高溫高壓井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研制與應(yīng)用

龍 武，劉振東，張江江，李 芳，曾德智

1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011 2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程全國重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

引言

隨著油田開發(fā)逐漸進(jìn)入中后期，綜合含水率不斷上升。注水、注氣等提高采收率措施的實施，導(dǎo)致井筒腐蝕問題日益嚴(yán)重，特別是采出介質(zhì)中含有H2S、CO2等酸性氣體時，對油田井筒設(shè)施造成的腐蝕更為嚴(yán)重[1-3]。井筒腐蝕中全面腐蝕與局部腐蝕共存，以局部腐蝕為主，約占腐蝕總數(shù)的70%～90%。腐蝕監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為掌握油田腐蝕現(xiàn)狀、制定防腐措施和評價防腐效果的重要手段。為了準(zhǔn)確掌握井筒到地面集輸系統(tǒng)的腐蝕狀況，目前，已經(jīng)形成了多品類、有針對性的多種腐蝕監(jiān)測技術(shù)。塔河油田井下環(huán)境惡劣，具有高溫、高壓及高礦化度地層水的特點，同時含有H2S、CO2酸性氣體，使得注采系統(tǒng)腐蝕問題嚴(yán)峻。開展井筒油套環(huán)空腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研制與應(yīng)用，對掌握該油田生產(chǎn)系統(tǒng)的腐蝕狀況、保障油田安全高效運(yùn)行具有重要意義。

油氣田常見的腐蝕監(jiān)測方法包括掛片失重法、電感探針監(jiān)測、電阻探針監(jiān)測、電化學(xué)噪聲法（Electrochemical Noise，EN）及場指紋腐蝕監(jiān)測（Field Singature Method，F(xiàn)SM）等方法[4-6]。

掛片失重法是一種常見的腐蝕監(jiān)測技術(shù)[7]，工作原理簡單，可用于井口或管道中，分析腐蝕產(chǎn)物便捷[8-9]，但作業(yè)周期長，使用環(huán)境局限性大[10-11]。電阻探針監(jiān)測是通過電阻值的變化來推算腐蝕量進(jìn)而得到腐蝕速率[12-14]，響應(yīng)速度快、周期短，應(yīng)用環(huán)境多樣但易受環(huán)境影響[15-19]。電化學(xué)噪聲是一種通過分析電化學(xué)中的電位、電流狀態(tài)等參數(shù)的波動來評價腐蝕速率大小的監(jiān)測方法[20-24]。

然而，上述腐蝕監(jiān)測技術(shù)多用于地面管線及井口[25-29]，近些年，隨著油氣開發(fā)進(jìn)一步發(fā)展，鉆井逐漸朝著深井超深井的方向邁進(jìn)，針對井下復(fù)雜工況的井筒腐蝕監(jiān)測技術(shù)仍然處于空白狀態(tài)，油管、套管同步腐蝕監(jiān)測技術(shù)也未有應(yīng)用，為了掌握井下油套管的腐蝕狀況，亟需開發(fā)一套適用于高溫高壓井筒環(huán)空的腐蝕監(jiān)測技術(shù)。

針對上述問題，本文設(shè)計開發(fā)了耐溫140°C、耐壓70 MPa、多通道同步監(jiān)測油套管腐蝕的管狀腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行了室內(nèi)模擬和現(xiàn)場應(yīng)用評價。針對井下復(fù)雜苛刻的腐蝕環(huán)境，優(yōu)化了監(jiān)測裝置與井下管柱的連接方式，為有效掌握井筒油套環(huán)空腐蝕狀況、保障生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

1.1 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)原理

油套管環(huán)空腐蝕監(jiān)測技術(shù)基于電感腐蝕監(jiān)測技術(shù)原理，電感腐蝕監(jiān)測（電感探針法）是一種間接監(jiān)測金屬腐蝕的方法，以測量金屬腐蝕損失為基礎(chǔ)，通過測量腐蝕試片減薄引起的交流信號變化來計算腐蝕損耗速度。

