(57)【要約】  自己加圧フローセル内で水性ガス流を製造および試験するための方法の実施形態が開示される。水性ガス流は、インラインで混合され、自己加圧フローセルに導入されてガス水溶液を製造する塩前駆体水溶液と酸前駆体水溶液との混合物を含む。自己加圧フローセルに入ると、混合された塩前駆体水溶液および酸前駆体水溶液から形成された前駆体混合物が、サンプルと反応し得る。サンプルおよび反応した水溶液の両方は、種々のリアルタイム試験、そのような電気化学的試験およびインライン特性評価技術に供され得る。これらの実施形態は、製造された様々な有毒な水性ガス流を取り扱いおよび試験するときの安全性を高めながら、塩前駆体水溶液および酸前駆体水溶液の濃度を正確かつ精密に維持することを可能にする。
2021533361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性流中に溶存ガスを含むガス水溶液を生成するための方法であって、
インライン混合位置で酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液とを混合して、液体前駆体混合物を製造することであって、前記酸前駆体水溶液および前記塩前駆体水溶液の両方が、前記インライン混合位置の上流の個々の入口ポンプを通して加圧下で供給される、製造することと、
前記インライン混合位置の下流の自己加圧フローセルの入口管を通して加圧下で、前記液体前駆体混合物を導入することであって、前記入口管が、自己加圧フローセル内の圧力を維持するためにシーリング機構によって囲まれている、導入することと、
前記酸前駆体水溶液および前記塩前駆体水溶液を反応させ、前記ガス水溶液を生成し、前記自己加圧フローセル中で製造時の溶存ガスの量に相関する圧力レベルを生じることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記ガス水溶液が、前記自己加圧フローセル内でリアルタイム試験を受ける、請求項１に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項３】
前記リアルタイム試験が、電気化学的測定、ｐＨ測定、紫外可視（ＵＶ−ＶＩＳ）分光法、重量損失、腐食試験、またはそれらの組み合わせを含む、請求項２に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項４】
前記ガス水溶液が、サンプルと反応し、それによって反応した水性ガス流を製造する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項５】
前記サンプルが、導電性材料を含む、請求項４に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項６】
前記導電性材料が、鋼、銅、アルミニウム、白金、金、銀、鉄、真ちゅう、青銅、合金、またはそれらの組み合わせを含む、請求項５に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項７】
前記水性ガス流が、前記サンプルと反応し、前記自己加圧フローセルから出口管を通って移送されると、前記反応した水性ガス流が、光学分光法または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）原子発光分光法またはフーリエ変換赤外分光法、減衰全反射赤外分光法を含む試験を受ける、請求項４に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項８】
前記反応した水性ガス流が、前記自己加圧フローセルから出口管を通って移送される、請求項７に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項９】
前記反応したガス流が、塩基性溶液によってさらにバブリングされる、請求項８に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１０】
前記出口管が、前記自己加圧フローセルの減圧を防止する圧力調整装置をさらに備える、請求項７に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１１】
前記圧力調整装置が、出口ポンプ、背圧調整器、またはそれらの組み合わせを備える、請求項１０に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１２】
前記酸前駆体溶液が、硫酸、ヨウ化水素、臭化水素、過塩素酸、塩化水素、塩素酸、硝酸、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１３】
前記酸前駆体水溶液が、５μＭ〜１０Ｍの濃度を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１４】
前記塩前駆体水溶液が、硫化ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、およびそれらの組み合わせを含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【請求項１５】
