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(shí)時(shí)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(duì)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(shí)時(shí)在線監(jiān)控井筒腐蝕狀況的技術(shù)，以及時(shí)獲取井下腐蝕情況，預(yù)知及控制腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

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(duì)介質(zhì)有普遍適用的特點(diǎn)[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(hào)改變來計(jì)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(diǎn)

井筒探針腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)面臨以下幾個(gè)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(duì)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(diǎn)如下：

(1) 儀器設(shè)備小型化，探針和儀器采用一體化設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)，使得監(jiān)測系統(tǒng)滿足井下高壓環(huán)境(60 MPa)。

(4) 離線存儲(chǔ)方式，系統(tǒng)自帶電池和存儲(chǔ)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(jí)的高靈敏度特點(diǎn)，一般測量都可以在一個(gè)月內(nèi)完成，考慮到測量周期要求，電池和存儲(chǔ)器容量需滿足至少連續(xù)運(yùn)行6個(gè)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(jì)開發(fā)

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

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(dòng)測量腐蝕減薄深度并存儲(chǔ)，結(jié)束后，打撈設(shè)備，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至電腦中，通過專有軟件，對(duì)監(jiān)測期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)，在井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)前端放置腐蝕掛片，用于對(duì)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(jì)圖

2.1.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著井下深度的增加，溫度和壓力會(huì)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(jì)上，一是監(jiān)測儀只留有一個(gè)密封口，以減少密封環(huán)節(jié)，二是同時(shí)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(shí)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(jì)圖

2.2 儀器殼體的承壓能力設(shè)計(jì)

圓筒形壓力容器的設(shè)計(jì)公式見式(1)

S=P·D/(2·s·F-P)+C

(1)

式中：S為設(shè)計(jì)壁厚;P為設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(duì)焊式的不同，可對(duì)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(jì)算得壁厚為5.17 mm，實(shí)取6.5 mm。

2.3 井筒腐蝕監(jiān)測設(shè)備的電路設(shè)計(jì)

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(duì)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(jì)，降低功耗，在有限的條件內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確測量。電路設(shè)計(jì)的基本原理框圖見圖4，其實(shí)現(xiàn)措施如下：

圖4 電路測量原理示意圖

① 激勵(lì)信號(hào)采用直流電流。交流激勵(lì)信號(hào)由直流信號(hào)調(diào)試獲得，通過功率器件信號(hào)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(jí)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(jí)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(dòng)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(chǔ)單元采用EEPROM存儲(chǔ)器25LC640A,該器件具有8K存儲(chǔ)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(jì)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(yàn)的方法(水溫為18 ℃)，在70 MPa條件下測試了3次，保壓時(shí)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(jì)的井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)可滿足70 MPa使用要求，實(shí)現(xiàn)了耐壓60 MPa的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 耐溫性

針對(duì)井下高溫情況，對(duì)井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行耐溫試驗(yàn)，采用高溫試驗(yàn)箱，在150 ℃條件下保溫30 d，驗(yàn)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(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)探針與掛片均為P110鋼，試驗(yàn)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(duì)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(píng)價(jià)

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)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(yàn)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(shí)井下腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)前端放置掛片，用作對(duì)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(shí)測試溫度、壓力。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)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(shí)現(xiàn)井下腐蝕狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表2 探針與掛片測試對(duì)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(duì)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(shí)也滿足了井下140 ℃和70 MPa的高溫高壓環(huán)境使用需求。