吳雨晟，馮 強，任 建，王建明，何 莎，趙焰峰，鄧偉林，葛凱奇，楊云皓

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 德陽 618300；(2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項目經(jīng)理部，四川 成都 610000)

0 前 言

一個多世紀以來，隨著油氣藏開發(fā)的日益深入，投入生產(chǎn)的油氣井數(shù)量與日俱增，在役的油管、套管數(shù)量也隨之增加。同時，隨著人類社會對原油需求量的日漸增大，前中期探明的開采、運行維護難度相對較小的油氣藏逐漸采空或減產(chǎn)。為保障原油供應(yīng)，如今需要開采難度更大的、開采及生產(chǎn)設(shè)備服役環(huán)境更加惡劣的油氣藏[1]。因此，油氣行業(yè)對油氣井井下檢監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備提出了更高的要求，以保障油氣田安全高效生產(chǎn)。

1 檢測技術(shù)

目前，被證明可靠并被廣泛接受的油套管腐蝕檢測設(shè)備及技術(shù)多數(shù)來自國外。近年來，美國的斯倫貝謝(Schlumberger)公司、貝克休斯(Baker Hughes)公司、哈里伯頓(Halliburton)公司、英國的桑德斯(Sondex)公司、俄羅斯的維尼吉斯地球物理(GITAS)公司等國外巨頭對井下油套管腐蝕檢測技術(shù)開展了又一輪深入研究，現(xiàn)今應(yīng)用較多的油套管腐蝕檢測技術(shù)主要包括電磁、超聲波、機械井徑測量和井下電視等[2]。以下列舉數(shù)種代表業(yè)內(nèi)先進水平的油套管腐蝕檢測設(shè)備。

1.1 電磁檢測

(1)Schlumberger 公司研制的電磁掃描套管腐蝕檢測工具(EM Pipe Scanner Electromagnetic Cashing Inspection Tool)[3]，可以同時采用低頻和高頻感應(yīng)電流對套管進行檢測，分別得到用于評估剩余金屬厚度的低頻電磁圖像和傳感器產(chǎn)生的高頻辨別圖像。

(2)Halliburton 公司研發(fā)的多頻三軸陣列感應(yīng)測井儀(XaminerTM)[4]，該儀器利用瞬變渦流電流穿透套管層，能夠同時檢測油管及最內(nèi)層套管，并且具有相當?shù)木取?/p>

(3)GITAS 公司研發(fā)的多層管柱電磁探傷成像測井儀(MID-K)及其升級產(chǎn)品MID-S，MID-S 相較于MID-K 增加了井周掃描功能，在測量精度上有了較大的提高[5]。該系列產(chǎn)品還能穿層，可同時檢測多層油套管并保證一定精度。

(4)TGT 公司2020 年推出的新產(chǎn)品——Pulse1 高精度電磁探傷儀[6]作為同類型最新產(chǎn)品之一，將三維建模、電磁探傷、高性能傳感器結(jié)合在一起，測量誤差僅為2%，處于行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位。

1.2 超聲波檢測

(1)Schlumberger 公司研制的超聲成像測量儀(Ultrasonic Imager)可以有效評價水泥膠結(jié)質(zhì)量和套管腐蝕程度；另一種升級專用產(chǎn)品超聲套管成像儀(Ultrasonic Cashing Imager)[7]則能夠更為精確地檢測套管缺陷，其檢測精度能夠達到±1 mm。

(2)Halliburton 公司的環(huán)形聲波掃描儀(CAST)和CAST-V[8]配有超聲換能器，能夠檢測到小于1 L/min的泄露，但是其需要在液體環(huán)境中進行檢測，因此在油井中應(yīng)用較多，難以用于氣井井下腐蝕檢測。

1.3 機械井徑測量

(1)Schlumberger 公司的多臂成像井徑儀(Platform Multi-finger Imaging Tool)[9]擁有24 臂、40 臂、60 臂3種型號可供選擇，并且每種型號的儀器都能切換3 種不同的尺寸以適應(yīng)不同直徑的油套管。