前記塩前駆体水溶液が、５μＭ〜１０Ｍの濃度を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のガス水溶液を生成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１８年７月３１日に出願された米国特許出願第１６／０５０，２４５号の利益を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は、一般に、水性液体流中の溶存ガスを生成および試験する方法に関し、より具体的には、溶存水性ガスを生成するための圧力封じ込め下のインライン混合位置で酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液とを混合し、水性混合物を自己加圧フローセルに導入し、次いで研究中の材料を自己加圧フローセル内の水性ガス流に曝露することに関する。
【背景技術】
【０００３】
石油およびガス業界は、二酸化炭素（ＣＯ２）および硫化水素（Ｈ２Ｓ）などの溶存ガスの影響に苦しんでおり、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、またはそれらの混合物を含有する液体およびガスが輸送される場合、パイプラインの劣化および腐食につながる。結果として、異なる条件におけるこの機構のより深い理解が改善されたパイプラインの整備を可能にするため、ＣＯ２およびＨ２Ｓの腐食機構を理解することは、パイプラインの保存のために重要である。溶存水性ガスを試験するとき、特にこれらの材料も毒性があるときに溶存水性ガスの濃度を選択し、制御し、正確かつ精密に維持することは有益である。単一ガスおよび混合ガスの濃度は、材料に異なる影響を与える可能性があり、他の溶存種の濃度に影響を与えずに１つを変化させることは、他の方法では困難な可能性があるため、溶存水性ガスがサンプルとどのように相互作用するかを分析するとき、濃度の安定性は、特に重要である。さらに、一部の溶存水性ガスは、環境および人体への曝露を制限できるように安全に取り扱う必要がある。しかしながら、溶存水性ガスを製造する現在の方法は、溶存水性ガスの所望の濃度を維持し、同時にリアルタイムの電気化学的測定を可能にしながら、腐食性および有毒ガス種の大気曝露を制限することの両方を困難にする。
【発明の概要】
【０００４】
したがって、溶存水性ガスの濃度が維持され、同時にガス原料を必要とせずに有毒ガス種の大気曝露も制限する溶存水性ガスを製造および試験する方法に対する継続的な必要性が存在する。溶存水性ガスを製造するための現在の方法は、これらのニーズを満たし、職業上および環境上の安全性の問題を最小限に抑えながら、溶存水性ガス種の濃度を維持することにおいて著しい改善を示す。溶存水性ガス種の濃度を制御することは、この種が最初は危険性の低い塩前駆体水溶液を使用して生成され、その後完全に格納された装置の内側で中和されるため、Ｈ２Ｓなどの有毒な溶存水性ガス種を取り扱うためのより安全な方法が提供される。溶存水性ガス種の制御された濃度は、溶存ガス種のうちの１つ以上の存在下でサンプルを分析し得るより安定した試験条件をさらに提供する。
【０００５】
本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、水性ガス流を生成するための方法が提供される。この方法は、酸前駆体水溶液および塩前駆体水溶液を調製することを含む。酸前駆体水溶液および塩前駆体水溶液は、インライン混合位置の上流にある個々の入口ポンプを通して供給される。酸前駆体水溶液および塩前駆体水溶液をインライン混合位置で組み合わせて、前駆体混合物を作成し、次いでこれを入口管を通してインライン混合位置の下流の自己加圧フローセルに導入する。２つの前駆体混合物の組み合わせは、水性ガスを形成するための反応をもたらす。入口管は、自己加圧フローセル内の圧力を維持するシーリング機構に囲まれる。前駆体混合物が自己加圧フローセルに導入されると、水性ガス流は、自己加圧フローセル内で製造される溶存ガスの量に相関する圧力レベルを生じる。最後に、水性ガス流は、自己加圧フローセルから出口管を通って移送される。出口管中の圧力は、自己加圧フローセルの減圧を防止する隣接する圧力調整器によって維持される。
【０００６】
酸前駆体水溶液は、硫酸、ヨウ化水素、臭化水素、過塩素酸、塩化水素、塩素酸、硝酸、およびそれらの組み合わせを含む任意の強酸を含み得る。塩前駆体水溶液は、硫化ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、およびそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の塩を含み得る。酸前駆体水溶液および塩前駆体水溶液の両方は、０Ｍ〜飽和条件の範囲、好ましくは５μＭ〜１０Ｍ、または１００μＭ〜１００ｍＭの濃度を有し得る。
【０００７】
加えて、他の実施形態によれば、水性ガス流は、自己加圧フローセルの内外でリアルタイムに発生し得るインライン流出物の特性評価にさらに供される。これらおよび他の実施形態は、以下の詳細な説明においてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと最もよく理解することができる。
