井下油管内腐蚀实时监测技术

李清方;陆诗建;韩霞;王子明

【摘 要】针对油田油井油管内腐蚀日益加剧的问题,研制一种实时监测井下油管不同深度腐蚀速率的装置,装置包括电感型腐蚀探针、井下数据实时传输系统、压力传感器和温度传感器等.介绍腐蚀探针的组成、原理、材料,装置各模块的组成和作用.装置基于井下环境设计,经高温高压测试,该装置在60 MPa和125℃环境中能够稳定可靠工作.利用该装置测量20号钢在城市自来水中的腐蚀速率,与挂片法测得数据相比较,证明该装置能够反映实际腐蚀速率.将该装置在胜利油田开展下井测试,温度传感器和压力传感器能够正常工作,获得的腐蚀速率符合该环境实际情况. 【期刊名称】《煤气与热力》 【年(卷),期】2018(038)006 【总页数】4页(P54-57)

【关键词】油井;内腐蚀监测;高温高压;油管 【作 者】李清方;陆诗建;韩霞;王子明

【作者单位】中石化节能环保工程科技有限公司,湖北武汉430223;中石化节能环保工程科技有限公司,湖北武汉430223;中石化节能环保工程科技有限公司,湖北武汉430223;中石化节能环保工程科技有限公司,湖北武汉430223 【正文语种】中 文 【中图分类】TE35

1 概述

近年来，随着油田采出液含水率的提高，油田生产系统的腐蚀风险极大增高。同时，CO2油驱、稠油热采等采油新技术的应用使CO2、H2 S等腐蚀性气体伴随采出液进入生产系统，加剧了油田采出液的腐蚀性［1］。在油田开发的新形势下，腐蚀在线监测和腐蚀风险评估对保障安全生产显得尤为重要。

从测试机理来讲，常用的腐蚀监测技术主要有电阻型探针、电化学型探针和电感型探针。其中，电阻型探针应用较为广泛，利用腐蚀导致截面积变化，通过计算电阻进行测量。电化学型探针具有响应快速的优点，但要求测试的介质具有较强的导电性，在含原油的多相流环境中使用存在局限性。电感型探针是通过测量金属腐蚀引起的电感应强度变化从而得到腐蚀数据，具有较好的精度和稳定性，在国内外石油化工企业广泛运用。

尽管地面腐蚀监测技术已较为成熟，但尚缺少油田井下环境中油管内腐蚀速率实时监测技术。本文主要针对我国油田开发过程中油管内腐蚀呈现日益加剧的趋势，研制出了一种井下腐蚀监测装置，特别适用于井下不同深度的腐蚀速率实时监测，为井下腐蚀风险评估和腐蚀防护提供依据。 2 井下腐蚀监测装置研制 2.1 装置结构

井下腐蚀监测装置主要包括腐蚀探针、密封管封存的井下数据实时传输系统、压力传感器、温度传感器、连接导线和电缆插头，见图1。 图1 井下腐蚀监测装置结构

井下腐蚀监测装置所有模块安装于短节外壁单侧空间的弧形外壳中，内部通过导线相连，弧形外壳两侧设置电缆插头，电缆插头1用于多部井下腐蚀监测装置的连接，电缆插头2与地面接收仪连接，采集的数据经过电缆传输至地面接收仪。为

了不影响油管内流体流动状态，腐蚀探针与压力传感器测试端面设计为平面，紧贴管柱内壁平行安装。温度传感器放置于管柱外壁，通过金属管壁良好的热传导性能获取管内流体的温度信息。油管短节与油管连接的内直径为62 mm，短节主体部分壁厚为14.5 mm，弧形外壳最大半径为50.75 mm。该短节以螺纹形式安装于两节油管之间，与油管保持同心，对油管内的流场不产生影响。 2.2 腐蚀探针