(2)Baker Hughes 公司的成像井徑測井儀(Imaging Caliper Log Instrument)[10]的每個觸臂對井壁的壓力能夠控制在4.5～6.7 N 之間，能夠在對井壁造成損傷最小的情況下確定套管的腐蝕磨損程度，識別潛在的泄漏，評價套管是否有足夠的強度進行油氣井安全增產(chǎn)作業(yè)。

(3)Sondex 公司的多臂成像測井儀MIT(Multi-Finger Imaging Tool)有24 臂和60 臂2 種型號；Halliburton 公司多臂井徑儀(Multi-Finger Caliper)[11]有40臂和60 臂2 種型號，其測量原理都與Schlumberger 公司的多臂成像井徑儀(Platform Multi - finger Imaging Tool)類似。

1.4 噪聲測井(頻譜)儀

(1)Sondex 公司的數(shù)字噪聲儀(NTO)[12]通過電纜繩作業(yè)下放至井底再緩慢上提，能夠識別井下頻率范圍在100～12 700 Hz 的噪聲，通過采集噪聲頻譜再與由腐蝕穿孔等原因造成泄露的特征噪聲頻率對比，從而準確找到泄漏點。

(2)GITAS 公司噪聲頻譜儀(TSH)[13]也是基于類似的原理，其能夠識別的噪聲頻率范圍達到100 ～20 000 Hz。

(3)TGT 公司研發(fā)的噪聲頻譜儀(SNL)[14]更是能夠識別8～60 000 Hz 范圍內(nèi)的聲學噪聲，測井中采集的數(shù)據(jù)通過儲存單元儲存，回收后通過特定軟件進行解釋。

1.5 井下電視檢測

目前較為成熟的井下電視系統(tǒng)主要是Halliburton公司HawkeyeTM、Fiber-Optic 及EyeDealTM等，該類型的檢測儀器能夠直接采集井下油套管的高清圖像，較為直觀，但是對井筒內(nèi)流體的透明度有一定要求[15]。

值得一提的是，經(jīng)過長期不懈的鉆研，國產(chǎn)儀器設(shè)備也取得了長足發(fā)展。威盛(WELL - SUN)、思坦(SITAN)、格威(GOWell)等石油儀器公司相繼推出了包括電磁探傷測井儀、多臂井徑儀、噪聲測井(頻譜)儀在內(nèi)的相對成熟的技術(shù)產(chǎn)品。其中盛威(WELL -SUN)、思坦(SITAN)主要以仿制國外的儀器設(shè)備為主，其硬件設(shè)備測量精度能夠達到國際平均水平，但很多時候由于缺乏獨立算法，依賴國外軟件解釋平臺，有一定局限性。格威(GOWell)石油儀器公司作為國產(chǎn)儀器走向世界的代表，其設(shè)備制造和軟件解釋平臺均處于國際領(lǐng)先水平。代表性產(chǎn)品電磁探傷測井儀(ePDT)[16-18]其單層管柱測量精度能夠達到0.16 mm；儲存噪聲儀(ALFA)與靜態(tài)噪聲儀(SNT)的噪聲測井儀組合[19，20]同樣能夠識別8 ～60 000 Hz 的聲學噪聲，處于國際領(lǐng)先水平，并且配備了自主研發(fā)的專用解釋平臺ViewWellTM。

2 監(jiān)測技術(shù)

相較于檢測技術(shù)而言，油氣井井下腐蝕監(jiān)測技術(shù)的壁壘并非牢不可破，國內(nèi)外均有大量技術(shù)報道?，F(xiàn)存的較為成熟的井下腐蝕監(jiān)測方法主要有腐蝕掛片(環(huán))法、腐蝕探針法、緩蝕劑殘余濃度分析法、化學分析法等。以下分類進行列舉。

2.1 腐蝕掛片(環(huán))法

(1)中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院經(jīng)過不懈努力，成功研發(fā)出一種包含座放短節(jié)和掛片定位短節(jié)的井下掛片腐蝕監(jiān)測裝置[21]。該裝置能夠通過鋼絲繩作業(yè)下放到井下指定位置，也能夠通過鋼絲繩作業(yè)進行打撈。經(jīng)過論證，工具對管中壓力和氣體流態(tài)影響甚微，能夠準確監(jiān)測井下腐蝕且不會影響生產(chǎn)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 井下掛片腐蝕監(jiān)測裝置[21]Fig.1 Corrosion monitoring device of underground hanging piece[21]