【０００９】
【図１】自己加圧フローセルの一実施形態を示す図である。
【図２】シーリング機構の一実施形態を示す上面図である。
【図３】シーリング機構の一実施形態の断面図である。
【図４】シーリング機構の別の実施形態を示す上面図である。
【図５】シーリング機構の別の実施形態の断面図である。
【図６】電気化学セルベースの実施形態の上面図である。
【図７】電気化学セルベースの実施形態の断面図である。
【図８】自己加圧フローセルの別の実施形態を示す図である。
【図９】自己加圧フローセル内で２４時間の実験期間にわたって、様々な制御されたＣＯ２濃度に曝露された鋼の電気化学的データを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願の特定の実施形態をここで説明する。しかしながら、本開示は、異なる形態で具体化されてもよく、本開示に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。
【００１１】
いくつかの実施形態では、「水性ガス」は、液体などの物理的溶液中に存在する任意のガスとして定義され得る。水性ガスは、自然に発生し、地下層からの石油の生産に使用される水中に見出すことができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、「自己加圧フローセル」は、様々な前駆体混合物を受容するのに適した気密の完全に自己完結型の装置として定義され得る。さらなる実施形態では、自己加圧フローセルは、電気化学的試験が自己加圧条件で実施される電気化学セルであり得る。自己加圧フローセルは、シリカ、ホウケイ酸、石英ガラス、または他の市販のガラスなどのガラスから構成され得る。さらに、自己加圧フローセルは、エラストマー、ゴム、ポリアミド、一般的に使用されるポリマー、または他の市販のプラスチックなどのプラスチックから構成され得る。自己加圧フローセルは、３Ｄプリンタで印刷されるプラスチック部品でも構成され得る。
【００１３】
ここで、自己加圧フローセル１６内でガス水溶液１９を製造するために使用される装置２の一実施形態を示す図１を参照する。この方法は、インライン混合位置１２で、酸前駆体源４からの酸前駆体水溶液５と、塩前駆体源６からの塩前駆体水溶液７とを混合することを含む。酸前駆体水溶液５は、水中の酸によって放出することができるすべてのプロトンが、酸と水との間で分配されることなく放出されるように、−１．７４以下のｐＫａを有する強酸から構成され得る。これらの酸には、硫酸、ヨウ化水素、臭化水素、過塩素酸、塩化水素、塩素酸、硝酸、およびそれらの組み合わせが含まれ得る。自己加圧フローセル１６内で所望の条件に応じて、弱酸の使用も可能であり得る。
【００１４】
塩前駆体水溶液７は、硫化ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、およびそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない任意の塩から構成され得る。酸前駆体水溶液５は、インライン混合位置１２の上流にある酸水性入口ポンプ８を通して供給される。同様に、塩前駆体水溶液７は、インライン混合位置１２の上流にもある水性塩入口ポンプ１０を通して供給される。入口ポンプ（８および１０）は、０．００１ｍＬ／分刻みで０．００１〜１００ｍＬ／分の流量が可能である。入口ポンプ（８および１０）のさらなる流量は、０．００１〜７５ｍＬ／分、０．００１〜５０ｍＬ／分、０．００１〜２５ｍＬ／分、０．００１〜１０ｍＬ／分、０．００２〜１０ｍＬ／分、０．００３〜１０ｍＬ／分、０．００４〜１０ｍＬ／分、０．００５〜１０ｍＬ／分、０．０１〜１０ｍＬ／分、０．０２５〜１０ｍＬ／分、０．０５〜１０ｍＬ／分、０．０７５〜１０ｍＬ／分、０．１〜１０ｍＬ／分、０．２５〜１０ｍＬ／分、０．５〜１０ｍＬ／分、０．７５〜１０ｍＬ／分、１〜１０ｍＬ／分、２〜１０ｍＬ／分、３〜１０ｍＬ／分、４〜１０ｍＬ／分、５〜１０ｍＬ／分、５〜９ｍＬ／分、５〜８ｍＬ／分、および５〜７ｍＬ／分の範囲であり得る。
【００１５】
入口ポンプ（８および１０）は、０〜４００バールの吐出圧力を提供することができる。入口ポンプ（８および１０）のさらなる吐出圧力は、０〜３５０バール、０〜３００バール、０〜２５０バール、０〜２００バール、０〜１５０バール、０〜１００バール、１〜１００バール、１〜７５バール、１〜５０バール、１〜２５バール、５〜７５バール、５〜５０バール、５〜２５バール、および１０〜２５バールの範囲であり得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、酸前駆体水溶液５と塩前駆体水溶液７との体積比は、１：１である。酸前駆体水溶液５と塩前駆体水溶液７との間のさらなる体積比は、１：１０，０００、１：７，５００、１：５，０００、１：２，５００、１：１，０００、１：７５０、１：５００、１：２５０、１１：１００、１：５０、１：２０、１：１０、１：５、１：４、１：３、および１：２、または１０，０００：１、７，５００：１、５，０００：１、２，５００：１、１，０００：１、７５０：１、５００：１、２５０：１、１００：１、５０：１、２０：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、および２：１の範囲であり得る。
