油氣田投撈式井筒探針腐蝕監測技術的開發及應用

王科林,高淑紅,楊 陽,呼立紅

(1. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,沈陽 110180;2. 中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司,烏魯木齊 830000)

油氣田井筒腐蝕監測的目的是揭示和掌握油田生產系統的腐蝕過程及狀態。目前，井筒腐蝕監測主要采用掛環或者掛片監測[1]，均屬于離線檢測，是一種典型的事后分析方法，無法實時記錄腐蝕的變化過程。目前，腐蝕過程監測普遍采用電感探針、電化學探針等技術，主要應用于地面設備，針對油氣田井筒高溫高壓、空間狹小等工況，尚無有效的在線監測手段。因此，有必要開發一種可以實時在線監控井筒腐蝕狀況的技術，以及時獲取井下腐蝕情況，預知及控制腐蝕風險。

1.1 系統原理

油氣田井筒內環境為多相不連續介質，電感探針監測采用物理方法，對介質有普遍適用的特點[2-3]，其原理是以測量金屬腐蝕損失為基礎，通過測量腐蝕試片腐蝕減薄引起的交流信號改變來計算腐蝕損耗速度，如圖1所示，因此，本工作選擇此方法作為油氣田井筒腐蝕的監測方法。

圖1 電感探針監測的技術原理

1.2 研究要點

井筒探針腐蝕監測系統的開發面臨以下幾個難題：一是油氣田井筒內空間狹小，現有地面系統所有的監測儀器設備都不適用；二是井下為高溫高壓嚴苛工況，對于一些超深油氣田，井下溫度可達140 ℃以上，壓力可達60 MPa。綜上，井筒探針的開發要點如下：

(1) 儀器設備小型化，探針和儀器采用一體化設計，以使整體結構適應井筒的狹小空間(直徑小于40 mm)；

(2) 通過設計電路和選擇高溫元器件，使腐蝕監測系統適用于井下高溫環境(140 ℃)。

(3) 通過適當的結構設計，使得監測系統滿足井下高壓環境(60 MPa)。

(4) 離線存儲方式，系統自帶電池和存儲器，因投撈式應用需要占用一些配套資源，再加上電感探針納米級的高靈敏度特點，一般測量都可以在一個月內完成，考慮到測量周期要求，電池和存儲器容量需滿足至少連續運行6個月，儀器取出后一次性讀出數據。

2 井筒腐蝕監測系統的設計開發

2.1 井筒腐蝕監測系統的結構設計

2.1.1 系統組成

井下腐蝕監測系統(簡稱系統)的主體結構由探針、測量儀、電池組、尾部連接器、配套軟件和其他附件組成。系統需要通過投撈工具，將設備投放至指定深度，儀器自動測量腐蝕減薄深度并存儲，結束后，打撈設備，將存儲的數據轉儲至電腦中，通過專有軟件，對監測期間的數據進行分析，同時，在井下腐蝕監測系統前端放置腐蝕掛片，用于對比分析，如圖2所示。

圖2 井下腐蝕監測設備的結構設計圖

2.1.2 密封結構設計

隨著井下深度的增加，溫度和壓力會發生變化，這增加了密封難度。因此，在密封結構設計上，一是監測儀只留有一個密封口，以減少密封環節，二是同時采用斜面法蘭、端面O圈和靜態活塞共四道密封，如圖3所示。保證4道密封在僅有一道正常發揮作用的情況下即可實現60 MPa壓力下的密封安全。

圖3 井下監測設備密封結構設計圖

2.2 儀器殼體的承壓能力設計

圓筒形壓力容器的設計公式見式(1)

S=P·D/(2·s·F-P)+C

(1)

式中：S為設計壁厚;P為設計壓力；D為容器內徑；s為許用應力，一般用材料屈服強度除以安全系數，安全系數多為1.0～1.2;F為焊縫系數，常規取1，如因焊接問題造成承壓能力減小，則系數降低；C為壁厚余量，用于增加安全系數。

根據電路板尺寸等實際需要，殼體內徑取31 mm，根據井下腐蝕環境或用戶要求選擇殼體材料，如316L、718不銹鋼等。材料不同，其許用應力不同，根據計算得到的殼體厚度也不同。在60 MPa環境中采用718不銹鋼，殼體外徑為40 mm以下。

本工作殼體材料選用316L不銹鋼，許用應力為210 MPa。尾部封堵焊接部位的結構采用螺紋止口式結構。先用螺紋擰緊，之后在坡口部位填料焊接。該結構與完全對焊式的不同，可對殼體起到一定的支撐作用，增加殼體的強度。封堵部分焊縫系數取1，環境壓力取60 MPa，依據式(1)計算得壁厚為5.17 mm，實取6.5 mm。