① 腐蚀探针的组成及原理

采油井内一般为高温高压的多相流介质，对油井管腐蚀性较强，要实现井下腐蚀监测，首先要研制出耐受高温高压的腐蚀探针。本研究中使用的探针为电感型探针，包括承压壳体、测量试片、密封胶及通信线，测试端面设计为平面，腐蚀探针的结构见图2。

腐蚀探针工作原理为:腐蚀探针内部埋设线圈，电流通过线圈时，在线圈周围会产生电磁场，测量试片位于线圈磁场中。当测量试片腐蚀减薄时，线圈电感应强度随电阻的变化相应改变，腐蚀探针通过检测电感应强度的变化量推算金属试片的腐蚀减薄量，从而获得管道腐蚀速率。为了不影响油管内流体流动状态，腐蚀探针端面紧贴管柱内壁平行安装。腐蚀探针设计为可拆卸形式，在下井测试前检查腐蚀探针测试端面腐蚀情况，必要时更换新的腐蚀探针。 图2 腐蚀探针结构 ② 相关材料选材

为了耐受井下高温、高压和腐蚀性环境，综合考虑材料加工性能，结合工程设计中安全系数要求，根据力学强度计算，最终选择17－4不锈钢作为腐蚀探针承压壳体。

为了满足电气测量要求，防止测量试片与腐蚀探针的接触电阻影响到腐蚀探针对电感应强度的测量，采用一种绝缘性良好、高黏度的单组分加热固化环氧树脂密封胶

将测量试片封装于腐蚀探针端面，密封胶耐温高于125℃，耐压大于60 MPa。 2.3 井下数据实时传输系统

井下数据实时传输系统又称为井下电路系统，可以实现腐蚀探针及各类传感器的数据传输，主要包括数据采集电路、数据转换电路、供电电路，封装于密封管内，见图3。

图3 井下数据实时传输系统结构

数据采集电路集成数据存储单元，用于实时存储腐蚀速率、温度、压力数据。数据转换电路模块设置电流信号放大功能，避免井下信号经过电缆传输至地面时失真。供电电路设置电子开关，工作电压范围为20～40 V，若超过此范围，自动切断电路，仪器停止工作，实现自保护，避免井下杂散放电信号干扰。 2.4 井下电源与存储模块

井下电源与存储模块为井下电路提供35 V直流供电电源，可以实现在无外界供电情况下运行。同时根据地面接收仪发送的指令，对储存的数据实时读取，也可以定期读取或清除存储单元内的数据。 3 井下腐蚀监测装置性能测试 ① 耐压性能测试

腐蚀探针依靠承压壳体来承受压力，需要检验其耐压性能。在承压壳体内部放置定性滤纸，使用密封胶进行密封处理。腐蚀探针整体置于高压釜中，升压达到60 MPa，保持压力时间为30 min。随后降压，取出腐蚀探针，打开观察腐蚀探针内滤纸状态。经过多次测试，承压外壳无变形、压溃现象，滤纸完好且未吸潮变色，说明腐蚀探针及其承压壳体的密封性能良好。由此判断，该腐蚀探针承压壳体可以在60 MPa外界压力下保持良好的气密性。 ② 耐温性能测试

为了保证腐蚀探针和井下电路系统能够耐受125℃高温，通过环氧树脂胶开裂情

况、密封圈老化情况、井下数据实时传输系统信号稳定性等相应指标开展耐温性能测试。实验过程中，将灌封好的腐蚀探针和井下电路系统放入高温测试箱内，以大约5℃/min的升温速率加热到125℃，保持温度时间为72 h。然后取出，经观察，环氧树脂胶无明显开裂情况，密封圈无老化，井下数据实时传输系统信号正常，这表明高温环境下该腐蚀监测装置能够稳定运行。 ③ 装置准确性验证

为了检验井下腐蚀监测装置的测试数据与实际吻合程度，以20号钢作为测量试片，利用该装置检测20号钢在普通城市自来水中的腐蚀速率，其结果见图4。 图4中，横坐标为采样数据序列，纵坐标为测量试片的腐蚀损耗量。该实验共采集477个数据，总时长约40 h。从图4中可以看出，随着采样数据序列的增加，腐蚀损耗量呈增加趋势，至采样结束，腐蚀损耗量为297 nm，折算得到平均年腐蚀速率为0.065 mm/a。