【００１７】
酸前駆体水溶液５および塩前駆体水溶液７が、インライン混合位置１２で混合されると、２つの前駆体溶液は、前駆体混合物１３を形成する。次いで、前駆体混合物１３は、入口管１４を通じて、インライン混合位置１２の下流の自己加圧フローセル１６に導入されて、ガス水溶液１９を形成する。入口管１４は、自己加圧フローセル１６内の圧力を維持するシーリング機構１８によって囲まれている。ガスヘッドスペース２１は、自己加圧フローセル１６内に形成されたガス水溶液１９の上に発達する。ガス水溶液１９が自己加圧フローセル１６内で発達すると、ガス水溶液１９は、サンプル４８と反応し得る。次いで、前駆体混合物１３からガスヘッドスペース２１を差し引いたものに加えて、サンプル４８から発生し得る任意の腐食生成物を含有する反応した水性ガス流６２が形成され、出口管２０を介して自己加圧フローセル１６を出る。ガス水溶液１９およびヘッドスペース２１は、自己加圧フローセル１６中で製造される溶存水性ガスの量に相関する圧力レベルを生じる。
【００１８】
自己加圧フローセル１６内の圧力は、周囲圧力（すなわち、１気圧）未満から、周囲圧力での飽和濃度よりも高くなり得る自己加圧フローセル１６の絶対圧力限界までの範囲であり得る。酸前駆体水溶液５は、５μＭ〜１０Ｍの範囲、１００μＭ〜１００ｍＭの範囲、またはそれらの他の任意の好適な中間値の範囲で濃縮され得る。同様に、塩前駆体水溶液７は、５μＭ〜１０Ｍの範囲、１００μＭ〜１００ｍＭの範囲、またはそれらの他の任意の好適な中間値の範囲で濃縮され得る。
【００１９】
ガス水溶液１９がサンプル４８に曝露された後、反応した水性ガス流６２は、出口管２０を通して自己加圧フローセル１６から除去される。出口管２０中の圧力は、自己加圧フローセル１６の減圧を低減する、以下でより詳細に説明される様々な圧力調整器によってさらに制御および維持され得る。
【００２０】
ガス水溶液１９が自己加圧フローセル１６中に存在する間、サンプル４８は、直線偏光抵抗測定、開回路電位測定、および電気化学的インピーダンス分光法、ならびに減量測定を含む、種々のその場電気化学的測定に供され得る。反応した水性ガス流６２は、反応した水性ガス流６２が自己加圧フローセル１６から除去された後に、ｐＨ測定、紫外可視（ＵＶ−ＶＩＳ）分光法、フーリエ変換赤外分光法、減衰全反射赤外分光法、光学分光法、または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）原子発光分光法を含む追加の試験に供され得る。
【００２１】
ここで、図２および３を参照すると、前駆体混合物１３が自己加圧フローセル１６に導入されると、一実施形態によれば、シーリング機構１８は、自己加圧フローセル１６内の圧力を維持する。シーリング機構１８は、外側部分２２および内側部分２４を含み得る。シーリング機構１８の外側部分２２は、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、シリコーンゴム、ネオプレンゴム、純ガムゴム、天然ゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、または他の任意の好適なゴムまたは非ゴム材料から作製されたストッパーを含み得る。シーリング機構１８の内側部分２４は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ロッドなどのプラスチックロッドを含み得る。
【００２２】
外側部分２２は、その中央を通る穴を穴あけすることによって修正され得る。この構成により、内側部分２４をシーリング機構１８の外側部分２２に受容することが可能になる。この実施形態では、内側部分２４は、外側部分２２よりも実質的に頑丈な材料から作製される。シーリング機構１８は、複数のポートをさらに含み得るので、内側部分２４は、外側部分２２が歪むのを防止する。これらのポートは、ポートが内側部分２４よりも展性のある材料から構成される外側部分２２に直接穴あけする場合、外側部分２２を歪ませ、それによってチューブを通る液体の流れを減衰させる場合がある穴あけプロセスによって形成され得る。これらのポートは、入口ポート２６、出口ポート２８、および注入ポート３０を含み得る。前駆体混合物１３が自己加圧フローセル１６に入ることを可能にするために、入口管１４が入口ポート２６に挿入される。同様に、反応した水性ガス流６２が自己加圧フローセル１６を出ることを可能にするために、出口管２０が出口ポート２８に挿入される。
【００２３】
ここで、図８を参照すると、出口管２０は、複数の実施形態を含み得る。一実施形態では、出口管２０は、開いたままにして、高い表面積対体積比を有する管を用いることによって、外部雰囲気に曝露され得る。この表面積対体積比は、出口管２０に沿った圧力降下が、自己加圧フローセル１６の減圧を防止するのに十分に重要であることを保証する。
