技术领域
[0001] 本
发明涉及一种井下腐蚀取样设备及方法。
背景技术
[0002] 野外
煤炭地下
气化生产过程中，地下
煤层的气化环境通常为距离地表100m～2000m，气化压
力在0.1MPa～2MPa，气化
温度在200℃～1200℃，粗煤气中含有煤灰、焦油、-
蒸汽、H2、CO、CO2、CH4、H2S、Cl、NH3等成分，沿气化通道和
生产井流动。这种环境对钻井
套管的腐蚀影响评价、不同管材在此环境下的
耐腐蚀性、以及地下气化对套管的腐蚀研究等鲜有报道。而在实际的生产中，确实发现钻井套管(特别是下端)的腐蚀穿孔，地下
水沿蚀孔涌入燃烧气化工作区，由此引起
煤炭地下气化炉的生产中断。因此，很有必要研究地下气化环境对不同管材的腐蚀作用，但是，由于进行煤炭地下气化的煤层远离地表，且气化环境恶劣，仅有直径很小的钻孔与地面相通，因此，很难真实地了解煤炭地下气化环境对固井套管的腐蚀情况。
[0003] 在地下腐蚀环境检测方面，有关油田钻井套管腐蚀的研究国内外已经做了很多，而煤炭地下气化环境下的套管腐蚀测试或评价几乎没有。
[0004] 发明
专利US4928760公开了一种井下腐蚀取样系统，包括上面对称分布有凹槽的非金属管柱、将腐蚀测试样固定在凹槽中用的螺钉和
螺母，以及管柱上设置的挂钩，以方便管柱在钻井中的下放和收回。该系统可以进行井下的腐蚀测试、
应力测试以及
导电性测试。该系统的主要特征在于有凹槽的非金属管柱，以及将试样固定在凹槽中用的螺钉和螺母。
由于该系统考虑的使用温度约为160℉(≈71℃)，所用的制作材质(非金属材料，文中提到玻璃增强的环
氧塑料(glass reinforced plastic epoxy))不能承受煤炭地下气化的恶劣环境，尤其是近1000℃的高温环境；整个系统制作比较复杂，实心或两端不通的结构对井下气流有较大的阻碍影响，所以该系统在不能在煤炭地下气化环境下直接应用。
[0005] 发明专利US5627749公开了一种在钻井中进行远程、长期腐蚀环境监测的工具，该监测工具利用细柱状
电阻型腐蚀
传感器测量井下金属的失重速率，进而考察钻井下的腐蚀情况，其适用的温度范围比较窄，结构复杂；另外，在井下测量金属失重率，受井下
流体流动影响比较严重，不适宜在煤炭地下气化钻井中使用。
[0006] 实用新型发明CN201392307Y“一种油管腐蚀测试筒”给出了通过上接头、下接头将腐蚀测试筒安装在油管柱上并下于井下预定
位置，进行油管柱正常工作过程中的腐蚀测试的方法。在煤炭地下气化过程中，气化操作条件决定了无法向地下煤层下入油管柱及相应的腐蚀测试筒。
[0007] 在煤炭地下气化的生产之前，已经通过套管外返
水泥浆的方式将钻井套管与
地层密封在一起，无法活动，目的在于保证在气化的过程中不漏气、窜气，在地下煤气被点燃以前，短时间内(1个月内)地下环境对钻井套管的腐蚀非常不明显，几乎可以忽略。一旦煤层被点燃，地下的高温高压环境、流体的连续流动以及腐蚀性/有害气体的存在使得任何设备再进入钻井都很困难。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种能够适用于煤炭地下气化生产井内的高温高压腐蚀气化环境的井下腐蚀取样设备及方法。
[0009] 为了达到上述目的，本发明提供一种在煤炭地下气化生产井中使用的井下腐蚀取样设备，所述井下腐蚀取样设备包括两端开口的中空管柱、设置在所述管柱上并且用于悬挂待测试样的试样悬挂部和用于将所述管柱下放到井内的提梁，其中所述井下腐蚀取样设备由能够在井下环境中耐受煤气腐蚀的材料制成。