与此同时，通过腐蚀挂片法测得20号钢在普通城市自来水中的平均年腐蚀速率为0.05 mm/a。这说明该腐蚀探针所测数据能够反映实际腐蚀速率。 图4 20号钢在自来水中腐蚀损耗量 4 胜利油田现场应用测试 ① 装置下井测试过程

将研制的井下腐蚀监测装置在胜利油田已完成的某注采测试井开展下井测试实验。该测试井深度约2 500 m，井筒内介质为含油污水，下井测试深度分别设定井深为500 m、1 000 m和1 500 m。腐蚀监测装置下井速度为32 m/min，电缆随腐蚀监测装置同步下井，下井过程中采用电缆进行井下仪器的供电和信号传输，井口设置减压接头，与地面接收仪连接，到达预定测试点后停止下井，测试完毕后装置出井。整个下井作业需要专业测井队伍协助完成。测试过程中，装置下至500 m处开始计时，500 m处保持时间为30 min，1 000 m处保持时间为60 min，

1 500 m处保持时间为30 min。随后，将井下腐蚀监测装置整体取出，观察检测装置完好性。下井过程中监测装置运行正常，井下通信正常，各传感器反应灵敏。 ② 数据采集与分析

图5连续记录了下井过程中不同深度温度和压力变化的情况。

当腐蚀监测装置放置于500 m处时，温度和压力分别为17℃和2 MPa。在1 000 m处时，温度和压力分别达到32℃和8 MPa。在1 500 m处时，温度和压力分别达到50℃和17 MPa。在下井作业阶段，温度和压力的变化响应迅速。该测试数据表明，温度传感器和压力传感器能够正常工作，可以实时获得不同井深数据信号。

图6所示为500 m处和1 000 m处采集的腐蚀数据。

在500 m处累计记录30 min，总计腐蚀损耗量约2.44 nm，折算平均年腐蚀速率为 0.041 mm/a。在1 000 m处累计记录时间为60 min，腐蚀损耗量约6.375 nm，折算平均年腐蚀速率约为0.052 mm/a。该测试井内为普通油田生产污水，腐蚀性较弱，获得的腐蚀速率符合该环境实际情况。可见，利用本文所述井下腐蚀监测装置可以获取不同井深油管的腐蚀速率，达到预期效果。 ③ 应用前景分析

监测装置下井测试结果表明，该腐蚀在线监测装置能够在油田生产现场进行应用，可用于各类生产井油管内壁腐蚀速率的监测，预测油管管柱内腐蚀风险，提高腐蚀防护针对性。本文提供的井下腐蚀监测装置将为油田生产单位新建和在役油田生产井、注水井、注气井等提供全面腐蚀评估，为现场腐蚀决策提供可靠依据，避免盲目性，节约支出，在CO2驱油等多种工况油井具有较高的应用价值。 图5 实时监测的不同井深温度和压力变化情况 图6 井下500 m和1 000 m处腐蚀损耗量 5 结论

① 本文研制的井下腐蚀监测装置主要包括腐蚀探针、井下数据实时传输系统、压力传感器、温度传感器等，经高温高压测试和城市自来水浸泡实验表明，该装置在125℃、60 MPa的高温高压环境下，可以准确采集温度、压力和腐蚀数据。 ② 将研制的井下腐蚀监测装置在胜利油田某注采测试井开展下井测试实验，通过采集井深500 m、1 000 m、1 500 m处的温度、压力信号及500 m、1 000 m处的腐蚀速率，表明该装置采集数据符合实际情况，达到预期性能。 参考文献:

［1］ WANG ZM，LIU X T，HAN X，et al.Managing internal corrosion ofmild steel pipelines in CO2 enhanced oil recoverymultiphase flow conditions［J］.Energy Technology，2015(3):225 －233.