氣井井下的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

鄭云萍，劉 奇，張 峰，曹洪貴，劉 成，張吉紅

（1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都610500；2.中國(guó)石油新疆油田分公司，克拉瑪依834000）

氣井井下腐蝕是指在天然氣開(kāi)采中，氣體隨井筒上升到地面，由于溫度、壓力的降低而析出水和凝析油，在管壁形成水膜，造成電化學(xué)作用的腐蝕和氣流中夾雜微小顆粒造成的機(jī)械腐蝕［1］。

氣井腐蝕監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)氣井設(shè)備的失效進(jìn)行判斷，對(duì)設(shè)備壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)與選擇適宜的防腐蝕措施，有著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和研究意義。氣井的監(jiān)測(cè)目標(biāo)位于地面以下，所以超聲波、漏磁法等腐蝕監(jiān)測(cè)方法難以得到應(yīng)用。此外，由于氣井修井周期較長(zhǎng)，井下環(huán)境復(fù)雜，常見(jiàn)應(yīng)用于油井的掛環(huán)技術(shù)在氣井腐蝕監(jiān)測(cè)中鮮有應(yīng)用。

現(xiàn)有氣井井下腐蝕監(jiān)測(cè)的方式按照原理可以分為：失重法、化學(xué)分析法和電化學(xué)法［2］。本文就不同監(jiān)測(cè)方式的原理、使用方式及適用方面進(jìn)行了論述，對(duì)監(jiān)測(cè)方式的選擇以及腐蝕數(shù)據(jù)的應(yīng)用提出了建議。

1 物理法

通過(guò)測(cè)量管道腐蝕部位、試片或敏感元件規(guī)格的改變，對(duì)腐蝕情況作出判斷。該方法由于不需要運(yùn)轉(zhuǎn)所需的傳遞介質(zhì)，幾乎可用于任何環(huán)境。方法有：掛片失重法、電阻探頭法、井徑儀法等。

1.1 掛片法

掛片法是一種傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)方法。在氣井監(jiān)測(cè)使用中，一般將掛片及專(zhuān)用的支架下降到測(cè)試深度，也有時(shí)采取鋼絲作業(yè)投撈掛片的方式［3］，屬于在線監(jiān)測(cè)，離線分析的一種監(jiān)測(cè)方式。

在應(yīng)用中，可將不同材料的試片在同一位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以進(jìn)行對(duì)比和平行試驗(yàn)，為材料的選擇提供參照。通過(guò)掛片法可分析腐蝕產(chǎn)物和表面腐蝕形貌，直觀確定腐蝕類(lèi)型，對(duì)細(xì)菌腐蝕及非均勻腐蝕都能提供直觀的信息［2］。

掛片法無(wú)法反映瞬時(shí)及局部腐蝕速率，僅能體現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)階段的平均腐蝕速率，對(duì)生產(chǎn)變化、防腐蝕措施變化的腐蝕情況不能做出有效指示［2］。由于該方法需要將掛片放入井內(nèi)，試驗(yàn)周期受到修井計(jì)劃和氣井生產(chǎn)情況的限制。另外，對(duì)于不同管段，因采出液的性質(zhì)有所不同，掛片法僅能反映掛片安裝區(qū)域的腐蝕情況［4］。通過(guò)在不同管段放置掛片，就能夠反映出一定范圍的腐蝕狀況，例如在中原油田文23氣田的10口監(jiān)測(cè)井中，該方法應(yīng)用于對(duì)比不同管段的腐蝕情況［5］。

作為各種腐蝕監(jiān)測(cè)手段中最根本和有效的方法，掛片法能最大程度地反映腐蝕的真實(shí)情況。盡管目前有較多先進(jìn)的電子方法，但在使用任何其它方法的同時(shí)，都會(huì)參考掛片法的數(shù)據(jù)。

1.2 電阻探針?lè)?/h3>

電阻探針是一個(gè)裝有金屬試片的探頭，在腐蝕介質(zhì)中，金屬試片的橫截面積因腐蝕而減小，從而電阻增大，通過(guò)周期性地測(cè)量其電阻，便可計(jì)算出該段時(shí)間的總腐蝕量以及腐蝕速率［6］。

