井下陰極保護和在線腐蝕監測技術研究應用

高寶元，王奕儒

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018；3. 長慶油田蘇里格南作業分公司 作業一區，陜西 西安 710018)

油水井管柱井下腐蝕損傷將嚴重降低管柱的結構強度、承受能力和可靠性，縮短管柱的使用壽命，增大運行風險，影響油水井安全。油水井管柱井下腐蝕以外壁腐蝕為主，陰極保護是目前控制外壁腐蝕行之有效的技術，合理的陰極保護設計將有效地延長油水井管柱井下使用壽命[1]。陰極保護是較為經濟合理、有效的防腐技術措施，具有保護能力強、施工簡便、投資較少、保護效果好的特點[2]。目前陰極保護設備都放在地面上，距離保護油水井井下管柱遠，占地面積大，且較重；需建專門的配電房，成本高，運行效率低，不能實時監測油水井井下管柱腐蝕情況。常規的陰極保護已經不能滿足現場需求[3]。

1 陰極保護和在線腐蝕監測裝置構成

油水井管柱陰極保護和腐蝕在線監測裝置構成如圖1所示，其特征如下：井下陰極保護模塊連接在管柱內，用于給油水井管柱提供陰極保護電流；井下腐蝕在線檢測模塊連接在管柱外，用于在線監測管柱腐蝕速率；地面陰極保護監測和在線腐蝕監測模塊與井下陰極保護模塊、井下在線腐蝕檢測模塊電信號連接[4]。

圖1 陰極保護和在線腐蝕監測裝置構成示意

1)地面陰極保護模塊。包括：交流供電電源單元、直流供電電源單元、可充電電池單元、可調電壓單元、陰極保護電壓監測單元和陰極保護電流監測單元。其中，交流供電電源單元、直流供電電源單元、可調直流電壓單元和可充電電池單元，彼此之間采用電連接。可充電電池單元負極和油水井井下管柱連接，陰極保護電壓監測單元、陰極保護電流監測單元與地面陰極保護監測和在線腐蝕監測單元電連接[5]。

交流供電電源提供220 V交流電壓，經過直流供電電源轉換成30 V直流電壓，一方面給可充電電池供電，另一方面給可調直流單元供電，輸出0～24 V給陽極井供電，通過地面陰極保護電壓監測單元和陰極保護電流監測單元監測電壓、電流，送入地面陰極保護監測和腐蝕監測單元，用于陰極保護電壓、電流顯示和控制。

2)井下在線腐蝕監測模塊。包括：傳感器與探頭一體化單元、防腐監測數據采集單元。其中，傳感器與探頭一體化單元連接在井下管柱外壁上用于電阻探針測量腐蝕速率并將采集的腐蝕信號送到在線腐蝕監測數據采集單元，經過處理變成標準RS-485信號后，送入地面陰極保護監測和在線防腐蝕監測模塊。該技術方案較好地實現了探測及數據傳輸的功能。

電阻探針傳感器是一個裝有金屬試片的探頭，能夠監測與記錄腐蝕速率。在腐蝕介質中，金屬試片的橫截面積因腐蝕而減小，從而電阻增大，通過周期性地測量其電阻，便可計算出總腐蝕量以及腐蝕率。

3)地面陰極保護監測和在線腐蝕監測模塊。包括：PLC控制器和人機界面觸摸屏。其中，PLC控制器與井下陰極保護模塊和井下在線腐蝕監測模塊電信號連接。遠程控制模塊實時監測管柱陰極保護電壓、電流和腐蝕速率，查找腐蝕因素，調整陰極保護參數，使油水井管柱井下陰極保護達到最佳狀態，延長油水井管柱腐蝕穿孔時限，保障油水井正常生產[6]。

2 安 裝

將管柱井下陰極保護模塊和在線腐蝕監測模塊兩者組合在一起，安裝位置如圖2所示，安裝在油水井管柱井下管泵和氣錨之間，實現對管柱的陰極保護。該方法耗電量小、保護距離長、保護效果好，且初期投入費用低。同時，該方法可在線監測油水井井下管柱腐蝕狀況和速率，且可預測油水井管柱的安全使用壽命，為油水井管柱的內外防護技術研究提供了可靠的方法；指導油水井管柱采用強制外加電流陰極保護達到最佳效果，使油水井管柱腐蝕得到有效控制，避免管柱可能發生因腐蝕而泄漏的隱患。

圖2 陰極保護和在線腐蝕監測模塊的安裝位置示意

3 管柱陰極保護和在線腐蝕監測方法

油水井管柱井下陰極保護和在線腐蝕監測步驟如下：

1)配置地面管柱陰極保護電壓、電流和腐蝕在線監測單元，實時監測管柱陰極保護電壓、電流和腐蝕速率，實現管柱陰極保護電壓、電流和腐蝕速率數據顯示、存儲及報告、數據計算、事故追憶、事件順序記錄和參數預警等功能，為油水井管柱井下的長期穩定運行提供技術支持[10]。