安裝在管路中的測量裝置，通常以電感探針的方式存在，探針通常采用管狀或片狀結(jié)構(gòu)。在受到腐蝕損害后其橫截面積減小會引起交流信號發(fā)生變化，從而對測量試片施加交流信號，通過交流信號的變化來計算測量元件的減薄量和腐蝕速率。交流信號通過電感數(shù)據(jù)采集器采集，電感數(shù)據(jù)采集器的激勵信號采用交流電恒電流信號，通過電感元件作用于測量試片，具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高和靈敏度高的特點。金屬電阻的大小除了與材料厚度有關(guān)，還受溫度變化的影響，即電阻率會隨著溫度變化而變化。為了消除溫度對測量的影響，需要在電流回路中連接一個補(bǔ)償試片，目的是將補(bǔ)償試片作為基準(zhǔn)參照消除溫度變化對測量的影響，當(dāng)探針溫度補(bǔ)償控制較為理想時，測量數(shù)據(jù)波動小，測量結(jié)果準(zhǔn)確。補(bǔ)償試片的材質(zhì)、腐蝕狀態(tài)等與腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)保持一致，即可用腐蝕探針測量的腐蝕速率代表目標(biāo)管柱的腐蝕速率。發(fā)生腐蝕后隨著測量試片的腐蝕減薄，試片電阻值變化與試片減薄量呈線性關(guān)系，根據(jù)求出的試片減薄量代替管材的腐蝕情況。

管狀試片探針的電阻為

式中：

Ω－試片的電阻，Ω；

ρ—試片材料的電阻率，Ω·m；

L—試片的長度，mm；

S－試片的環(huán)截面積，mm2；

R－管狀試片的外徑，mm；

r—管狀試片的內(nèi)徑，mm。

式（1）中，只有R是變量，Ω 與R的平方呈倒數(shù)關(guān)系。只有選擇的外形尺寸合適，Ω 與R（試片電阻值變化與試片減薄量）才近似地呈線性關(guān)系。

高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)為了保證測量的精度，同時，考慮到高溫高壓井筒中系統(tǒng)的選擇局限和服役壽命，在電路設(shè)計上將測量試片串行連接，通過開關(guān)控制激勵信號同步施加，由模擬開關(guān)選擇通道測量，采用公共的一、二級信號放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，保證測量的一致性。由于測量通道的增加，存儲容器容量相應(yīng)增大，降低激勵信號幅度增加電池容量可以有效延長系統(tǒng)工作時間。

工作時，油管下探到井下作業(yè)，鑲嵌到油管外壁的腐蝕監(jiān)測電路、探針測量電路同時進(jìn)行測量工作，同步進(jìn)行直接和間接測量。完成一個檢修周期后，隨油管返出地面，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測量原理同投撈式電感監(jiān)測。井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)的工作示意圖見圖1。

圖1 油套環(huán)空井筒腐蝕探針監(jiān)測結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of oil casing annulus wellbore corrosion monitoring structure

基于上述設(shè)計，高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)電路設(shè)計采用以下方案。

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（溫度-55～155°C）開關(guān)控制電流通斷。

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，是井下高溫環(huán)境檢測專用芯片，使用溫度-55～210°C。

3）二級放大電路采用精度高、零漂移的運(yùn)算放大器，該放大器具有雙通道、微功耗、高精度及零漂移的特點，用于補(bǔ)償試片及腐蝕試片的二級放大，放大倍數(shù)75 倍，使用溫度-55～210°C。

4）模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用高精度，寬動態(tài)范圍的井下測量芯片，可在極端環(huán)境（-55～210°C）下使用。數(shù)據(jù)采集存儲單元掉電后依然可以保存數(shù)據(jù)，存儲容量大，使用溫度-40～150°C，滿足設(shè)計要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