(2)中國石油天然氣股份有限公司提供了一種“井下腐蝕監(jiān)測的掛環(huán)裝置”[22]，該裝置能夠同時裝配10個內(nèi)監(jiān)測掛環(huán)和10 個外監(jiān)測掛環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠同時監(jiān)測油管和油套環(huán)空腐蝕，操作簡便且能夠重復使用。

(3)美國的雪弗龍研究所在20 世紀末公開了一種用于井下管柱腐蝕監(jiān)測及井下腐蝕環(huán)境監(jiān)測的掛片裝置[23]，該裝置能夠同時裝配6 片腐蝕試片，同類型的產(chǎn)品至今仍適用于井下油管腐蝕監(jiān)測及井下腐蝕環(huán)境監(jiān)測。

2.2 腐蝕探針法

(1)早在1994 年美國的COSASCO 公司就已經(jīng)研發(fā)成功了井下腐蝕探針裝置[24]，該裝置以與油管或鉆桿相同的材料制成的薄壁電阻型腐蝕傳感器為主體，以確定井筒內(nèi)的金屬損失率。裝置還配備一個儲存單元用于儲存監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以通過計算機讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)用以分析腐蝕狀況。裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 井下腐蝕探針裝置[24]Fig.2 Underground corrosion probe device[24]

(2)中海油常州涂料化工研究院有限公司2017 年公布了“一種腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)”發(fā)明專利[25]，具體是在生產(chǎn)井進行起下管柱的同時安裝井下腐蝕監(jiān)測器到指定位置，通過信號采集、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)饶K，一方面監(jiān)測油管內(nèi)壁、油管外壁及套管內(nèi)壁的腐蝕情況；另一方面測量油管內(nèi)、外的工況(如溫度、壓力等)等信息。

(3)中國石油西北油田分公司公布了“一種鑲嵌式油套管腐蝕監(jiān)測裝置”[26]實用新型專利。通常井下油套環(huán)空腐蝕監(jiān)測采用掛環(huán)，無法實現(xiàn)連續(xù)腐蝕監(jiān)測，并且常規(guī)的油套環(huán)空腐蝕探針監(jiān)測耐溫耐壓相對低，很多時候無法滿足工況需要。該發(fā)明不僅實現(xiàn)了井下油套環(huán)空腐蝕在線監(jiān)測，并且裝置耐溫耐壓性能大幅提高，填補了國內(nèi)超深高溫油套環(huán)空腐蝕連續(xù)監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)空白。

(4)武漢科思特儀器股份有限公司[27]2015 年公開了一種由電阻探針和交流阻抗探針作為主要元器件的復合探頭裝置及其監(jiān)測方法。該裝置一方面能夠通過電阻探針的參考元件與感受元件的端電壓，計算出井下管柱的腐蝕余量；另一方面能夠通過在工作電極上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極的極化電流和參比電極的極化電位，獲得工作電極的極化電阻，進而可測得腐蝕速率。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)井下管柱腐蝕狀態(tài)的快速在線監(jiān)測并適用于高溫高壓、多相介質(zhì)等多種復雜工況條件下。

2.3 緩蝕劑殘余濃度分析法[28，29]

緩蝕劑殘余濃度通?？梢酝ㄟ^化學分析和儀器分析測量。化學分析包括兩相滴定法和電位滴定法等。以分光光度法和色譜法為代表的儀器分析方法能夠簡便、準確、快速得到結(jié)果。

2.4 化學分析法[30]

化學分析法是通過對采出水中鐵離子、氯離子、硫化氫等含量進行分析，為井下腐蝕情況的監(jiān)測提供依據(jù)的方法，其中對鐵離子監(jiān)測較為普遍。最常用鄰二氮雜菲比色分析法，實驗室分析也會用到原子吸收光譜光度測量法、重鉻酸鹽滴定法和乙二胺四乙酸(EDTA)滴定法。

2.5 其他方法[31]