【００２４】
別の実施形態では、出口管２０は、出口ポンプ５６および／または背圧調整器６０などの１つ以上の圧力調整装置を備え得る。この実施形態では、出口ポンプ５６の速度は、２つの入口ポンプ（８および１０）の速度の合計に設定され得、それにより、一定量のガス水溶液１９が自己加圧フローセル１６内に維持されることを保証する。さらなる実施形態では、出口管２０は、自己加圧フローセル１６内の前駆体混合物１３の維持された流量をさらに保証するために、出口ポンプ５６に加えて背圧調整器６０をさらに備え得る。
【００２５】
出口可変圧力制御装置５６の商業的な例には、Ｓｙｒｒｉｓ  Ｌｔｄ．（登録商標）によるアジア圧力制御装置、Ｓｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）からのＫＢＰ、ＫＦＢ、ＫＣＢ、またはＫＰＢシリーズの調整器、またはＴＥＳＣＯＭ  Ｃｏｒｐ．（登録商標）による５４−２１００もしくは２６−１７００シリーズの制御圧力調整器が含まれ得る。背圧調整器６０の商業的な例には、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（登録商標）によるＡＢＰ３およびＡＢＰ１シリーズの背圧調整器が含まれ得る。
【００２６】
再度図２および図３を参照すると、必要なすべての構成要素がシーリング機構１８の内側部分２４上に配置されたポート（２６、２８、および３０）に挿入された後、シーリング機構１８の上面は、シーラントで被覆され得る。シーラントは、内側部分２４と外側部分２２との間の接合部をシールし、また、内側部分２４と様々なポート（２６、２８、および３０）との間もシールして、圧力が自己加圧フローセル１６内に維持されることを保証し得る。シーラントは、エポキシ、液体セメント、接着剤、または他の任意の好適な材料を含み得る。シーリング機構１８が自己加圧フローセル１６の上部に挿入されると、シーリング機構１８は、自己加圧フローセル１６が、自己加圧フローセル１６に導入された前駆体混合物１３の濃度に従って、適切な圧力に自己加圧することを可能にする。
【００２７】
ここで、自己加圧フローセル１６内の圧力を維持するために使用されるシーリング機構１８の別の実施形態を示す図４および５を参照する。シーリング機構１８のこの実施形態は、様々な電気化学的試験中に使用され得る。シーリング機構１８の上記の詳細な実施形態と同様に、シーリング機構１８のこの実施形態は、入口ポート２６、出口ポート２８、および注入ポート３０を備えた内側部分２４をさらに備える。注入ポート３０は、ある量の酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７を自己加圧フローセル１６に直接注入することを可能にする補助供給管（図８の３６）を受容し得る。補助供給管３６は、注射器（図８の５４）に取り付けられ得、注射器は、指定された量の酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７で満たされ得る。この実施形態は、酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７が、自己加圧フローセル１６に直接注入されているので、酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７が、入口ポンプ（８および１０）が提供するよりも速く自己加圧フローセル１６に導入されることを可能にする。
【００２８】
この実施形態は、自己加圧フローセル１６への追加量の酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７の正確で精密な制御された添加をさらに提供する。シーリング機構１８のこの実施形態は、酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７の導入のための初期時点が重要である、短期間の試験または実験中に特に望ましい。注入ポート３０は、注入ポート３０が自己加圧フローセル１６のシーリング機構１８に影響を及ぼさないことを保証するために、逆流防止弁（図８の５８）をさらに含み得る。以下に説明するように、注入ポート３０を介した注入の量は、酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７の所望の濃度を達成し、かつ電気化学回路が完成し得る体積まで自己加圧フローセル１６を満たすのに十分であるように調節され得る。
【００２９】
いくつかの実施形態では、塩前駆体７は、自己加圧フローセル１６がシールされる前に、総体積の大部分（すなわち、約９９％）として自己加圧フローセル１６に導入される。次いで、自己加圧フローセル１６がシールされ、濃縮酸前駆体溶液５が自己加圧フローセル１６に注入される。このプロセスは、自己加圧フローセル１６の内圧が人為的に膨張しないことを保証するのに役立つ。
【００３０】