儀器外部結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，主要由監(jiān)測探針、導(dǎo)流帽、左殼體座、主殼體、右殼體座、防護(hù)罩及儀器卡子組成。主殼體為圓筒狀，監(jiān)測探針與左殼體座連接；測量油管腐蝕的4 根引線分別從左、右殼體座下側(cè)的玻璃高壓隔離引線端子引出。監(jiān)測裝置除右殼體座右側(cè)的通訊口外，是一個全密閉的空心體，導(dǎo)流帽固定在左殼體座左端面上，防護(hù)罩固定在右殼體右座端面上，監(jiān)測系統(tǒng)通過兩個卡子固定在油管上。

圖2 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wellbore corrosion probe monitoring system

井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)包含鑲嵌式探針和環(huán)空探針兩部分。鑲嵌式探針基于電感監(jiān)測原理，將裝置鑲嵌至一小段標(biāo)準(zhǔn)油管上，并以此段油管作為測量試片，同時在油管上固定一段補(bǔ)償試片并與油管絕緣，保證測量試片與補(bǔ)償試片處于同一溫度環(huán)境。激勵信號從補(bǔ)償試片的一端輸入，通過補(bǔ)償試片后進(jìn)入油管。激勵電流從監(jiān)測探針右端端子引出，腐蝕試片的激勵響應(yīng)信號在固定座右側(cè)端子和玻璃航插下側(cè)端子發(fā)出，溫度補(bǔ)償片中間端子為補(bǔ)償試片的激勵響應(yīng)信號。通過交流信號的變化來計算此段油管的減薄量和腐蝕速率。監(jiān)測探針位于油管與套管環(huán)形空間內(nèi)，油管選用一小段上下帶有標(biāo)準(zhǔn)油管扣的標(biāo)準(zhǔn)油管。監(jiān)測探針左封堵上連接一支用于測量油套管環(huán)空的探針，材質(zhì)與油管相同，可反映油管外壁的腐蝕。

2）監(jiān)測系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)如圖3 所示，將測量電路部件整體固定在油管段外側(cè)，待測量信號正常后于裝置外部整體連接一半圓管防護(hù)罩，防護(hù)罩左端封堵，中間焊接環(huán)空探針，環(huán)空探針外部加設(shè)錐形導(dǎo)流罩，用于導(dǎo)流和防止下油管時刮碰損壞監(jiān)測裝置。防護(hù)罩采用扇形半圓管防護(hù)，焊好環(huán)空探針的左封堵與半圓管焊接，之后再整體焊接到油管短接外側(cè)。

圖3 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Corrosion probe monitoring system seal structure diagram

為了避免焊接強(qiáng)度不足、硫化氫腐蝕開裂以及焊接導(dǎo)致的應(yīng)力損傷問題，腐蝕監(jiān)測裝置采用卡接方式連接。相較于焊接方式，卡接方式應(yīng)用更加靈活，便于安裝和拆卸可重復(fù)安裝使用。為了避免卡接方式帶來的縫隙腐蝕等問題，卡子與管柱連接材質(zhì)為熱固性材料，并在卡子連接的金屬表面涂覆一層硅橡膠，每次取出后檢查補(bǔ)充涂覆硅橡膠。

井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)通過探針測量環(huán)套空間內(nèi)的介質(zhì)對油管和套管的腐蝕速率，通過儀器兩端下方引出的4 根引線測量一小段油管的腐蝕速率。探針使用壽命為0.75 mm，探針尾部連接有玻璃航插實現(xiàn)二次隔離，當(dāng)探針服役壽命結(jié)束或探針腐蝕穿孔后，儀器仍可繼續(xù)進(jìn)行對油管段的測量。儀器從井下取出后，打開卡子，可就地或帶回工作區(qū)域提取數(shù)據(jù)，方便快捷。

3）井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

為了井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)組裝及應(yīng)用方便，井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計成一個整體，全部固定好后，整體在外部連接防護(hù)罩，腐蝕探針監(jiān)測裝置的電池、電路板及補(bǔ)償試片等全部元器件均固定在一個扇形薄壁管龍骨上，絕緣部件采用聚四氟制作。

