高温高压井筒腐蚀监测系统研制与应用

2024-01-12刘振东张江江曾德智

西南石油大学学报(自然科学版) 2023年6期

龙武，刘振东，张江江，李芳，曾德智

1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011 2.油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学，四川成都 610500

引言

随着油田开发逐渐进入中后期，综合含水率不断上升。注水、注气等提高采收率措施的实施，导致井筒腐蚀问题日益严重，特别是采出介质中含有H2S、CO2等酸性气体时，对油田井筒设施造成的腐蚀更为严重[1-3]。井筒腐蚀中全面腐蚀与局部腐蚀共存，以局部腐蚀为主，约占腐蚀总数的70%～90%。腐蚀监测技术已经成为掌握油田腐蚀现状、制定防腐措施和评价防腐效果的重要手段。为了准确掌握井筒到地面集输系统的腐蚀状况，目前，已经形成了多品类、有针对性的多种腐蚀监测技术。塔河油田井下环境恶劣，具有高温、高压及高矿化度地层水的特点，同时含有H2S、CO2酸性气体，使得注采系统腐蚀问题严峻。开展井筒油套环空腐蚀监测系统研制与应用，对掌握该油田生产系统的腐蚀状况、保障油田安全高效运行具有重要意义。

油气田常见的腐蚀监测方法包括挂片失重法、电感探针监测、电阻探针监测、电化学噪声法（Electrochemical Noise，EN）及场指纹腐蚀监测（Field Singature Method，FSM）等方法[4-6]。

挂片失重法是一种常见的腐蚀监测技术[7]，工作原理简单，可用于井口或管道中，分析腐蚀产物便捷[8-9]，但作业周期长，使用环境局限性大[10-11]。电阻探针监测是通过电阻值的变化来推算腐蚀量进而得到腐蚀速率[12-14]，响应速度快、周期短，应用环境多样但易受环境影响[15-19]。电化学噪声是一种通过分析电化学中的电位、电流状态等参数的波动来评价腐蚀速率大小的监测方法[20-24]。

然而，上述腐蚀监测技术多用于地面管线及井口[25-29]，近些年，随着油气开发进一步发展，钻井逐渐朝着深井超深井的方向迈进，针对井下复杂工况的井筒腐蚀监测技术仍然处于空白状态，油管、套管同步腐蚀监测技术也未有应用，为了掌握井下油套管的腐蚀状况，亟需开发一套适用于高温高压井筒环空的腐蚀监测技术。

针对上述问题，本文设计开发了耐温140°C、耐压70 MPa、多通道同步监测油套管腐蚀的管状腐蚀探针监测系统，并进行了室内模拟和现场应用评价。针对井下复杂苛刻的腐蚀环境，优化了监测装置与井下管柱的连接方式，为有效掌握井筒油套环空腐蚀状况、保障生产安全具有重要意义。

1 井筒腐蚀探针监测系统开发

1.1 井筒腐蚀探针监测系统开发原理

油套管环空腐蚀监测技术基于电感腐蚀监测技术原理，电感腐蚀监测（电感探针法）是一种间接监测金属腐蚀的方法，以测量金属腐蚀损失为基础，通过测量腐蚀试片减薄引起的交流信号变化来计算腐蚀损耗速度。

安装在管路中的测量装置，通常以电感探针的方式存在，探针通常采用管状或片状结构。在受到腐蚀损害后其横截面积减小会引起交流信号发生变化，从而对测量试片施加交流信号，通过交流信号的变化来计算测量元件的减薄量和腐蚀速率。交流信号通过电感数据采集器采集，电感数据采集器的激励信号采用交流电恒电流信号，通过电感元件作用于测量试片，具有抗干扰能力强、测量精度高和灵敏度高的特点。金属电阻的大小除了与材料厚度有关，还受温度变化的影响，即电阻率会随着温度变化而变化。为了消除温度对测量的影响，需要在电流回路中连接一个补偿试片，目的是将补偿试片作为基准参照消除温度变化对测量的影响，当探针温度补偿控制较为理想时，测量数据波动小，测量结果准确。补偿试片的材质、腐蚀状态等与腐蚀监测系统保持一致，即可用腐蚀探针测量的腐蚀速率代表目标管柱的腐蚀速率。发生腐蚀后随着测量试片的腐蚀减薄，试片电阻值变化与试片减薄量呈线性关系，根据求出的试片减薄量代替管材的腐蚀情况。

