为一周边带圆形通孔的厚壁环形钢板，内直径与水泥环上盖的上部钢筒一致，通过螺纹与釜体相连，水泥环上盖的上部钢筒穿过腐蚀压盖形成密封的釜腔，用于腐蚀水泥环组合体。
14、所述回压上盖，为一中空带顶、下端开口的圆柱形钢管，钢管底部通过螺纹与腐蚀压盖密封连接，水泥环上盖的上部钢筒穿过腐蚀压盖进入回压上盖，回压上盖内部设置带孔压板，用于压紧水泥环组合体，并在回压上盖和水泥环组合体之间形成可打入腐蚀介质的上腔；回压上盖顶部设有带阀门的排液口，用于对上腔进液打压或排液泄压，用来模拟地层的压差环境，同时还设有带背压阀和冷凝罐的溢液管线，用于将多余腐蚀流体送回腐蚀介质储存罐，使其形成循环。
15、所述釜体在进行水泥石养护时，需先通过螺纹将下承托板与厚壁圆柱形钢筒连接，从下往上依次于下承托板上放置对扣钢筒、渗透性岩心、上层套管及水泥环上盖。水泥环上盖和上层套管采用丝扣连接，对扣钢筒及模拟岩心上下两端均涂抹高粘黄油来确保水泥环的密封性。待环形空间内注满水泥浆后，中间套管顶部的堵头通过螺纹安装上承托板，使其压紧水泥环组合体，且上部承托板安有提环方便拿取。
16、所述釜体在进行水泥石腐蚀时，需在养护水泥环的基础上，去除上、下承托板和对扣钢筒，在水泥环上盖不同内径的钢筒上部分别安装密封圈，并在水泥环下部位置钻取几个孔洞模拟炮眼。
17、所述釜体在进行水泥石腐蚀时，在水泥环组合体压入釜体后，釜体顶部安装腐蚀压盖和回压上盖，其中回压上盖底部钢板与腐蚀压盖采用螺栓连接。
18、所述釜体在进行腐蚀模拟实验时，前期可模拟腐蚀介质直接与水泥石接触腐蚀、腐蚀介质通过炮眼进入水泥石内部腐蚀和腐蚀介质穿过岩心与水泥石渗流腐蚀的过程，后期模拟腐蚀介质在压差下通过水泥石进行上窜腐蚀的情况。一定的腐蚀时间后，取出水泥环，观察腐蚀介质最终腐蚀水泥石的位置，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岩心对水泥石不同位置的腐蚀情况，模拟实际地层围岩和水泥石之间的渗流腐蚀；取下上层套管观察腐蚀介质在压差下通过水泥石上窜腐蚀的情况。
19、本发明通过泵将腐蚀介质注入反应釜并加压至实验所需压力，调整上腔和釜腔压力达到实验所需的压差，设定好所需温度，待温度达到要求后，调试顶部背压阀，使腐蚀介质在反应釜和存储罐之间形成循环，保证水泥石与腐蚀介质形成不同工况的接触。
20、本发明可一次性模拟腐蚀介质对水泥石在多种不同情况下的腐蚀，便于对比分析水泥石在不同工况下的腐蚀情况。
21、利用上述装置进行多工况高温高压腐蚀模拟实验的方法，依次包括以下步骤：
22、（1）根据api标准制作好水泥浆后倒入水泥环组合体的环形空间内，安装好水泥环组合体上、下承托板后放入釜体内部，拧紧养护压盖；
23、（2）向釜体内打入压力，打开温控器对釜体加热，进行水泥石养护；
24、（3）养护完成后，打开养护压盖后取出水泥环组合体，拆卸上、下承托板和对扣钢筒，在渗透性岩心下部钻取几个炮眼；
25、（4）将水泥环组合体放置并固定在釜体内，安装腐蚀压盖和回压上盖；
26、（5）打开进液打压口和排气口，给釜体内打入腐蚀介质，待釜体内空气排放完毕后关闭排气口，进液打压口继续给釜体充入腐蚀介质并加压；
27、（6）通过回压上盖的进液口对上腔充入腐蚀介质并加压，通过回压上盖的背压阀调节腐蚀介质对水泥石的渗流压差以及腐蚀介质循环更替的压差，温控器对釜体进行加热，达到实验所需的温度及压力；
28、（7）利用流量泵向釜体内连续注入腐蚀介质，使腐蚀介质形成循环流动，保证腐蚀介质不间断渗流通过水泥环组合体内的渗透性岩心和水泥石；
29、（8）达到实验设计所需时间后，停止注入腐蚀介质，关闭温控器，对釜腔和上腔泄压，取出水泥环组合体，观察、检测和分析不同部位、不同腐蚀工况下水泥石的腐蚀情况。
30、通过观察、检测不同部位、不同工况下水泥石的腐蚀情况（包括腐蚀深度、抗压强度等），得到不同腐蚀方式下腐蚀介质对水泥石的影响；通过模拟不同水泥石、不同腐蚀介质、不同压差、不同位置水泥石和不同流速冲蚀的过程，从而分析得到水泥环的腐蚀规律。