電化學法是在電解質(zhì)環(huán)境下進行腐蝕速率實時監(jiān)測的有效方法，在油氣田通常只用在水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測上。其他監(jiān)測方式包括氫監(jiān)測、超聲波測壁厚及電場指紋[32]等，被用于地面管線或淺表埋地管線腐蝕監(jiān)測的方法或設(shè)備，理論上同樣能夠用于井下管柱的腐蝕監(jiān)測，但是受制于現(xiàn)存的工程技術(shù)、通訊技術(shù)以及使用成本的考慮，暫時鮮有應(yīng)用于井下管柱的腐蝕監(jiān)測。

3 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

單項檢測技術(shù)中，多臂井徑儀在國內(nèi)的各大油田已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。2009 年在克拉瑪依油田[33]對8個區(qū)塊進行多臂井徑成像測井，所測井類包含油井、氣井和注水井等。檢測結(jié)果顯示，不同井次的多處油管、套管存在變形扭曲、穿孔或開裂，業(yè)主認為結(jié)果與實際情況較為符合，總體應(yīng)用效果良好，應(yīng)用前景廣闊。勝坨油田[34]經(jīng)歷了多年的開采，多井油套管出現(xiàn)了嚴重的腐蝕及變形損壞，大規(guī)模減產(chǎn)。其中X-141 井關(guān)井2年多后，根據(jù)40 臂井徑成像指導采取了補貼停扶有效治理，復產(chǎn)后日產(chǎn)油12.4 t，截止發(fā)稿已累計增產(chǎn)3 000 余噸。認為40 臂井徑成像能夠有效指導補貼停扶工藝，最大限度地優(yōu)化了生產(chǎn)井筒，提高油水井及層段利用率。

俄制的電磁探傷測井儀MID-K 及MID-S 相繼被引入國內(nèi)并應(yīng)用于生產(chǎn)測井，二者同樣基于感應(yīng)電動勢ε的變化計算檢測對象壁厚[35，36]。相比較而言，MID-S設(shè)備外徑更小，在管柱中通過性更好，針對不同管徑的檢測對象適應(yīng)性更強；同時由于其增加了周井掃描功能，檢測精度更高，誤差更小。國內(nèi)油田應(yīng)用實例顯示，MID-K、MID-S 電磁探傷測井儀對油套管孔、縫等類型缺陷反應(yīng)較為靈敏。缺陷在信號圖上反映為尖峰，在數(shù)值上以管柱某一深度處的平均壁厚體現(xiàn)，參考某井地質(zhì)設(shè)計及測井歷史能夠較為準確地判斷該井管柱某一深度處的缺陷損傷程度，從而指導修井策略，保障安全高效生產(chǎn)。

在長時間的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，我們僅僅運用單一的檢測手段有時不足以準確地反映井下管柱的腐蝕、損傷情況，通常運用不同功能的儀器組合能夠得到更為準確的檢測結(jié)果。

目前國內(nèi)應(yīng)用較多的多臂井徑成像及電磁探傷測井各有其優(yōu)劣和適用范圍。多臂井徑成像能夠準確判斷井徑的變化，但是容易因管柱內(nèi)壁結(jié)垢造成缺陷誤判；并且各種型號的儀器都不能避免觸臂間的空隙而造成管柱缺陷漏檢[37]。電磁探傷測井能夠較為準確地測量管柱金屬損失，但卻無法探明管柱因為內(nèi)外因素而形成的變形扭曲等。因此，業(yè)內(nèi)人士大都對多臂井徑成像與電磁探傷測井的組合應(yīng)用較為認可。川慶鉆探測井公司[38]在測井側(cè)作業(yè)中采用了MIT 和MID-K的儀器組合，檢測完成后通過起出被檢管柱進行缺陷驗證，發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)解釋與工程評價結(jié)合良好，驗證符合率達到90.48%，認為采用多臂井徑和電磁探傷組合測井技術(shù)，能夠有效減少油套管損傷檢測的誤判、漏判。中國石油集團測井有限公司吐哈分公司[39]在紅南XX 井進行了某型號40 臂井徑成像儀與電磁探傷儀的組合應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)儀器組合在判定內(nèi)外層管柱的腐蝕、變形、穿孔等損傷情況的同時記錄伽馬和溫度曲線，可以定性判斷管柱破損情況和漏失現(xiàn)象；并且，40臂井徑成像和電磁探傷優(yōu)勢互補，基本能夠排除管內(nèi)流體性質(zhì)、管柱表面稠油黏附、污垢、結(jié)蠟等的影響。此外，多臂井徑成像與電磁探傷測井儀器組合在青海油田、長慶油田、延長油田、重慶涪陵頁巖氣等國內(nèi)各大油氣田均有成功應(yīng)用[40-43]。