[0010] 根据本发明的井下腐蚀取样设备，所述管柱为陶瓷管，
金属陶瓷管，不锈
钢管，或具有
不锈钢外层、
铁中间层和陶瓷内层的陶瓷
内衬复合管，并且所述试样悬挂部和提梁由陶瓷，金属陶瓷或不锈钢制成。
[0011] 本发明的井下腐蚀取样设备优选还包括被设置在管柱上端的外箍，所述外箍由陶瓷，金属陶瓷或不锈钢制成并且具有比管柱外径更大的外径和不小于管柱内径的内径，并且所述提梁被设置在所述外箍上。
[0012] 根据本发明的井下腐蚀取样设备，所述试样悬挂部为开孔、
焊接圆环、提
耳、或挂钩。
[0013] 根据本发明的井下腐蚀取样设备，所述井下环境是具有0.1MPa至2MPa的气化压力和200℃至1200℃的气化温度的煤炭地下气化环境。
[0014] 本发明还提供一种在煤炭地下气化生产井中使用的井下腐蚀取样方法，所述方法包括：
[0015] 使用
石棉绳或玻璃
纤维绳将待测试样悬挂到上述本发明的井下腐蚀取样设备的试样悬挂部上；
[0016] 通过使用以防止井内煤气外泄的密封方式安装在井口段内的升降装置，将携带待测试样的井下腐蚀取样设备从井口段下放到生产井内；
[0017] 将待测试样在生产井中静置，以使井内煤气与待测试样充分地
接触；然后[0018] 使用升降装置将井下腐蚀取样设备从生产井中取出，以获得用于腐蚀性分析的试样。
[0019] 根据本发明所述的方法，在生产井具有直径缩小的变径段的情况下，将井下腐蚀取样设备下放到生产井的直径缩小位置，之后使升降装置的挂钩与井下腐蚀取样设备脱离并且收回升降装置的缆绳和挂钩。
[0020] 根据本发明的方法还包括：在煤气流动方向上，在井口段内的升降装置两侧管路上设置第一
阀门和第二阀门，从升降装置和第二阀门之间的井口段引出煤气主管线，在煤气主管线上设置第三阀门，在第一阀门上游和第三阀门下游之间设置旁通支管，并且在旁通支管上设置第四阀门，使得在将井下腐蚀取样设备下放到生产井内之前，通过关闭第一阀门和第三阀门并且打开第四阀门，使井内煤气沿着旁通支管流动，而在将井下腐蚀取样设备下放到生产井内时，通过打开第一阀门和第三阀门并且关闭第二阀门，使井内煤气沿着煤气主管线和旁通支管流动。
[0021] 本发明公开的设备结构简单、操作方便，能够适用于煤炭地下气化生产井内的高温高压腐蚀气化环境，从而为煤炭地下气化选择合适的管材用于固井套管提供技术依据，这对于延长钻井的使用寿命具有重要意义。本发明还可以应用于其他需要经受一定温度、压力的腐蚀性流体环境下的地下腐蚀取样测试和评价，例如用于测试煤炭地下气化燃空区环境的腐蚀性能。
附图说明
[0022] 图1是显示根据本发明的井下腐蚀取样设备的图。
[0023] 图2显示了根据本发明的腐蚀取样设备下井示意图，以说明在不影响钻井产气的情况下下放并且取出腐蚀取样设备。
[0024] 图3是在固井套管具有直径缩小的变径段的情况下根据本发明的腐蚀取样设备在井下应用的局部剖视图。
具体实施方式
[0025] 本发明所述的井下腐蚀取样设备，其设计造型如图1所示，其主要特征在于一段两端开口的耐高温、耐腐蚀的中空管柱1，由特定材质例如陶瓷管、金属陶瓷管、陶瓷内衬复合管和不锈钢管(例如316L不锈钢管)等制成。陶瓷内衬复合管由陶瓷内层(优选为刚玉)、铁中间层、钢外层构成，采用已知的自蔓延高温合成法制造。其它材料也可以通过已知的方法制造。在中空管柱1的上端设计有提梁2和外箍3，在中空管柱1的下端或管壁上开孔、焊接圆环、固定提耳或设计挂钩作为试样悬挂部4，提梁2、外箍3和试样悬挂部4的材质可以相同或不同，均可以为陶瓷、金属陶瓷或不锈钢(例如316L不锈钢)。所述陶瓷材料可以是刚玉陶瓷(氧化
