1.本发明涉及油气田腐蚀与防护实验安全评价技术领域，涉及一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法。
背景技术：2.近年来，随着对油气层开采深度的进一步增加，井下的温度及压力也随之不断增加，导致井下管柱面临严重腐蚀的工况环境，管柱钢材在高温高压且高含co2环境下易发生均匀腐蚀、点蚀等，对油气田开采产生严重的安全隐患，co2腐蚀问题愈发严重，导致管柱的服役寿命远低于设计寿命，易造成管柱失效，产生严重的经济损失。
3.为解决上述问题，通过高温高压流动腐蚀实验对井下管材进行优选，但在实验过程中，fe、cr与腐蚀介质反应会生成h2，h2属于易燃易爆气体，其爆炸极限为4％～75.6％(体积浓度)，在试验过程中产生的大量h2会严重影响实验的安全性与环保性，造成一定的实验安全风险。
技术实现要素：4.本发明的目的是：在进行高温高压流动腐蚀实验之前，首先进行安全性评价，根据腐蚀实验参数预测腐蚀速率，与达到氢气爆炸极限时计算出的实验试样平均腐蚀速率进行对比，判断实验能否安全进行，调整实验条件，保障高温高压流动腐蚀实验的安全性与环保性。
5.为了实现上述目的，本发明的目的由以下技术措施实现：
6.一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，包括：
7.(1)根据实验温度、co2分压、实验时间、实验材质以及实验流速，结合基于室内实验的co2腐蚀预测速率模型预测实验试样的腐蚀速率；
8.(2)根据氢气爆炸极限、反应釜容积、加入腐蚀介质流体的体积、氢气密度以及实验条件下氢气在腐蚀介质流体中的溶解度计算达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量；
9.(3)根据实验材质与co2、h2o作用的化学方程式，利用化学计量数配比计算产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量；
10.(4)根据实验试样所有的表面积总和、实验试样的密度、实验时间、产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量计算达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率；
11.(5)对比实验材质的预测腐蚀速率与达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，若前者小于后者则实验安全进行，前者大于后者则实验不能安全进行，调整实验温度、co2分压、实验流速以及实验时间后重复(1)～(4)步骤，再次进行对比，直到实验可以安全进行为止。
12.其中，所述达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率由下式计算：
13.14.式中，v
corr2
为达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，mm/a；m
总
为产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；s为实验试样所有的表面积总和，mm2；ρ
试样
为实验试样的密度，g/cm3；t为实验时间，d。
15.所述实验材质与co2、h2o作用的化学反应方程式如下：
16.2co2+2h2o+fe＝fe
2+
+h2+2hco
3-17.6co2+4h2o+2cr＝2cr
3+
+h2+6hco
3-18.所述实验材质一般分为碳钢与含cr合金钢，含cr合金钢中fe、cr均会与腐蚀介质发生反应，而碳钢中主要为fe与腐蚀介质发生反应。
19.作为优选的技术方案，下式为基于室内实验的co2腐蚀预测模型：
[0020][0021]
式中，v
corr1
为实验试样的预测腐蚀速率，mm/a；a为与实验材质有关的系数，无因次；u为实验流速，m/s；t为实验温度，℃；t为实验时间，d；p
co2
为co2的分压，mpa。
[0022]
作为优选的技术方案，所述与实验材质有关的系数a，当实验材质为3cr钢时a取0.321，当实验材质为9cr钢时a取0.152，当实验材质为13cr钢时a取0.042，当实验材质为超级13cr钢时a取0.024，当实验材质为碳钢时a取0.832。
[0023]
作为优选的技术方案，根据下式计算达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量：
[0024][0025]
式中，为达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量，mol；ρ
h2
为氢气的密度，g/cm3；v1为反应釜的容积，cm3；v2为加入腐蚀介质流体的体积，cm3；b为实验条件下氢气在腐蚀介质流体中的溶解度，无因次；为氢气的摩尔质量，g/mol。
[0026]
作为优选的技术方案，根据下式计算产生临界爆炸氢气条件下消耗实验试样的总质量：
[0027][0028][0029]
式中，m
碳钢
为实验材质为碳钢时产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；m
含cr钢
为实验材质为含cr合金钢时产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；m
fe
为铁的摩尔质量，g/mol；m
cr
为铬的摩尔质量，g/mol。
[0030]
有益效果在于：
[0031]
(1)评价方法简单，计算快捷，准确度高；
[0032]
(2)在进行高温高压流动腐蚀实验前有效判断实验的安全性与环保性，并及时调整实验参数，可实施性高，有效防止实验事故的发生。
附图说明
[0033]
图1是本发明一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法的流程图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
[0035]
本发明实施例，以3cr钢材进行高温高压流动腐蚀实验为例，对此实验进行安全性评价。
[0036]
(1)实验试样的预测腐蚀速率
[0037][0038]
式中，v
corr1
为实验试样的预测腐蚀速率，mm/a；a为与实验材质有关的系数，无因次；u为实验流速，m/s；t为实验温度，℃；t为实验时间，d；p
co2
为co2的分压，mpa。
[0039]
与实验材质有关的系数为0.321，实验温度为83℃，实验时间为15天，实验流速为5m/s，co2分压为9.436mpa，实验试样的预测腐蚀速率为1.206mm/a。
[0040]
(2)达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量
[0041][0042]
式中，为达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量，mol；为氢气的密度，g/cm3；v1为反应釜的容积，cm3；v2为加入腐蚀介质流体的体积，cm3；b为实验条件下氢气在腐蚀介质流体中的溶解度，无因次；为氢气的摩尔质量，g/mol。
