油氣田投撈式井筒探針腐蝕監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)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(shù)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(jiān)測的目的是揭示和掌握油田生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕過程及狀態(tài)。目前，井筒腐蝕監(jiān)測主要采用掛環(huán)或者掛片監(jiān)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(jiān)測普遍采用電感探針、電化學(xué)探針等技術(shù)，主要應(yīng)用于地面設(shè)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(jiān)測手段。因此，有必要開發(fā)一種可以實時在線監(jiān)控井筒腐蝕狀況的技術(shù)，以及時獲取井下腐蝕情況，預(yù)知及控制腐蝕風(fēng)險。

1.1 系統(tǒng)原理

油氣田井筒內(nèi)環(huán)境為多相不連續(xù)介質(zhì)，電感探針監(jiān)測采用物理方法，對介質(zhì)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(chǔ)，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(jiān)測方法。

圖1 電感探針監(jiān)測的技術(shù)原理

1.2 研究要點

井筒探針腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)面臨以下幾個難題：一是油氣田井筒內(nèi)空間狹小，現(xiàn)有地面系統(tǒng)所有的監(jiān)測儀器設(shè)備都不適用；二是井下為高溫高壓嚴(yán)苛工況，對于一些超深油氣田，井下溫度可達(dá)140 ℃以上，壓力可達(dá)60 MPa。綜上，井筒探針的開發(fā)要點如下：

(1) 儀器設(shè)備小型化，探針和儀器采用一體化設(shè)計，以使整體結(jié)構(gòu)適應(yīng)井筒的狹小空間(直徑小于40 mm)；

(2) 通過設(shè)計電路和選擇高溫元器件，使腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)適用于井下高溫環(huán)境(140 ℃)。

(3) 通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，使得監(jiān)測系統(tǒng)滿足井下高壓環(huán)境(60 MPa)。

(4) 離線存儲方式，系統(tǒng)自帶電池和存儲器，因投撈式應(yīng)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(nèi)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(xù)運(yùn)行6個月，儀器取出后一次性讀出數(shù)據(jù)。

2 井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

2.1 井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)組成

井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))的主體結(jié)構(gòu)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(tǒng)需要通過投撈工具，將設(shè)備投放至指定深度，儀器自動測量腐蝕減薄深度并存儲，結(jié)束后，打撈設(shè)備，將存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至電腦中，通過專有軟件，對監(jiān)測期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時，在井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.1.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著井下深度的增加，溫度和壓力會發(fā)生變化，這增加了密封難度。因此，在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計上，一是監(jiān)測儀只留有一個密封口，以減少密封環(huán)節(jié)，二是同時采用斜面法蘭、端面O圈和靜態(tài)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(fā)揮作用的情況下即可實現(xiàn)60 MPa壓力下的密封安全。

圖3 井下監(jiān)測設(shè)備密封結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 儀器殼體的承壓能力設(shè)計

圓筒形壓力容器的設(shè)計公式見式(1)

S=P·D/(2·s·F-P)+C

(1)

式中：S為設(shè)計壁厚;P為設(shè)計壓力；D為容器內(nèi)徑；s為許用應(yīng)力，一般用材料屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)，安全系數(shù)多為1.0～1.2;F為焊縫系數(shù)，常規(guī)取1，如因焊接問題造成承壓能力減小，則系數(shù)降低；C為壁厚余量，用于增加安全系數(shù)。

根據(jù)電路板尺寸等實際需要，殼體內(nèi)徑取31 mm，根據(jù)井下腐蝕環(huán)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(yīng)力不同，根據(jù)計算得到的殼體厚度也不同。在60 MPa環(huán)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(yīng)力為210 MPa。尾部封堵焊接部位的結(jié)構(gòu)采用螺紋止口式結(jié)構(gòu)。先用螺紋擰緊，之后在坡口部位填料焊接。該結(jié)構(gòu)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(qiáng)度。封堵部分焊縫系數(shù)取1，環(huán)境壓力取60 MPa，依據(jù)式(1)計算得壁厚為5.17 mm，實取6.5 mm。

2.3 井筒腐蝕監(jiān)測設(shè)備的電路設(shè)計

井下腐蝕監(jiān)控設(shè)備是在高溫高壓環(huán)境中使用的，這對其技術(shù)及性能提出了更高的要求，且在器件選擇方面受到了嚴(yán)格的限制，因此，需要精簡電路設(shè)計，降低功耗，在有限的條件內(nèi)實現(xiàn)精確測量。電路設(shè)計的基本原理框圖見圖4，其實現(xiàn)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(diào)試獲得，通過功率器件信號變壓器施加到串聯(lián)試片兩端，直流電流通過場效應(yīng)管開關(guān)控制電流的通斷，場效應(yīng)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(yùn)算放大器OPA2333-HT作為二級放大電路。

④ 模數(shù)轉(zhuǎn)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(tài)范圍，支持極端環(huán)境(-55 ℃/210 ℃)中的應(yīng)用。

⑤ 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可保存10 a。

⑥ 系統(tǒng)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(shè)計的基本要求。

3 井筒腐蝕監(jiān)測設(shè)備性能測試

3.1 耐壓性

為了測試系統(tǒng)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(jié)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(shè)計的井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)可滿足70 MPa使用要求，實現(xiàn)了耐壓60 MPa的設(shè)計目標(biāo)。

3.2 耐溫性

針對井下高溫情況，對井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)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(jiān)測系統(tǒng)測試的腐蝕損耗值為-104 000 ～-106 000 nm，測量值穩(wěn)定，說明井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在150 ℃環(huán)境中是可以穩(wěn)定使用的，能夠滿足井下140 ℃的使用條件。

圖5 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的耐溫測試結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

在動態(tài)模擬井下腐蝕環(huán)境中,利用探針檢測數(shù)據(jù)與掛片試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來驗證井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗探針與掛片均為P110鋼，試驗條件及測試結(jié)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(nèi)，說明探系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。

表1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用評價

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用試驗方法

井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在塔河油田TH12251井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)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(jiān)測系統(tǒng)投放至指定深度，同時井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)前端放置掛片，用作對比分析。井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)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(xiàn)場應(yīng)用試驗結(jié)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(nèi)探針的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示?？梢钥闯?，探針的腐蝕損耗為2 242 nm，區(qū)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(jié)果與掛片法結(jié)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(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。通過井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可連續(xù)監(jiān)測腐蝕過程的變化，實現(xiàn)井下腐蝕狀況的實時監(jiān)測。

表2 探針與掛片測試對比結(jié)果

5 結(jié)論

采用電感探針監(jiān)測技術(shù)，開發(fā)了能夠適應(yīng)井下高溫高壓油氣環(huán)境的在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，與掛片法結(jié)果相比，兩者的相對誤差僅為8.32%，監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的，同時也滿足了井下140 ℃和70 MPa的高溫高壓環(huán)境使用需求。