他の実施形態では、図１、４、および５のシーリング機構１８は、自己加圧フローセル１６内の電気化学的試験を容易にする複数の追加のポートを含み得る。入口ポート２６、出口ポート２８、および注入ポート３０に加えて、このシーリング機構１８は、対電極ポート３２および参照電極ポート３４をさらに含み得る。電気化学的試験に適したこの実施形態では、対電極３８は、対電極ポート３２に挿入され、参照電極４０は、参照電極ポート３４に挿入される。
【００３１】
ここで、自己加圧フローセル１６内での電気化学的試験を可能にする作用電極支持体４２を示す図１、６、および７を参照する。作用電極支持体４２は、コネクタ４４から構成される。コネクタ４４は、サンプル４８と同じ材料から作製され得、その腐食特性は、自己加圧フローセル１６内で試験される。さらに、コネクタ４４は、平板、はんだ接合部、ワイヤ、およびそれらの組み合わせとしてサンプル４８に接続することができる任意の導電性材料または導電性材料の組み合わせから作製され得る。サンプル４８の例には、鋼、銅、アルミニウム、白金、金、銀、鉄、真ちゅう、青銅、合金、およびそれらの組み合わせなどの任意の導電性材料が含まれ得る。コネクタ４４は、サンプル４８とポテンシオスタットとの間の接続を提供するために使用される。この実施形態では、サンプル４８は、自己加圧フローセル１６内で行われる電気化学的試験によって定義される分極に応じて、アノードまたはカソードのいずれかとして作用する。例えば、電流は、サンプル４８、ガス水溶液１９、および対極３８の間を流れ得る。水性酸前駆体５および水性塩前駆体７は、前駆体混合物１３として自己加圧フローセル１６に導入され、次いで、電解質として機能するガス水溶液１９を形成する。次いで、電気化学反応は、サンプル４８とガス水溶液１９との間、およびガス水溶液１９と対電極３８との間の界面で起こる。
【００３２】
電気化学的試験の準備をするために、サンプル４８は、サンプル４８の既知の表面積の単一の平坦な表面のみが、自己加圧フローセル１６の条件に曝露されるように、エポキシ型などの非導電性型４６に鋳造され得る。一実施形態では、カバー５０は、サンプル４８の露出面に取り付けられている。カバー５０は、自己加圧フローセル１６に曝露されるサンプル４８の表面積の量をさらに規定する。この追加は、サンプル４８にある程度の実験間制御を追加し、ガス水溶液１９とサンプル４８のコーナーまたはエッジとの間の相互作用をさらに不可能にする。いくつかの実施形態では、カバー５０は、サンプル４８の露出表面積の量を規定することができるＯリングまたは別の好適な材料を含む。
【００３３】
作用電極支持体４２は、サンプル４８の再現可能な配向を可能にする複数の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）スタッド５２および実験的試験が実施される前後のマッピングのための再現可能なサンプル整列を可能にする作用電極支持体４２をさらに備え得る。
【００３４】
電気化学的試験に加えて、図１の自己加圧フローセル１６は、さらなる特性評価試験で使用するために修正され得る。そのような特性評価の１つは、サンプル４８の重量変化を監視する能力を含む。この実施形態では、前駆体混合物１３が導入される前に、精密なスケールが自己加圧フローセル１６の下に置かれる。前駆体混合物１３がサンプル４８に導入されると、実験期間の間自己加圧フローセル１６の重量が記録される。
【００３５】
さらに、自己加圧フローセル１６で製造された反応した水性ガス流６２は、それが出口管２０を介して自己加圧フローセル１６を出ると、インライン流出物分析に供され得る。インライン流出物分析は、サンプル４８の腐食生成物を特性評価するなどのために、イオン濃度を決定するために使用され得る。このタイプの特性評価のための可能な手法には、光学分光法、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）原子発光分光法、ｐＨ測定、ＵＶ−ＶＩＳ分光法、フーリエ変換赤外分光法、減衰全反射赤外分光法、および他の任意の好適な試験手法が含まれる。
【００３６】
ここで、反応した水性ガス流６２を製造するために使用される装置２の別の実施形態を示す図８を参照する。図１の装置２に記載されている構成要素に加えて、追加の構成要素が本明細書に記載されている。具体的には、サンプル４８は、上記のようにエポキシ型４６に埋め込まれるか、または作用電極支持体４２中に自立するかのいずれかでもよい。さらに、補助供給管３６は、注射器５４に取り付けられ得る。注射器５４は、特定の濃度の酸前駆体水溶液５または塩前駆体水溶液７を自己加圧フローセル１６に添加して、正確かつ精密に添加することを可能にする。注射器５４は、注入ポート３０に挿入された補助供給管３６が、自己加圧フローセル１６のシーリング機構１８に影響を及ぼさないことを保証する逆流防止弁５８をさらに備え得る。最後に、圧力調整装置は、出口ポンプ５６、背圧調整器６０、またはそれらの組み合わせから構成され得る。出口ポンプ５６は、自己加圧フローセル１６を通る前駆体混合物１３の流量および自己加圧フローセル１６内の圧力をさらに維持する。
【００３７】
