油井采輸管線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制探究

范路，李風(fēng)，張瑾，李峰

（中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257000）

1 概述

我國(guó)有93%以上的油田都是采用注水開發(fā)的，而水驅(qū)采收率只能達(dá)到40%左右。長(zhǎng)期的大量注水，使我國(guó)的老油田普遍進(jìn)入了高含水階段，因此必須配合其他方法提高采收率，二氧化碳驅(qū)油有著巨大的應(yīng)用潛力。

CO2的注入勢(shì)必影響產(chǎn)出水的水質(zhì)，進(jìn)而加劇采輸系統(tǒng)構(gòu)件的腐蝕、引發(fā)嚴(yán)重的局部腐蝕，制約著驅(qū)油技術(shù)的發(fā)展。采輸部件一旦發(fā)生腐蝕，不僅給油田的正常開發(fā)和生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)造成環(huán)境污染，甚至威脅人身安全。

CO2明顯增加了介質(zhì)的腐蝕性，而且其腐蝕速率隨著溫度、分壓和水油比增大而逐漸增大；隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。采輸系統(tǒng)桿管內(nèi)的流體不僅會(huì)對(duì)管壁造成沖刷作用，破壞腐蝕產(chǎn)物膜，而流體中所含有的 Cl－、HCO3－、Ca2+、Mg2+也會(huì)加劇采輸系統(tǒng)部件的腐蝕。碳鋼、高強(qiáng)鋼采輸系統(tǒng)部件在CO2驅(qū)工況下，當(dāng)部件出現(xiàn)內(nèi)部腐蝕缺陷時(shí)其較之普通鋼級(jí)部件將面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成泄漏爆炸等災(zāi)難性事故。

在采輸系統(tǒng)部件定量評(píng)價(jià)方法中，對(duì)于含缺陷部件的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究已經(jīng)得到很大發(fā)展。由于采輸部件內(nèi)部缺陷是影響在役設(shè)備眾多安全因素中的最重要因素之一，采輸部件由制造到現(xiàn)場(chǎng)施工與運(yùn)營(yíng)服役的過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生缺陷，而缺陷的程度不同對(duì)系統(tǒng)的影響也不相同，當(dāng)前對(duì)于采輸系統(tǒng)部件腐蝕模型及剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的研究開展仍較片面，沒有考慮部件內(nèi)部流體的影響，缺少重點(diǎn)位置部件的內(nèi)腐蝕缺陷強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。

萬(wàn)辰詠等分析了天然氣集輸管線腐蝕穿孔的原因，綜述了集輸管線腐蝕監(jiān)測(cè)手段特點(diǎn)及適用性。楊棵采用超聲波反射時(shí)差法,運(yùn)用延時(shí)信號(hào)插值法,進(jìn)行了在線管道腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。高桂設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)管道腐蝕及泄漏狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了管道腐蝕、泄漏的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

對(duì)CO2采輸設(shè)備的腐蝕過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解設(shè)備的腐蝕狀態(tài)，對(duì)設(shè)備腐蝕造成的安全隱患進(jìn)行科學(xué)的、有預(yù)見性的分析和判斷，對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的安全管理，正確評(píng)價(jià)各種類型內(nèi)部缺陷對(duì)采輸部件強(qiáng)度、壽命及安全性的影響，確定更換和維修設(shè)備的時(shí)間，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，保證CO2驅(qū)工況下采輸部件安全運(yùn)營(yíng)、準(zhǔn)確地分析預(yù)測(cè)采輸系統(tǒng)部件剩余強(qiáng)度與運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的快速評(píng)估，可有效降低安全事故發(fā)生的可能性，因此針對(duì)在役管道的腐蝕監(jiān)測(cè)尤其重要。