高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域為油套環(huán)空，可實現(xiàn)油管、套管同步腐蝕監(jiān)測，主要技術(shù)參數(shù)為工作溫度≤140°C，工作壓力≤70 MPa，電池壽命6 個月（測量間隔1 h），存儲容量20 000組，監(jiān)測系統(tǒng)實物圖及連接好的監(jiān)測裝置見圖4，圖5。其中，圖4 為組裝完整的井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)實物圖，圖5 為將井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)安裝在油管的實物圖。

圖4 井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)實物圖Fig.4 Physical map of wellbore monitoring system

圖5 井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)實物圖（安裝在油管上）Fig.5 Physical map of wellbore monitoring system（installed in the tubing）

2 高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)測試

2.1 耐壓、耐溫性能測試

針對目標(biāo)油田高溫高壓井下工況，對井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實驗，驗證其在70 MPa、140°C工況下探針殼體和試片有無變形和破壞、殼體密封組件的密封性能以及裝置的耐溫性能。

選取探針試片頭部、中部和尾部測量其外徑并記錄，將組裝好的井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)整體放入打壓腔體內(nèi)，如圖6 所示。擰好打壓腔接頭和高壓管接頭，用高壓軟管連接高壓管接頭和超高壓氣動泵的高壓出口，氣管連接空壓機(jī)（0.6 m3/min）和超高壓氣動泵（160 MPa）的氣源入口，加壓并穩(wěn)壓至70 MPa，保壓16 h，釋壓后拆開打壓腔體，取出井筒探針，測量試片頭部、中部和尾部的外徑，檢查殼體是否密封良好及探針是否變形，結(jié)果見表1。

表1 耐壓實驗測試結(jié)果Tab.1 Withstand voltage test results

圖6 環(huán)空式井筒探針打壓示意圖Fig.6 Schematic diagram of annulus wellbore probe suppression

由表1 可知，在70 MPa，保壓16 h，油套環(huán)空式井筒探針和試片無變形，殼體密封完好、無泄漏。說明該高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)可滿足70 MPa 的使用要求。將井筒腐蝕探針監(jiān)測裝置整體放入140°C烘箱內(nèi)5 d 進(jìn)行耐溫性能測試，結(jié)果見圖7。

圖7 腐蝕損耗值測試結(jié)果Fig.7 Corrosion loss value test result

由圖7 可知，鑲嵌式探針的腐蝕損耗值基本在1.738～1.742 mm，環(huán)空式井筒探針的腐蝕損耗值基本在482～484μm，測量值穩(wěn)定，說明環(huán)空式井筒探針在140°C，可以穩(wěn)定使用。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試是通過對比分析探針與掛片的測試數(shù)據(jù)，進(jìn)而驗證井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。由于環(huán)空式井筒探針是由鑲嵌井筒探針和環(huán)空探針組成，所以制作一個模擬鑲嵌式井筒探針和模擬環(huán)空探針，將二者結(jié)合。實驗介質(zhì)為礦化度50 000 mg/L 的模擬井液，常溫常壓。實驗步驟如下：

1）選取一根P110 油管作為模擬油管，在其表面連接兩個測量電極和兩個施加電極。

2）模擬油管兩端均采用內(nèi)螺紋密封結(jié)構(gòu)，向模擬油管內(nèi)加入模擬井液和3 個P110 掛片，兩端密封。

3）將模擬環(huán)空探針與模擬鑲嵌式井筒探針電路板連通，把模擬環(huán)空探針固定在實驗支架上，在實驗槽內(nèi)加入模擬井液，使探針頭部完全浸入到井液中，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器插接到通訊口航插上，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過USB 通訊線與筆記本連接。

4）在軟件上設(shè)置好測量參數(shù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與通訊口斷開，將短路帽插到通訊口航插上，上電開始測量，測試分兩組進(jìn)行，每組測試72 h。

5）測試結(jié)束后，拔下短路帽，連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和USB 通訊線及筆記本，在軟件上查看數(shù)據(jù)的測試情況。