電阻探針的種類(lèi)較多，如K.Waterman David等人申請(qǐng)專(zhuān)利的腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備［7］。該設(shè)備是將探頭、電池、信息記錄和處理設(shè)備所集成的探頭放入氣井監(jiān)測(cè)位置，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的腐蝕情況進(jìn)行間歇的記錄并保存，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的暴露后，將信息下載到電腦進(jìn)行分析，在安裝期間不需要?dú)饩Ｖ股a(chǎn)。該探頭可以安裝在經(jīng)過(guò)井徑儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在較嚴(yán)重腐蝕的區(qū)域，不會(huì)對(duì)管道造成損害，可以同時(shí)記錄所處位置的溫度，在國(guó)外已有許多試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［8］。此外，華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種改進(jìn)型的電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)儀ER400，能夠?qū)﹄娮铚仄瘑?wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償［9-10］。

與掛片法相類(lèi)似，電阻探針?lè)ㄟm用性強(qiáng)，不需要進(jìn)行清潔，幾乎可以在任何介質(zhì)中使用，多用于多相或非電解質(zhì)溶液［2］。該法優(yōu)于掛片法之處在于，電阻探針?lè)軌驅(qū)λ矔r(shí)腐蝕速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄。

電阻探針?lè)ǖ木窒扌栽谟冢簝H能夠?qū)σ欢螘r(shí)間內(nèi)的累計(jì)腐蝕量進(jìn)行測(cè)定，而非瞬時(shí)腐蝕速率［2］；獲取數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)；介質(zhì)的溫度、流速、金屬材料的偏差、電極表面制備的偏差，以及探針表面存在的外來(lái)物質(zhì)如腐蝕產(chǎn)物，均會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的可靠性；不適用于局部腐蝕的監(jiān)測(cè)；在硫化物系統(tǒng)中測(cè)量結(jié)果也不甚準(zhǔn)確。若探針的靈敏度高，壽命則短，反之亦然［11］。

電阻法也常與其他監(jiān)測(cè)方式共同使用。2008年雅克拉氣田YK6H井采用掛片法與電阻探針?lè)ㄏ嘟Y(jié)合，試用了美國(guó)MS3500E型電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)儀，測(cè)得數(shù)據(jù)與掛片法的數(shù)據(jù)基本吻合［12］。

1.3 井徑儀法

監(jiān)測(cè)與檢測(cè)之間的界限并非十分嚴(yán)格。井徑儀法介于定期檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之間。通過(guò)井徑測(cè)量?jī)x測(cè)量套管各處規(guī)格參數(shù)，判斷井下套管受損情況。

本方法對(duì)于油田和氣田都適用，能夠提供生產(chǎn)油管柱內(nèi)壁綜合的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。具體操作一般為：將用鋼絲繩（纜繩）連接的井徑儀下入井底，通過(guò)井徑儀多條帶有傳感裝置的機(jī)械臂與套管內(nèi)壁緊密貼合，對(duì)套管遍歷后，得出尺寸變化情況，通過(guò)地面電腦終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析［4］。

通過(guò)對(duì)井徑儀法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠預(yù)測(cè)套管穿透時(shí)間、套管管壁減薄造成的最小臨界屈服強(qiáng)度的時(shí)間。通過(guò)油管的內(nèi)表面垂向窄腐蝕裂紋、腐蝕分散凹痕、管壁局部損傷環(huán)和管壁均勻損傷面，能夠判斷油管的不同腐蝕機(jī)理的特征。

需要注意的是，此方法得到的腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果可能會(huì)因?yàn)榱蛩徼F及其他結(jié)垢物覆蓋井壁而小于實(shí)際數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，且受到很多限制，無(wú)法在不對(duì)生產(chǎn)造成影響的情況下實(shí)時(shí)對(duì)腐蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 化學(xué)分析法

采氣過(guò)程中，腐蝕產(chǎn)物的部分組分，如鐵離子、氯離子、硫化氫等會(huì)隨采出水帶出井口，在地面對(duì)采出液及pH進(jìn)行分析，可為井下腐蝕情況的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。其中對(duì)鐵離子監(jiān)測(cè)較為普遍［13］。