31、本发明通过构造水泥环组合体，形成腐蚀介质对同一水泥环的不同腐蚀方式；通过调节两腔的压差、更换水泥石配方和腐蚀介质，形成模拟不同水泥石在不同腐蚀介质下的不同压差和不同流速冲蚀下的腐蚀情况，更加贴切地分析腐蚀介质对水泥环多种工况下的腐蚀结果。
32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33、（1）本发明通过模拟腐蚀介质在不同工况下对水泥环的腐蚀情况，能够更加真实地模拟井底固井水泥石所受到的实际腐蚀情况，并且能够对比、分析不同腐蚀方式对水泥环不同位置的腐蚀情况；
34、（2）本发明为进一步深入研究水泥石腐蚀规律和提高水泥环的长期封固稳定性，提供了更加优异、有效的技术手段。
1.一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，包括养护/腐蚀釜、水泥环组合体、流量泵、腐蚀介质储存罐和氮气瓶，所述养护/腐蚀釜包括釜体（12）、养护压盖（1）、腐蚀压盖（30）和回压上盖（33），其特征在于，所述釜体（12）为厚壁圆柱形钢筒，内部为釜腔（25），外部覆盖加热保温套（5），加热保温套连接温控器，侧壁上设有进液打压口（14）、泄压排液口（19）和排气口（9），进液打压口、泄压排液口外接流量泵和腐蚀介质储存罐，排气口连接氮气瓶，泄压排液口带有背压阀和冷凝回流管，所述釜腔内放置水泥环组合体；所述水泥环组合体，中心为中间套管（24），外层从上至下依次为水泥环上盖（7）、上层套管（11）、渗透性岩心（16）和对扣钢筒（21），中间套管与外层之间为环形空间；所述水泥环上盖（7）由两个不同内径的钢筒组合而成，上部钢筒的内径与上层套管（11）的内径一致，下部钢筒有内螺纹，与带外螺纹的上层套管连接；所述渗透性岩心（16）和对扣钢筒（21）的内外径与上层套管相同，对扣钢筒由两个对称且通过螺栓连接的半圆型钢筒组成；
2.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，所述养护水泥石，是指中间套管（24）通过两端的堵头与上、下承托板连接，环形空间充满水泥浆，下承托板固定在釜体内，养护压盖（1）通过螺栓连接釜体（12），与釜体形成密闭的釜腔（25），在一定的温度压力下养护形成水泥环（10）。
3.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，所述腐蚀实验，是指拆下养护压盖和上、下承托板，水泥环组合体固定于釜体内，腐蚀压盖（30）通过螺栓连接釜体（12），回压上盖（33）通过螺栓连接腐蚀压盖；水泥环上盖（7）的上部钢筒穿过腐蚀压盖进入回压上盖，回压上盖内设有带孔压板（31），用于压紧水泥环组合体，并在回压上盖和水泥环组合体之间形成上腔（32），在上腔（32）和釜腔（25）之间形成需要的压差。
4.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，水泥环上盖不同内径的钢筒外壁分别设置密封橡胶圈，使水泥环上盖与腐蚀压盖、回压上盖之间形成密封。
5.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，当水泥环养护完成，在渗透性岩心处钻取几个孔洞模拟炮眼（17）。
6.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，所述对扣钢筒，由两个对称且通过螺栓连接的半圆型钢筒组成，其内外径与上层套管相同，拆卸后露出部分水泥环。
7.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，所述进液打压口、回压上盖顶部的冷凝回流管与腐蚀介质储存罐相连，在釜腔和上腔压差的存在下，形成腐蚀介质在水泥环组合体内上窜。
8.如权利要求1所述的一种多工况高温高压腐蚀模拟实验装置，其特征在于，所述上腔的压力小于釜腔的压力，确保腐蚀介质能够通过水泥环从下往上流动。
9.利用权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的装置进行多工况高温高压腐蚀模拟实验的方法，依次包括以下步骤：
