油井采输管线腐蚀监测系统研制探究

范路，李风，张瑾，李峰

（中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000）

1 概述

我国有93%以上的油田都是采用注水开发的，而水驱采收率只能达到40%左右。长期的大量注水，使我国的老油田普遍进入了高含水阶段，因此必须配合其他方法提高采收率，二氧化碳驱油有着巨大的应用潜力。

CO2的注入势必影响产出水的水质，进而加剧采输系统构件的腐蚀、引发严重的局部腐蚀，制约着驱油技术的发展。采输部件一旦发生腐蚀，不仅给油田的正常开发和生产造成巨大的经济损失，同时也会造成环境污染，甚至威胁人身安全。

CO2明显增加了介质的腐蚀性，而且其腐蚀速率随着温度、分压和水油比增大而逐渐增大；随着腐蚀时间的延长而逐渐降低。采输系统杆管内的流体不仅会对管壁造成冲刷作用，破坏腐蚀产物膜，而流体中所含有的 Cl－、HCO3－、Ca2+、Mg2+也会加剧采输系统部件的腐蚀。碳钢、高强钢采输系统部件在CO2驱工况下，当部件出现内部腐蚀缺陷时其较之普通钢级部件将面临更严峻的挑战，严重时甚至造成泄漏爆炸等灾难性事故。

在采输系统部件定量评价方法中，对于含缺陷部件的剩余强度评价研究已经得到很大发展。由于采输部件内部缺陷是影响在役设备众多安全因素中的最重要因素之一，采输部件由制造到现场施工与运营服役的过程中会不可避免的产生缺陷，而缺陷的程度不同对系统的影响也不相同，当前对于采输系统部件腐蚀模型及剩余强度评价的研究开展仍较片面，没有考虑部件内部流体的影响，缺少重点位置部件的内腐蚀缺陷强度评价方法。

万辰咏等分析了天然气集输管线腐蚀穿孔的原因，综述了集输管线腐蚀监测手段特点及适用性。杨棵采用超声波反射时差法,运用延时信号插值法,进行了在线管道腐蚀监测系统的关键技术研究。高桂设计了监测管道腐蚀及泄漏状态的监测系统，进行了管道腐蚀、泄漏的监测实验。

对CO2采输设备的腐蚀过程进行在线监测，实时了解设备的腐蚀状态，对设备腐蚀造成的安全隐患进行科学的、有预见性的分析和判断，对系统中设备进行科学的安全管理，正确评价各种类型内部缺陷对采输部件强度、寿命及安全性的影响，确定更换和维修设备的时间，保证系统运行安全，保证CO2驱工况下采输部件安全运营、准确地分析预测采输系统部件剩余强度与运营状态的快速评估，可有效降低安全事故发生的可能性，因此针对在役管道的腐蚀监测尤其重要。

2 总体设计方案

根据采输环境中材料腐蚀机理、工况环境、腐蚀、受力状态，以在役20#管道为研究对象，利用管道实时腐蚀监测探头，配套温度、压力、流量传感器、数据采集硬件及系统运行平台，采用多传感器数据分析融合技术实现地面管线失效风险评估及剩余寿命预测算法，结合失效风险评估及剩余寿命预测模型，编制管道实时在线监测及剩余强度、剩余寿命预测算法和接口软件，为系统维护和安全运行提供动态监控和预警。

图1 技术路线规划图

根据在线监测系统检测技术要求，系统测量的主要参数有：管线腐蚀实时参数、采出液温度、采出液流量和采出液入口压力，为了使数据采集系统具有较好的精度、较稳定的性能，系统采用DCS（分布式控制系统）系统来实现采集控制功能。以工业控制计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理，上位机通过操作软件实现试验数据的实时采集、显示、标定、动态实时曲线显示、历史数据查询、数据报表打印输出等功能。下位机采用高性能微处理器实现现场数据的获取，二者之间数据交互采用无线通讯模式进行，通讯方式如图2所示。

图2 腐蚀测试系统设计图

3 弯管仿真与实际测量

现场测试进行数据分析，管线流体流量是很关键的参数，而现场管线存在诸多弯头导致数据误差较大，因此对弯头进行了流速仿真，进而校正计算方法。当采出液流经弯头时，由于弯头的内径较小，其流动速度较快，在弯头内测采出液对金属的腐蚀速率较大，而在弯头的外侧，采出液的流动速度较小。针对这种情况进行了仿真模拟分析，仿真条件为边界：速度入口（0.3 m/s，0.6 m/s，0.9 m/s）、自由出流；介质：常温下的清水；90°弯管内径：65mm；拐弯半径：64mm；

图3 沿着垂线的速度分布曲线（0.9m/s）

图5 现场设备

图6 需要现场安装的配电柜

通过模拟仿真可知在管道直径不变的情况下，当采出液的来流速度为0.3m/s时，弯头内液体流速最快为0.46m/s。当采出液的来流速度为0.6m/s时，弯头内液体流速最快为0.93m/s。当采出液的来流速度为0.9m/s时，弯头内液体流速最快为1.4m/s。液体的来流速度与弯头内液体的最快流速关系如图4所示。

图4 弯头内液体最快流速与液体来流速度的关系

监测中心软件人机接口界面如图7所示，接口软件含有现场检测的管线温度、压力、流量等测量信息，还包括了地面管线、弯头的腐蚀速度，并计算出管线的剩余强度和剩余寿命，采用预测分析算法，将井下杆管的腐蚀速度进行了计算，通过接口软件即可清晰获取井下腐蚀速度，相关信息对于技术人员具有很好的参考价值。

图7 检测配套软件

注水管线腐蚀监测系统在油田现场进行了安装测试，获得实时测试数据，经分析，数据准确可靠，具有重要的参考价值。

4 结语

在CO2驱采输环境中材料腐蚀机理的研究基础上，结合管道在役环境、受力状态工况，采用电阻探针进行在役管道的腐蚀监测，采用无线数据通讯方式，获取实时检测数据。通过建立失效风险评估及剩余寿命预测模型，完成了实时监测和剩余寿命预测数学计算方法，建立了一套20#管道在线实时腐蚀监测系统，为系统维护、安全运行提供动态监控和预警，具有重要意义。