鐵離子分析法的監(jiān)測(cè)對(duì)象為井口采出水中的可溶的鐵離子、二價(jià)鐵離子或總的鐵離子質(zhì)量深度。通過(guò)收集井口采出液，對(duì)收集到的采出水進(jìn)行處理與分析，最常用鄰二氮雜菲比色分析法，實(shí)驗(yàn)室分析也會(huì)用到原子吸收光譜光度測(cè)量法、重鉻酸鹽滴定法和乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法［14］。

化學(xué)分析法易于實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)使用快捷，只需在井口增設(shè)旁路，對(duì)套管沒(méi)有損害，不需要停工，所以在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。該方法適用于對(duì)緩蝕劑效果的評(píng)價(jià)以及全面腐蝕的評(píng)價(jià)，在采出水量大的無(wú)硫油氣井的應(yīng)用上有著良好表現(xiàn)［4］。

由于是對(duì)最終流出井口的采出水進(jìn)行分析，化學(xué)分析法無(wú)法監(jiān)測(cè)局部腐蝕。對(duì)于一般系統(tǒng)，收集井底溶液的時(shí)間可能只需幾分鐘，在氣井則需要12 24h，無(wú)法對(duì)瞬時(shí)腐蝕速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于油管失效與蝕痕等多種因素有關(guān)，僅憑油管金屬的總耗損量或者均勻腐蝕不能精確反應(yīng)油管失效，所以計(jì)量數(shù)據(jù)與失效數(shù)據(jù)之間難以建立聯(lián)系［4］。另外，鐵在系統(tǒng)中的沉淀會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，對(duì)含溶解硫和溶解氧較多的流體可靠性差。結(jié)合以上特點(diǎn)，本方法一般與其它監(jiān)測(cè)手段一同使用，相互佐證。

3 電化學(xué)法

由于氣井的腐蝕多是電化學(xué)過(guò)程，對(duì)產(chǎn)生腐蝕時(shí)的電特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而可以判斷腐蝕情況。電化學(xué)法中，線性極化法（LPR）最為常用。

Stern及其同事于1957年提出線性極化法［15］，現(xiàn)已成功用于油田設(shè)備、管道、化學(xué)過(guò)程以及水處理設(shè)備的腐蝕監(jiān)測(cè)。西南油氣田于1995年引進(jìn)包括線性極化探針、電阻探針、氫探針的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，1996年應(yīng)用電化學(xué)法于磨溪多座氣井，電化學(xué)探針全部安裝于井口到分離器段的集輸管線上，配合緩蝕劑殘留濃度監(jiān)測(cè)法對(duì)三種緩蝕劑效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，2002年該系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田也開(kāi)始應(yīng)用［2，16］。

電化學(xué)法具有易于實(shí)現(xiàn)，能快速測(cè)定瞬時(shí)腐蝕速度的優(yōu)點(diǎn)［4］。然而，該方法對(duì)于局部腐蝕無(wú)法有效監(jiān)測(cè)，且不適用于導(dǎo)電性差的介質(zhì)［2］。同樣，當(dāng)設(shè)備表面產(chǎn)生氧化膜或鈍化膜，甚至有腐蝕產(chǎn)物堆積時(shí)，將有假電容產(chǎn)生而影響測(cè)量結(jié)果，隨著可更換探頭的研發(fā)，這一問(wèn)題可能會(huì)緩解。

4 其他方法

除上述方式外，其他還在發(fā)展的監(jiān)測(cè)方法有：氫監(jiān)測(cè)技術(shù)、超聲波測(cè)壁厚法、緩蝕劑殘余濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)［17］等。

4.1 氫監(jiān)測(cè)

井下套管可能會(huì)受到氫脆、氫致開(kāi)裂和氫鼓泡帶來(lái)的損傷［2］，通過(guò)氫探針（Hydrogen testprobe）可以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。氫監(jiān)測(cè)法能夠?qū)Σ牧蠚鋼p傷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于含硫的酸性氣田的安全開(kāi)采具有重要意義。氫探頭無(wú)法直接對(duì)腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但可以對(duì)監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)［16］。