掛片失重測試結(jié)果見表2，井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果見圖8。

表2 掛片失重測試結(jié)果Tab.2 Result of weightlessness test

圖8 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.8 Test results of the wellbore corrosion probe monitoring system

模擬鑲嵌式井筒探針第一組測試72 h 的腐蝕速率為0.250 3 mm/a。模擬環(huán)空探針腐蝕速率為0.261 1 mm/a。同期平行掛片平均腐蝕速率為0.257 1 mm/a，掛片與模擬鑲嵌式井筒探針測量值的相對誤差為2.6%，掛片與模擬環(huán)空探針測量值的相對誤差為1.5%。模擬鑲嵌式井筒探針第二組腐蝕速率為0.275 2 mm/a，模擬環(huán)空探針第二組測試的腐蝕速率為0.268 4 mm/a。同期平行掛片平均腐蝕速率為0.271 5 mm/a，掛片與模擬鑲嵌式井筒探針測量值的相對誤差為1.5%，掛片與模擬環(huán)空探針測量值的相對誤差為1.1%。由此可知，井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實可靠。

3 井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗證井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在某油田中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在井筒中的位置示意圖如圖9 所示。

圖9 井筒中腐蝕監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Appearance before and after cleaning

試驗井完鉆井深6 333 m，截至試驗當(dāng)天，該井累計產(chǎn)液22 395 t，產(chǎn)油11 914 t，產(chǎn)水10 480 t，硫化氫濃度為14 486.64 mg/m3。分別在4 000 m 和5 800 m 處進(jìn)行周期15 d 的試驗，4 000 m 處井筒溫度約110°C，壓力為43.7 MPa；5 800 m 處溫度約140°C，壓力為62.0 MPa，井筒探針與掛片同期安裝，掛片安裝在探針的前端井口管線同期安裝電感腐蝕監(jiān)測探針及掛片，試驗結(jié)果見表3。

表3 P110S 材質(zhì)探針腐蝕速率與掛片腐蝕速率的對比Tab.3 Comparison of the corrosion rate of P110S probe and coupon

自井筒取出的腐蝕掛片腐蝕形貌如圖10 所示，升井后的掛片表面未見明顯腐蝕產(chǎn)物附著，清洗后的掛片表面未出現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡，也并未出現(xiàn)點蝕等現(xiàn)象。

圖10 清洗前后的形貌（4 000 m）Fig.10 Appearance before and after cleaning（4 000 m）

對掛片和腐蝕探針監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖11 和表3 所示。從圖11 和表3 可以看出，腐蝕掛片整體腐蝕輕微，掛片腐蝕速率為0.058 4 mm/a。4 000 m 處井筒腐蝕探針測試腐蝕減薄量為2 242 nm，整體腐蝕速率為0.063 7 mm/a；探針監(jiān)測系統(tǒng)和腐蝕掛片相對誤差為8.32%。井下5 800 m 處井筒腐蝕探針測試腐蝕減薄量為2 900 nm，整體腐蝕速率為0.070 7 mm/a，相對誤差為7.80%?？梢娞结樃g速率與掛片腐蝕速率結(jié)果一致性較好，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

1）設(shè)計開發(fā)了耐高溫、耐高壓及多通道同步監(jiān)測油套管腐蝕的高溫高壓井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)，有效地解決了油套環(huán)空腐蝕同步監(jiān)測的難題。井筒腐蝕探針監(jiān)測系統(tǒng)與油管采用卡接式的連接方式，有效地避免了焊接對油管腐蝕的影響，裝卸便捷、方便多次使用。

2）對高溫高壓井筒腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了耐溫140°C、耐壓70 MPa 的性能測試，腐蝕系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與高溫高壓腐蝕模擬結(jié)果偏差低于5%，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3）腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場掛片相對誤差為8.32%，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠滿足苛刻環(huán)境下井筒的腐蝕監(jiān)測要求，為有效掌握高溫高壓井筒油套環(huán)空腐蝕狀況提供了解決方案。