铝)、或者是
硅化物陶瓷等，而金属陶瓷是金属和陶瓷的
复合材料，例如以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成的耐高温、抗腐蚀材料。上述这些管材和材料能够在井下环境中耐受煤气腐蚀，能够在距离地表100～2000m、气化温度200～1200℃、气化压力0.1～2MPa的煤炭地下气化环境条件下，承受含-
有煤灰、焦油、水蒸汽、H2、CO、CO2、CH4、H2S、Cl、NH3的粗煤气的冲刷腐蚀作用。
[0026] 当取样设备各组件或部分组件为陶瓷材料制品时，可以采用整体成型制成；当取样设备各组件或部分组件为不锈钢材料制品时，可以采用整体成型、焊接、固定等方法组合在一起；当中空管柱为陶瓷内衬复合管时，其他组件优选316L不锈钢材质，通过焊接或固定的方法组合在一起。
[0027] 腐蚀测试样与取样设备之间通过耐高温、耐腐蚀的绝缘线如石棉绳和玻璃纤维绳连接，防止腐蚀测试样与试样悬挂部4之间构成
电池，相互腐蚀。管柱1两端开口是为了在使用过程中，尽量减小对钻井中气流的阻碍；提梁2的形式可以是一字形(参见图1)、倒V形(参见图3)、倒U形等等，目的在于方便挂钩提、吊。外箍3不是必需的组成部分，当井下腐蚀取样设备没有外箍3，而且固井套管下端没有设计直径缩小段时，井下腐蚀取样设备下放到井下预
定位置后仍需要升降装置吊着，直至腐蚀测试过程结束，将井下腐蚀取样设备提出钻井；当井下腐蚀取样设备设计有外箍3，且固井套管下端设计了直径缩小段时，利用升降装置将井下腐蚀取样设备下放到钻井套管底部与直径缩小段对接以后，升降装置的缆绳和挂钩就可以与井下腐蚀取样设备脱钩并收回，完成腐蚀测试过程后，再下入升降装置的缆绳和挂钩将井下腐蚀取样设备提出钻井，这样可以避免地下腐蚀环境损坏升降装置的缆绳与挂钩。
[0028] 为了在不影响钻井产气的情况下完成腐蚀测试取样，对地面井口管路设计支路及阀门，如图2所示，在井口段12密封升降装置7的两侧管路上设置第一阀门6和第二阀门8，实线箭头方向为煤气流动主通道管线11(去煤气
净化单元)，并在煤气主通道上设置第三阀门9，在阀门6的上游以及阀门9的下游设计旁通支管10，并且在旁通支管10(虚线所示的管道)内上内设置第四阀门5。接着，将详细描述在腐蚀测试装置下放前后对阀门的操作。在腐蚀测试装置下放之前，关闭第一阀门6和第三阀门9，开启第四阀门5，则钻井出来的气流沿虚线箭头指向流动，此时，对第二阀门8、升降装置7以及腐蚀测试装置的任何操作都不会影响钻井产气，升降装置7是缆绳缠绕盘或转动辘轳，在组装时将其与钻井套管密封在一起以防止煤气向套管外
泄漏，将携带有待测试样的腐蚀取样设备连接在升降装置的缆绳挂钩上，关闭第二阀门8，打开第三阀门9和第一阀门6，钻井的产气将沿虚、实箭头指向流动，转动升降设备7将腐蚀取样设备下入生产井预定位置，开始试样的腐蚀测试过程。一段时间后，通过升降装置7将腐蚀取样设备提起，关闭第一阀门6和第三阀门9，打开第二阀门8取出设备上的腐蚀测试样，进行腐蚀性分析。整个过程就不会影响到钻井生产的正常运行了。
[0029] 第一实施方案
[0030] 首先，在井下腐蚀取样设备的试样悬挂部4用耐高温、耐腐蚀、绝缘的玻璃纤维绳#固定(绑缚)一些标准的腐蚀测试样(材质包括
铸铁、A3
碳钢、20