在石化工業(yè)中，主要有壓力型、真空型和電化學(xué)傳感器三種氫傳感器。電化學(xué)傳感器響應(yīng)快，靈敏度高，信號(hào)輸出強(qiáng)，是研究的重點(diǎn)［16］。

氫監(jiān)測(cè)適于酸性或中堿性介質(zhì)環(huán)境，可指導(dǎo)舊管線的更新維護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，氫滲電流的變化往往具有規(guī)律性，可為預(yù)測(cè)內(nèi)防腐涂層壽命提供一條新途徑［17］。但在井下腐蝕監(jiān)測(cè)應(yīng)用較少。

4.2 超聲波測(cè)壁厚法

該方法通過(guò)對(duì)壁厚進(jìn)行測(cè)定，用于對(duì)化工設(shè)備內(nèi)部缺陷、腐蝕損傷以及設(shè)備和管道的腐蝕狀況的測(cè)量［18］。

Barry Vincent Jonson申請(qǐng)專(zhuān)利的“井下腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備”已在氣田中得到應(yīng)用。該設(shè)備將一組壓電傳感器以陣列形式固定安裝在套管金屬表面，與地面連接的電纜供電，同時(shí)電纜也承擔(dān)傳輸數(shù)據(jù)到地面的任務(wù)。氣井監(jiān)測(cè)期間無(wú)須停工，監(jiān)測(cè)頻率靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以分出腐蝕的位置，探測(cè)或監(jiān)測(cè)套管［19］。

4.3 緩蝕劑殘余濃度分析

對(duì)緩蝕劑效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可通過(guò)測(cè)定腐蝕速率的方式，也可通過(guò)對(duì)反出水中緩蝕劑的殘余濃度進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而得知井下套管是否得到有效保護(hù)［20］。

例如，針對(duì)川渝氣田常用的緩蝕劑，西南油氣田分公司天然氣研究院開(kāi)發(fā)出“含氮類(lèi)緩蝕劑殘余濃度可見(jiàn)光分光光度法”用于分析油溶水分散型和含氮類(lèi)水溶性緩蝕劑的殘余濃度。自2003年，重慶氣礦建立的緩蝕劑殘余濃度分析實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)于大天池所有生產(chǎn)井的緩蝕劑殘余濃度進(jìn)行每月檢測(cè)。結(jié)果表明，該方法能夠監(jiān)測(cè)緩蝕劑的返排情況，評(píng)價(jià)腐蝕防護(hù)效果，但仍存在一定不足［21］。此外，川東峰7井、川中磨133井通過(guò)含氮類(lèi)水溶性緩蝕劑殘余濃度分光光度法，監(jiān)測(cè)緩蝕劑是否排出，反映緩蝕劑濃度變化情況，為防腐蝕方案的制定和現(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑的應(yīng)用的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)［22］。

4 建議

（1）防腐蝕是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，建立有效的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使防腐蝕工作以最有效的方式進(jìn)行，建議根據(jù)氣田的具體情況，選擇合適的方式對(duì)氣井腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而確保氣田的安全高效生產(chǎn)。

（2）雖然腐蝕監(jiān)測(cè)能夠相對(duì)快速地反映出腐蝕情況，但是定期的檢測(cè)仍然是必要的［21］。此外，現(xiàn)有氣井腐蝕監(jiān)測(cè)方式各有其優(yōu)點(diǎn)及局限性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)目的及監(jiān)測(cè)條件對(duì)監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行合理選擇，特別注意采用兩種或多種監(jiān)測(cè)方式配合使用，以達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。

（3）氣田開(kāi)發(fā)前期應(yīng)盡量對(duì)防腐蝕措施的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集［23］。對(duì)于前期以及開(kāi)發(fā)后期得到的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波理論和灰色分析等理論進(jìn)行分析，建議采取多種方法進(jìn)行對(duì)比或組合，以達(dá)到對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的效利用。

（4）腐蝕監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)應(yīng)注意對(duì)其進(jìn)行分析與管理。例如：將防腐蝕工藝方案、腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)失效分析進(jìn)行診斷預(yù)測(cè)，對(duì)防腐蝕措施進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出改進(jìn)方案。將改進(jìn)措施現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步改進(jìn)防腐蝕措施提供依據(jù)。

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