2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)采輸環(huán)境中材料腐蝕機(jī)理、工況環(huán)境、腐蝕、受力狀態(tài)，以在役20#管道為研究對(duì)象，利用管道實(shí)時(shí)腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，配套溫度、壓力、流量傳感器、數(shù)據(jù)采集硬件及系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)，采用多傳感器數(shù)據(jù)分析融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)地面管線失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)算法，結(jié)合失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)模型，編制管道實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及剩余強(qiáng)度、剩余壽命預(yù)測(cè)算法和接口軟件，為系統(tǒng)維護(hù)和安全運(yùn)行提供動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警。

圖1 技術(shù)路線規(guī)劃圖

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)要求，系統(tǒng)測(cè)量的主要參數(shù)有：管線腐蝕實(shí)時(shí)參數(shù)、采出液溫度、采出液流量和采出液入口壓力，為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較好的精度、較穩(wěn)定的性能，系統(tǒng)采用DCS（分布式控制系統(tǒng)）系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)采集控制功能。以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理，上位機(jī)通過操作軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、標(biāo)定、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表打印輸出等功能。下位機(jī)采用高性能微處理器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取，二者之間數(shù)據(jù)交互采用無線通訊模式進(jìn)行，通訊方式如圖2所示。

圖2 腐蝕測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 彎管仿真與實(shí)際測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，管線流體流量是很關(guān)鍵的參數(shù)，而現(xiàn)場(chǎng)管線存在諸多彎頭導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大，因此對(duì)彎頭進(jìn)行了流速仿真，進(jìn)而校正計(jì)算方法。當(dāng)采出液流經(jīng)彎頭時(shí)，由于彎頭的內(nèi)徑較小，其流動(dòng)速度較快，在彎頭內(nèi)測(cè)采出液對(duì)金屬的腐蝕速率較大，而在彎頭的外側(cè)，采出液的流動(dòng)速度較小。針對(duì)這種情況進(jìn)行了仿真模擬分析，仿真條件為邊界：速度入口（0.3 m/s，0.6 m/s，0.9 m/s）、自由出流；介質(zhì)：常溫下的清水；90°彎管內(nèi)徑：65mm；拐彎半徑：64mm；

圖3 沿著垂線的速度分布曲線（0.9m/s）

圖5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

圖6 需要現(xiàn)場(chǎng)安裝的配電柜

通過模擬仿真可知在管道直徑不變的情況下，當(dāng)采出液的來流速度為0.3m/s時(shí)，彎頭內(nèi)液體流速最快為0.46m/s。當(dāng)采出液的來流速度為0.6m/s時(shí)，彎頭內(nèi)液體流速最快為0.93m/s。當(dāng)采出液的來流速度為0.9m/s時(shí)，彎頭內(nèi)液體流速最快為1.4m/s。液體的來流速度與彎頭內(nèi)液體的最快流速關(guān)系如圖4所示。

圖4 彎頭內(nèi)液體最快流速與液體來流速度的關(guān)系

監(jiān)測(cè)中心軟件人機(jī)接口界面如圖7所示，接口軟件含有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的管線溫度、壓力、流量等測(cè)量信息，還包括了地面管線、彎頭的腐蝕速度，并計(jì)算出管線的剩余強(qiáng)度和剩余壽命，采用預(yù)測(cè)分析算法，將井下桿管的腐蝕速度進(jìn)行了計(jì)算，通過接口軟件即可清晰獲取井下腐蝕速度，相關(guān)信息對(duì)于技術(shù)人員具有很好的參考價(jià)值。

圖7 檢測(cè)配套軟件

注水管線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了安裝測(cè)試，獲得實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，具有重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

在CO2驅(qū)采輸環(huán)境中材料腐蝕機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合管道在役環(huán)境、受力狀態(tài)工況，采用電阻探針進(jìn)行在役管道的腐蝕監(jiān)測(cè)，采用無線數(shù)據(jù)通訊方式，獲取實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過建立失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)模型，完成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算方法，建立了一套20#管道在線實(shí)時(shí)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為系統(tǒng)維護(hù)、安全運(yùn)行提供動(dòng)態(tài)監(jiān)控和預(yù)警，具有重要意義。