碳钢、N80钢、不锈钢、渗铝钢等)。
[0031] 然后，
选定需要考察煤炭地下气化生产井下的腐蚀情况的一口井，设计图2所示系统，组装好升降装置7，关闭第一阀门6和第三阀门9，打开第四阀门5，气流开始沿虚线箭头所示方向流动，打开第二阀门8，可以控制升降装置7的转动，将携带有腐蚀测试样的腐蚀取样设备挂在升降装置7的缆绳挂钩上，关闭第二阀门8，打开第一阀门6和第三阀门9，此时钻井出气的流向沿虚、实两种箭头所指方向前进，此时的情形如图2所示。转动升降装置7，将腐蚀取样设备缓慢地下放到生产井预定位置。
[0032] 最后，在升降装置7的缆绳吊着下，井下腐蚀取样设备在生产井的高温、高压、
多相流冲刷的腐蚀性环境中静置7天。之后，转动升降装置7提出井下腐蚀取样设备至第一阀门6之上后，关闭第一阀门6和第三阀门9，打开第二阀门8取出井下腐蚀取样设备，得到不同管材在煤炭地下气化环境中的腐蚀样品。然后，在实验室里进行
X射线衍射、能谱分析、扫描电镜、失重率等常规分析，以分析各腐蚀测试样的腐蚀程度，从而为遴选煤炭地下气化适用的耐腐蚀套管材质提供依据。
[0033] 第二实施方案
[0034] 针对固井套管下端有直径缩小的变径段，以及腐蚀取样设备有外箍(外箍的外直径大于两端开口中空管柱的外直径，外箍的内径等于管柱的外直径)的情况进行描述。首先，在带有外箍的井下腐蚀取样设备的试样悬挂部4用耐高温、耐腐蚀、绝缘的石棉绳固定(绑缚)一些标准的腐蚀测试样(材质包括铸铁、A3碳钢、20#碳钢、N80钢、不锈钢、渗铝钢等)。
[0035] 然后，选定需要考察煤炭地下气化生产井下的腐蚀情况的一口井，设计图2所示系统，组装好升降装置7，关闭第一阀门6和第三阀门9，打开第四阀门5，气流开始沿虚线箭头所示方向流动，打开第二阀门8，可以控制升降装置7的转动，将携带有腐蚀测试样的腐蚀取样设备挂在升降装置7的缆绳挂钩上，关闭第二阀门8，打开第一阀门6和第三阀门9，此时钻井出气的流向沿虚、实两种箭头所指方向前进，此时的情形如图2所示。转动升降装置7，将腐蚀取样设备缓慢地下放到钻井底部与钻井套管下端的直径缩小段对接在一起，如图3所示，图中14和13分别为固井套管壁和下端直径缩小段的剖视图，将升降装置的挂钩与井下腐蚀取样设备脱离，收回缆绳和挂钩，关闭第一阀门6和第三阀门9，避免粗煤气腐蚀升降装置，取样设备在套管变径段的支持下可以悬在生产井的多相流中。
[0036] 最后，在套管变径段的支持下，井下腐蚀取样设备在生产井的高温、高压、多相流冲刷的腐蚀性环境中静置7天。之后，打开第一阀门6和第三阀门9，转动升降装置7下入缆绳和挂钩，挂在腐蚀取样设备的提梁2上，提出井下腐蚀取样设备至第一阀门6之上后，关闭第一阀门6和第三阀门9，打开第二阀门8取出井下腐蚀取样设备，得到不同管材在煤炭地下气化环境中的腐蚀样品。然后，在实验室里进行X射线衍射、能谱分析、扫描电镜、失重率等常规分析，以分析各腐蚀测试样的腐蚀程度，为遴选煤炭地下气化适用的耐腐蚀套管材质提供依据。
[0037] 虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施方案旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
[0038] 虽然本发明总体构思的一些实施方案已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施方案做出改变，本发明的范围以
权利要求和它们的等同物限定。