受益于國家工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國企業(yè)成功打破技術(shù)壁壘并實現(xiàn)超越，實現(xiàn)了多臂井徑成像儀、電磁探傷測井儀的國產(chǎn)化，儀器銷往海外并且實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用[44]。處于國際先進水平的噪聲測井技術(shù)及設(shè)備在青海油田、中原油田、龍崗氣田等多個油氣田也實現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用[45-47]。

常用的井下腐蝕監(jiān)測技術(shù)主要是化學分析法、緩蝕劑殘余濃度分析法、井下腐蝕掛片(環(huán))等常規(guī)方法，需要用到的設(shè)備采購價格低廉、技術(shù)門檻不高，國內(nèi)幾乎所有油氣田都能做到日常實施監(jiān)測，且通常采取2種或多種技術(shù)組合。輪南油田[48]在采用井下腐蝕掛環(huán)進行監(jiān)測的同時，對采出水和腐蝕產(chǎn)物的成分進行了分析，發(fā)現(xiàn)其腐蝕嚴重井段的平均腐蝕速率達到0.214 mm/a，非常嚴重，且腐蝕主要由CO2和Cl-造成，該監(jiān)測結(jié)果對油田進一步的防腐措施提供了重要指導。在早期的研究中，蘇里格氣田[49]發(fā)現(xiàn)引起其氣井井筒腐蝕的主要因素有二:一是H2S 應(yīng)力腐蝕；二是H2S-CO2-H2O 體系產(chǎn)生的電化學腐蝕。采用CQQT-Ⅲ型氣井井下掛片腐蝕監(jiān)測裝置開展井下不同深度的腐蝕監(jiān)測，同時結(jié)合產(chǎn)出水、腐蝕產(chǎn)物成分等開展深入研究，發(fā)現(xiàn)井筒腐蝕主要為CO2腐蝕，電化學腐蝕占主導地位。國內(nèi)的其他油氣田[50-53]，如渤海油田、中原油田、長慶油田等都采用了類似的技術(shù)組合開展日常的井下腐蝕監(jiān)測。

此外，也有油氣田公司對所屬某些油氣井開展了井下腐蝕探針的試驗性應(yīng)用[54，55]，但是出于設(shè)備成本、技術(shù)可靠性、設(shè)計施工難度等多方面的考慮，現(xiàn)階段還未能形成全面的推廣應(yīng)用。川慶鉆探工程有限公司[56]在長慶油田對其研發(fā)的一套集成井下陰極保護和在線腐蝕監(jiān)測功能的裝置進行了試驗性應(yīng)用，通過在線監(jiān)測腐蝕模塊反饋于陰極保護模塊，指導陰極保護模塊提供最適當?shù)谋Ｗo電流，取得了很好的應(yīng)用效果。在油氣田設(shè)計建設(shè)之初須將該裝置的安裝考慮在內(nèi)，因此該裝置在如今已經(jīng)趨于成熟的油氣田中難以推廣。

4 總結(jié)與展望

自20 世紀末以來，有賴于各學科技術(shù)的突飛猛進，油氣井井下檢監(jiān)測技術(shù)取得了長足進步，但仍存在不盡如人意之處。筆者認為，檢監(jiān)測設(shè)備或可向提高檢測精度、產(chǎn)品小型化、功能集成化方向攻關(guān)，提高檢測可靠性和設(shè)備適應(yīng)性；此外，不難發(fā)現(xiàn)，真正能夠有效利用的井下腐蝕在線監(jiān)測、實時監(jiān)測的技術(shù)手段屈指可數(shù)，也是一個重要攻關(guān)方向。