[0043]
氢气的密度为0.0000899g/cm3，反应釜的容积为8000cm3，加入腐蚀介质流体的体积为3000cm3，实验条件下氢气在水中的溶解度为0.00183，氢气的摩尔质量为2g/mol，达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量为0.00899mol。
[0044]
(3)产生临界爆炸氢气条件下消耗实验试样的总质量
[0045][0046]
式中，m
含cr钢
为实验材质为含cr合金钢时产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；m
fe
为铁的摩尔质量，g/mol；m
cr
为铬的摩尔质量，g/mol。
[0047]
铁的摩尔质量为56g/mol，铬的摩尔质量52g/mol，产生临界爆炸氢气条件下消耗实验试样的总质量为0.491453g。
[0048]
(4)达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率
[0049][0050]
式中，v
corr2
为达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，mm/a；m
总
为产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；s为实验试样所有的表面积总和，mm2；ρ
试样
为实验试样的密度，g/cm3；t为实验时间，d。
[0051]
实验试样所有的表面积总和为1264mm2，实验试样的密度为7.75g/cm3，实验时间为15天，达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率为1.221mm/a。
[0052]
(5)对比与判断
[0053]
实验试样的预测腐蚀速率为1.206mm/a，达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率为1.221mm/a，前者小于后者，则本实验可以安全进行。
[0054]
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
技术特征：1.一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，其特征在于包括如下步骤：(1)根据实验温度、co2分压、实验时间、实验材质以及实验流速，结合基于室内实验的co2腐蚀预测速率模型预测实验试样的腐蚀速率；(2)根据氢气爆炸极限、反应釜容积、加入腐蚀介质流体的体积、氢气密度以及实验条件下氢气在腐蚀介质流体中的溶解度计算达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量；(3)根据实验材质与co2、h2o作用的化学方程式，利用化学计量数配比计算产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量；(4)根据实验试样所有的表面积总和、实验试样的密度、实验时间、产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量计算达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率；(5)对比实验材质的预测腐蚀速率与达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，若前者小于后者则实验安全进行，前者大于后者则实验不能安全进行，调整实验温度、co2分压、实验流速以及实验时间后重复(1)～(4)步骤，再次进行对比，直到实验可以安全进行为止。2.根据权利要求1所述的一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，其特征在于：下式为基于室内实验的co2腐蚀速率预测模型：式中，v
corr1
为实验试样的预测腐蚀速率，mm/a；a为与实验材质有关的系数，无因次；u为实验流速，m/s；t为实验温度，℃；t为实验时间，d；p
co2
为co2的分压，mpa。3.根据权利要求1所述的一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，其特征在于：根据下式计算达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量：式中，n
h2
为达到氢气爆炸极限时产生氢气的物质的量，mol；ρ
h2
为氢气的密度，g/cm3；v1为反应釜的容积，cm3；v2为加入腐蚀介质流体的体积，cm3；b为实验条件下氢气在腐蚀介质流体中的溶解度，无因次；m
h2
为氢气的摩尔质量，g/mol。4.根据权利要求1所述的一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，其特征在于：根据下式计算产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量：据下式计算产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量：式中，m
碳钢
为实验材质为碳钢时产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；m
含cr钢
为实验材质为含cr合金钢时产生达到爆炸极限的氢气消耗实验试样的总质量，g；m
fe
为铁的摩尔质量，g/mol；m
cr
为铬的摩尔质量，g/mol。5.根据权利要求2所述的一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，其特征在于：所述与实验材质有关的系数a，当实验材质为3cr钢时a取0.321，当实验材质为9cr钢时a取0.152，当实验材质为13cr钢时a取0.042，当实验材质为超级13cr钢时a取0.024，当实验材质为碳钢时a取0.832。
技术总结本发明涉及一种高温高压流动腐蚀实验安全性评价方法，包括：根据腐蚀实验参数，结合腐蚀速率预测模型预测试样腐蚀速率，根据氢气爆炸极限计算产生氢气的物质的量，并根据实验试样与CO2、H2O作用的化学方程式，计算出产生达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，对比实验材质的预测腐蚀速率与达到氢气爆炸极限时实验试样的平均腐蚀速率，若前者小于后者则实验安全进行，前者大于后者则实验不能安全进行，调整实验温度、CO2分压、实验流速以及实验时间后重复上述步骤，直到判断实验安全为止；本发明在进行腐蚀实验前有效判断实验的安全性与环保性，及时调整实验参数，可实施性高，有效防止实验事故的发生，评价方法简单，计算快捷，准确度高。准确度高。准确度高。
技术研发人员：杨宇童 游利军 李荣耀 康毅力 陈春敏 夏成志 余代杰 申昊东
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