管状试片探针的电阻为

式中：

Ω－试片的电阻，Ω；

ρ—试片材料的电阻率，Ω·m；

L—试片的长度，mm；

S－试片的环截面积，mm2；

R－管状试片的外径，mm；

r—管状试片的内径，mm。

式（1）中，只有R是变量，Ω 与R的平方呈倒数关系。只有选择的外形尺寸合适，Ω 与R（试片电阻值变化与试片减薄量）才近似地呈线性关系。

高温高压井筒腐蚀探针监测系统为了保证测量的精度，同时，考虑到高温高压井筒中系统的选择局限和服役寿命，在电路设计上将测量试片串行连接，通过开关控制激励信号同步施加，由模拟开关选择通道测量，采用公共的一、二级信号放大电路及模数转换电路，保证测量的一致性。由于测量通道的增加，存储容器容量相应增大，降低激励信号幅度增加电池容量可以有效延长系统工作时间。

工作时，油管下探到井下作业，镶嵌到油管外壁的腐蚀监测电路、探针测量电路同时进行测量工作，同步进行直接和间接测量。完成一个检修周期后，随油管返出地面，对采集的数据进行分析，测量原理同投捞式电感监测。井筒腐蚀探针监测系统的工作示意图见图1。

图1 油套环空井筒腐蚀探针监测结构示意图Fig.1 Schematic diagram of oil casing annulus wellbore corrosion monitoring structure

基于上述设计，高温高压井筒腐蚀探针监测系统电路设计采用以下方案。

1）激励信号采用直流电流。交流激励信号由直流信号调试获得，通过信号变压器施加到串联试片两端，直流电流通过场效应管（温度-55～155°C）开关控制电流通断。

2）采用仪表放大器INA333-HT 作为差分输入一级放大。INA333-HT 是高温低功耗精密仪表放大器，是井下高温环境检测专用芯片，使用温度-55～210°C。

3）二级放大电路采用精度高、零漂移的运算放大器，该放大器具有双通道、微功耗、高精度及零漂移的特点，用于补偿试片及腐蚀试片的二级放大，放大倍数75 倍，使用温度-55～210°C。

4）模数转换芯片采用高精度，宽动态范围的井下测量芯片，可在极端环境（-55～210°C）下使用。数据采集存储单元掉电后依然可以保存数据，存储容量大，使用温度-40～150°C，满足设计要求。

1.2 结构设计

1）井筒腐蚀探针监测系统结构设计

仪器外部结构主体结构图如图2 所示，主要由监测探针、导流帽、左壳体座、主壳体、右壳体座、防护罩及仪器卡子组成。主壳体为圆筒状，监测探针与左壳体座连接；测量油管腐蚀的4 根引线分别从左、右壳体座下侧的玻璃高压隔离引线端子引出。监测装置除右壳体座右侧的通讯口外，是一个全密闭的空心体，导流帽固定在左壳体座左端面上，防护罩固定在右壳体右座端面上，监测系统通过两个卡子固定在油管上。

图2 井筒腐蚀探针监测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of wellbore corrosion probe monitoring system