様々な方法の実施形態は、ガス水溶液１９を製造するのに適していると考えられる。上記の図１〜８によるそのような方法の１つは、塩酸性化反応を使用して、特定の量のガス水溶液１９を生成し得る。塩酸性化反応の使用により、自己加圧フローセル１６内で、溶液中のイオン種の濃度などの他のパラメータを依然として維持しながら、ガス濃度のプログラムされた実験間の変動が可能になり、それによって、所与の圧力で飽和に達することのみに依存する以前の方法の制限を克服する。例えば、そのような制限の１つは、混合物に追加の種が添加されたときに別のガス種の飽和に達する際に、あるガス種の濃度が変化し、それによって飽和条件が変化することである。飽和条件の変化は、そのような方法がガスを溶液に溶解するために使用される場合、他の種の濃度を変えずにある種の所望の濃度を達成することを困難にする。
【００３８】
ここで、塩前駆体水溶液７は、酸前駆体水溶液５によって酸性化されて、前駆体混合物１３を製造し、これは、ガス水溶液１９として自己加圧フローセル１６に導入される。これらの方法によって製造されるガス水溶液１９は、様々なガスを含み得、好ましくは、腐食試験に関して特に関心のある２つのガスである二酸化炭素（ＣＯ２）および硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含むであろう。製造される他のガスには、シアン化水素（ＨＣＮ）および一酸化炭素（ＣＯ）が含まれ得る。これらの方法は、塩および酸の前駆体水溶液（５および７）の取り扱いが、ガス自体の取り扱いよりも危険性が低いため、Ｈ２Ｓなどの有毒ガスの製造および試験に特に有用である。さらに、反応した水性ガス流６２は、塩基の溶液によってバブリングされ、自己加圧フローセル１６を出るときに出口管２０を通過した任意の酸または溶存Ｈ２Ｓを中和し得、そのため、Ｈ２Ｓガスが、装置内で生成および中和のいずれもされる。好適な塩基には、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＯＣｌ）が含まれ得る。
【００３９】
したがって、上記の方法は、前駆体混合物１３のその場形成および自己加圧フローセル１６内の反応した水性ガス流６２の中和を提供し、それにより、潜在的に有毒なガスを輸送、貯蔵、および取り扱う必要性を効果的に最小化または完全に排除する。
【実施例】
【００４０】
塩前駆体水溶液および酸前駆体水溶液からＣＯ２を形成する反応を、以下の反応機構１で説明する。
【化１】
2021533361.tif 000003
【００４１】
この実施形態では、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）を塩前駆体水溶液として使用し、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を酸前駆体水溶液として使用して、ＣＯ２、硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ４）、および水を製造した。反応機構１の結果を以下の表１Ａおよび１Ｂに示す。
【表１】
2021533361.tif 000004
【００４２】
表１Ａおよび１Ｂは、３つの別々の実験で製造した水性ＣＯ２の異なる濃度の前駆体および最終溶液濃度を示す。ＣＯ２濃度は、２ｍＭ〜１０ｍＭの範囲であった。これらの実験は、２５℃で総流量２０ｍＬ／分（各前駆体溶液に対して１０ｍＬ／分）で実行した。自己加圧フローセル１６で製造される結果として生じる圧力は、表１Ａおよび１Ｂに詳述される３つの異なる実験的試験の間で変動し、圧力は、水性ガス流を構成するＣＯ２の濃度に関連している。水性ガス流を構成するより多くのＣＯ２の量は、セル内のより高い全圧をもたらした実験におけるより高い濃度のＣＯ２ガスを意味した。
【００４３】
結果は、前駆体溶液中の酸と塩との比を制御することによって、水性ガス濃度を選択し得ることを示している。ここで、酸と塩との体積比は、１：１であった。その結果、水性ガス濃度は、前駆体の溶解限度に応じて、大気中濃度よりも低い濃度から、飽和状態よりも高い、またはさらに高い濃度の範囲であった。Ｈ２ＳＯ４などの酸前駆体水溶液として強酸を使用することにより、酸前駆体水溶液のイオンが、完全に解離して、限定反応物質の濃度で所望の水性ガス流を形成することが保証された（ここでは、限定反応物質は、Ｎａ２ＣＯ３およびＨ２ＳＯ４であった）。上記のように、ＨＣｌなどの他の強酸もまた、酸前駆体水溶液として使用され得、それにより、溶液中に存在する対イオンの化学的同一性に対して柔軟性を提供する。
【００４４】
塩前駆体水溶液および酸前駆体水溶液からＨ２Ｓを形成する反応を、以下の反応機構２で説明する。
【化２】
2021533361.tif 000005
【００４５】
この実施形態では、硫化ナトリウム（Ｎａ２Ｓ）を塩前駆体水溶液として使用し、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を酸前駆体水溶液として使用して、Ｈ２Ｓ、Ｎａ２ＳＯ４、および水を製造した。反応機構２の結果を以下の表２Ａおよび２Ｂに示す。
【表２】
2021533361.tif 000006
【００４６】
表２Ａおよび２Ｂは、３つの別々の実験で製造したＨ２Ｓ水溶液の異なる濃度の前駆体および最終溶液濃度を示す。Ｈ２Ｓ濃度は、２ｍＭ〜１０ｍＭの範囲である。圧力は、表２Ａおよび２Ｂに詳述した３つの異なる実験的試験の間で変動し、圧力は、水性ガス流を構成するＨ２Ｓの濃度に関連している。水性ガス流を構成するより多くのＨ２Ｓの量は、セル内のより高い全圧をもたらした実験におけるより高い濃度のＨ２Ｓガスを意味した。