2)陰極保護模塊和在線腐蝕監測模塊的安裝。將外型直徑為73 mm，長度為800 mm管柱的陰極保護模塊和在線腐蝕監測模塊安裝在油水井管柱井下管泵和氣錨之間，在裝有模塊的管柱一側打一個φ8 mm孔，插入在線電阻探針傳感器，用環氧樹脂密封膠封好，為保證測試結果的穩定性和可靠性，電阻探針傳感器必須通過靜電跨接導線與油水井管柱本體接地。

3)調試油水井井下管柱腐蝕在線監測裝置。將腐蝕數據通過無線方式上傳到地面監測模塊中，進行油水井井下管柱腐蝕監測調試，電阻探針傳感器的測量精度最小可達30 nm，能夠在幾分鐘或幾小時內測量油水井管柱井下金屬的腐蝕速率，并對油水井管柱井下金屬腐蝕速率的變化做出快速反應。

4)調試油水井管柱井下陰極保護裝置。根據油水井管柱井下保護電流要求，陰極保護電流為4～5 A，調整可調電壓0～24 V，保證管柱的最小保護電位至少為-0.85 V，以達到使金屬停止腐蝕的目的；在有硫酸鹽還原菌參與腐蝕的環境中，硫酸根質量分數大于0.5%時，陰極極化電位應達到-0.95 V 或更低。通過地面陰極保護電流和電壓監測單元，以有線方式傳入監測模塊中，進行分析處理。

5)地面監測模塊。該模塊監測出井下管柱陰極保護電壓、電流和腐蝕速率，通過腐蝕速率能夠進行油水井管柱井下腐蝕計算和分析，進行油水井管柱井下腐蝕層定位，評估腐蝕層的老化狀態，判識管柱運行參數，在線參數預警等。該模塊具有油水井管柱井下腐蝕點檢測快速，數據準確的特點，自動化程度高，實現無人值守[7]。

油水井管柱腐蝕速率及腐蝕深度計算，油水井管柱井下腐蝕層老化程度判斷采用如下方法[8]。

電阻探針傳感器中金屬試片腐蝕深度H的計算如式(1)所示：

H=r0{1.0-[1.0-(Rt-Ro)/Rt]1/2}

(1)

式中：r0——金屬試片原始半徑；R0——腐蝕前電阻值；Rt——腐蝕后電阻值。

金屬試片腐蝕率v計算如式(2)所示：

v=8 760(H2-H1)/(T2-T1)

(2)

式中：T2-T1——兩次測量時間間隔；H2-H1——兩次測量的腐蝕深度的差值。

油水井管柱平均厚度計算如式(3)所示：

dt=(B1d1-B2d2)/Bt

(3)

式中：dt——管柱平均厚度；Bt——管柱中平均磁感應強度；d1——腐蝕前管柱厚度；B1——腐蝕前平均磁感應強度；d2——腐蝕后管柱厚度；B1——腐蝕后平均磁感應強度。

當管柱平均厚度和原管柱厚度差值小于10%，判斷為油水井管柱腐蝕不嚴重，當管柱平均厚度和原管柱厚度差值為10%～20%，判斷為油水井管柱腐蝕比較嚴重；當管柱平均厚度和原管柱厚度差值大于20%，判斷為油水井管柱腐蝕十分嚴重。

4 現場應用

2019年6月在長慶油田第三采油廠5口油井應用了井下陰極保護和腐蝕在線監測技術，井下不間斷給油水井管柱提供合理的陰極保護電流，保護距離長，效果好，使油水井管柱得到保護而長期不發生腐蝕；同時能在井下在線監測管柱腐蝕速率，測量響應速度快，精度高。地面遠程控制模塊能夠在線監控油水井管柱陰極保護電流、電位和管柱腐蝕速率，便于查找腐蝕因素，調整陰極保護參數，使油水井管柱達到最佳陰極保護狀態，延長油水井管柱腐蝕穿孔時限，保障油水井正常生產[9]。

5 結束語

井下陰極保護和在線腐蝕監測兩者組合在一起，可在線監測油水井井下管柱腐蝕速率，監測精度高[10]，可預測油水井管柱的安全使用壽命，為油水井管柱的內外防護技術研究提供了可靠的方法，指導油水井管柱采用強制外加電流陰極保護達到最佳效果，使油水井管柱腐蝕得到有效控制，避免管柱可能發生的腐蝕泄漏隱患[11]。

油水井管柱在線腐蝕監測裝置為油水井管柱的更換、維修及維護提供了科學依據[12]，油水井管柱安全、高效、平穩運行且環保，對保障油田可持續開發具有重要意義。該監測裝置安裝方便，且實現了監測的可靠性、穩定性和準確性[13]。