2.3 井筒腐蝕監測設備的電路設計

井下腐蝕監控設備是在高溫高壓環境中使用的，這對其技術及性能提出了更高的要求，且在器件選擇方面受到了嚴格的限制，因此，需要精簡電路設計，降低功耗，在有限的條件內實現精確測量。電路設計的基本原理框圖見圖4，其實現措施如下：

圖4 電路測量原理示意圖

① 激勵信號采用直流電流。交流激勵信號由直流信號調試獲得，通過功率器件信號變壓器施加到串聯試片兩端，直流電流通過場效應管開關控制電流的通斷，場效應管的使用溫度為-55～155 ℃。

② 采用儀表放大器INA333-HT作為差分輸入一級放大，INA333-HT是高溫低功耗精密儀表放大器，是井下及鉆井檢測的專用芯片，使用溫度為-55～210 ℃。

③ 采用精密、零漂移運算放大器OPA2333-HT作為二級放大電路。

④ 模數轉換芯片采用井下測量專用器件。該器件是8通道4路差分，精度高、寬動態范圍，支持極端環境(-55 ℃/210 ℃)中的應用。

⑤ 數據采集存儲單元采用EEPROM存儲器25LC640A,該器件具有8K存儲空間，服役溫度為-40～150 ℃，掉電數據可保存10 a。

⑥ 系統核心控制單元微處理器采用ATmega168， CPU溫度為-40～150 ℃，具有一路UART串行通訊端口，能夠滿足設計的基本要求。

3 井筒腐蝕監測設備性能測試

3.1 耐壓性

為了測試系統的耐壓性能，采用水壓試驗的方法(水溫為18 ℃)，在70 MPa條件下測試了3次，保壓時間均為2 h，結果表明，殼體和探針試片外觀無肉眼可見變形，殼體密封完好、無泄漏。說明設計的井下腐蝕監測系統可滿足70 MPa使用要求，實現了耐壓60 MPa的設計目標。

3.2 耐溫性

針對井下高溫情況，對井下腐蝕監測系統進行耐溫試驗，采用高溫試驗箱，在150 ℃條件下保溫30 d，驗證其耐溫性。由圖5可見：井下腐蝕監測系統測試的腐蝕損耗值為-104 000 ～-106 000 nm，測量值穩定，說明井下腐蝕監測系統在150 ℃環境中是可以穩定使用的，能夠滿足井下140 ℃的使用條件。

圖5 腐蝕監測系統的耐溫測試結果

3.3 數據準確性

在動態模擬井下腐蝕環境中,利用探針檢測數據與掛片試驗數據進行對比，來驗證井下腐蝕監測系統采集數據的準確性。試驗探針與掛片均為P110鋼，試驗條件及測試結果如表1所示。

由表1可見：探針和腐蝕掛片測得的腐蝕速率相對誤差均在6%以內，說明探系統測得數據是準確可靠的。

表1 數據準確性測試結果

4 現場應用評價

4.1 現場應用試驗方法

井下腐蝕監測系統在塔河油田TH12251井進行了現場應用。該井于2012年3月19日完鉆，完鉆井深6 333 m，硫化氫體積濃度為14 486.64 mg/m3。試驗方法主要是利用下井鋼絲繩，將井下腐蝕監測系統投放至指定深度，同時井下腐蝕監測系統前端放置掛片，用作對比分析。井下腐蝕監測系統下井深度為4 000 m，下井期間同時測試溫度、壓力。試驗周期為2017年8月6日至2017年8月22日。

4.2 現場應用試驗結果

井下4 000 m處的測試溫度約為110 ℃，壓力為43.7 MPa，試驗周期內探針的監測數據如圖6所示。可以看出，探針的腐蝕損耗為2 242 nm，區間腐蝕速率為0.063 7 mm/a。

圖7 探針的腐蝕損耗曲線

由表2可見：掛片法測得的平均腐蝕速率為0.058 4 mm/a，探針測得的結果與掛片法結果的相對誤差為8.32%，即兩種方法具有較好的一致性，說明監測數據準確可靠。通過井下腐蝕監測系統的應用，可連續監測腐蝕過程的變化，實現井下腐蝕狀況的實時監測。

表2 探針與掛片測試對比結果

5 結論

采用電感探針監測技術，開發了能夠適應井下高溫高壓油氣環境的在線腐蝕監測系統，其現場應用結果表明，與掛片法結果相比，兩者的相對誤差僅為8.32%，監測系統所得數據是準確可靠的，同時也滿足了井下140 ℃和70 MPa的高溫高壓環境使用需求。