【００４７】
上記のように、これらの結果は、前駆体溶液中の酸と塩との比を制御することによって、水性ガス濃度を選択し得ることを示している。ここでも、酸と塩との体積比は、再度、１：１であった。したがって、水性ガス濃度は、再度、前駆体溶液の溶解度限界に応じて、大気中濃度よりも低い濃度から、飽和状態よりも高い、またはさらに高い濃度までの範囲になり得る。実験の全圧は、複製しようとした対象の条件次第であった。前の例では、セルが自己加圧型であったため、セルの圧力は、調査対象の水性ガスの濃度によって決定した。
【００４８】
さらなる実験では、追加の塩を塩前駆体水溶液に添加して、実験間の水性ガス濃度における変化に関係なく、自己加圧フローセル中のイオンの濃度が一定のままであるよう保証した。そのような制御は、上の表１Ａ、１Ｂ、２Ａ、および２Ｂに見られ、塩前駆体水溶液へのＮａ２ＳＯ４の添加により、Ｈ２ＳおよびＣＯ２濃度における変化にもかかわらず、最終的なＮａ２ＳＯ４濃度を一定にすることが可能になった。
【００４９】
以下の表３Ａおよび３Ｂは、表１Ａおよび１Ｂと同じＣＯ２濃度を示しているが、油井形成水の存在下でパイプが受ける条件をシミュレートするために、塩前駆体水溶液に追加の塩を添加する。表１Ａおよび１Ｂならびに式１に示されるＮａ２ＣＯ３およびＮａ２ＳＯ４に加えて、表３および３Ｂの塩前駆体水溶液は、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ）、および塩化カリウム（ＫＣｌ）をさらに含む：
【表３】
2021533361.tif 000007
【００５０】
表１Ａ、１Ｂ、２Ａ、および２Ｂに開示される上記の実施例は、酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液との１：１の体積比を利用する方法を組み込んだが、表３Ａおよび３Ｂに開示されるさらなる実施形態は、酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液との他の体積比を示す。実際、水性ガス流の製造を達成するために、酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液との必要な体積比は、必要とされなかった。結果として、他の前駆体水溶液が適切に濃縮され、適切な速度で自己加圧フローセルにポンプ輸送される限り、１つの前駆体水溶液が水性ガス流の体積の大部分を構成した。
【００５１】
酸前駆体水溶液と塩前駆体水溶液との間の体積比におけるこの柔軟性は、ブラインフィールドシミュレーションなどの実験に特に有用であり、溶解度の限界は、水性ガス流の最終溶液量の半分しか含有しない塩前駆体水溶液にすべての塩が溶解するのを防止し得る。そのような場合、塩前駆体水溶液の体積は、塩前駆体水溶液が塩前駆体水溶液よりも適切に濃縮されている限り、酸前駆体水溶液の体積よりもはるかに大きくなり得る。以下の表４Ａおよび４Ｂは、表１Ａおよび１Ｂに示されるのと同じ水性ＣＯ２を製造するときの最終イオン濃度を開示しているが、塩前駆体水溶液の体積は、酸前駆体水溶液の体積の２倍であった。表４Ｂでは、ＣＯ２の濃度が左から右に増加しているが、溶液中の他の種の濃度は、一定に維持される。
【表４】
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【００５２】
水性ガス流を構成するＣＯ２およびＨ２Ｓの様々な濃度で存在する前駆体溶液の化学物質の質量は、以下の表５に示されている：
【表５】
2021533361.tif 000009
【００５３】
水性ガス流を構成するＣＯ２およびＨ２Ｓの様々な濃度のためのイオン種の質量は、以下の表６に示されている。ガス濃度が変動する間、周辺種の濃度は、実験全体で維持されることに留意する。
【表６】
2021533361.tif 000010
【００５４】
上記のように、自己加圧フローセル内の水性ガス流に曝露されたサンプルの腐食試験は、重要である。図９は、自己加圧フローセル内で２４時間の実験期間にわたって、様々な制御されたＣＯ２濃度に曝露された鋼の電気化学的データを示すグラフである。開回路電位の測定値は、サンプルの腐食速度と相関関係がある。したがって、データを外挿し、かつ使用して、サンプルがＣＯ２のような腐食性の水性ガスに曝露されるときのサンプルの腐食挙動についての情報を決定することができる。
【００５５】
添付の特許請求の範囲で定義された開示の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様が好ましくはまたは特に有利であると本明細書で特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことに留意すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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