井筒腐蚀探针监测系统包含镶嵌式探针和环空探针两部分。镶嵌式探针基于电感监测原理，将装置镶嵌至一小段标准油管上，并以此段油管作为测量试片，同时在油管上固定一段补偿试片并与油管绝缘，保证测量试片与补偿试片处于同一温度环境。激励信号从补偿试片的一端输入，通过补偿试片后进入油管。激励电流从监测探针右端端子引出，腐蚀试片的激励响应信号在固定座右侧端子和玻璃航插下侧端子发出，温度补偿片中间端子为补偿试片的激励响应信号。通过交流信号的变化来计算此段油管的减薄量和腐蚀速率。监测探针位于油管与套管环形空间内，油管选用一小段上下带有标准油管扣的标准油管。监测探针左封堵上连接一支用于测量油套管环空的探针，材质与油管相同，可反映油管外壁的腐蚀。

2）监测系统密封结构设计

井筒腐蚀探针监测系统密封结构如图3 所示，将测量电路部件整体固定在油管段外侧，待测量信号正常后于装置外部整体连接一半圆管防护罩，防护罩左端封堵，中间焊接环空探针，环空探针外部加设锥形导流罩，用于导流和防止下油管时刮碰损坏监测装置。防护罩采用扇形半圆管防护，焊好环空探针的左封堵与半圆管焊接，之后再整体焊接到油管短接外侧。

图3 井筒腐蚀探针监测系统密封结构图Fig.3 Corrosion probe monitoring system seal structure diagram

为了避免焊接强度不足、硫化氢腐蚀开裂以及焊接导致的应力损伤问题，腐蚀监测装置采用卡接方式连接。相较于焊接方式，卡接方式应用更加灵活，便于安装和拆卸可重复安装使用。为了避免卡接方式带来的缝隙腐蚀等问题，卡子与管柱连接材质为热固性材料，并在卡子连接的金属表面涂覆一层硅橡胶，每次取出后检查补充涂覆硅橡胶。

井筒腐蚀探针监测系统通过探针测量环套空间内的介质对油管和套管的腐蚀速率，通过仪器两端下方引出的4 根引线测量一小段油管的腐蚀速率。探针使用寿命为0.75 mm，探针尾部连接有玻璃航插实现二次隔离，当探针服役寿命结束或探针腐蚀穿孔后，仪器仍可继续进行对油管段的测量。仪器从井下取出后，打开卡子，可就地或带回工作区域提取数据，方便快捷。

3）井筒腐蚀探针监测系统技术参数

为了井筒腐蚀探针监测系统组装及应用方便，井筒腐蚀探针监测系统内部结构设计成一个整体，全部固定好后，整体在外部连接防护罩，腐蚀探针监测装置的电池、电路板及补偿试片等全部元器件均固定在一个扇形薄壁管龙骨上，绝缘部件采用聚四氟制作。

高温高压井筒腐蚀探针监测系统监测区域为油套环空，可实现油管、套管同步腐蚀监测，主要技术参数为工作温度≤140°C，工作压力≤70 MPa，电池寿命6 个月（测量间隔1 h），存储容量20 000组，监测系统实物图及连接好的监测装置见图4，图5。其中，图4 为组装完整的井筒腐蚀监测系统实物图，图5 为将井筒腐蚀监测系统安装在油管的实物图。

图4 井筒腐蚀监测系统实物图Fig.4 Physical map of wellbore monitoring system

图5 井筒腐蚀监测系统实物图（安装在油管上）Fig.5 Physical map of wellbore monitoring system（installed in the tubing）

2 高温高压井筒腐蚀探针监测系统测试

2.1 耐压、耐温性能测试

针对目标油田高温高压井下工况，对井筒腐蚀探针监测系统进行实验，验证其在70 MPa、140°C工况下探针壳体和试片有无变形和破坏、壳体密封组件的密封性能以及装置的耐温性能。

选取探针试片头部、中部和尾部测量其外径并记录，将组装好的井筒腐蚀探针监测系统整体放入打压腔体内，如图6 所示。拧好打压腔接头和高压管接头，用高压软管连接高压管接头和超高压气动泵的高压出口，气管连接空压机（0.6 m3/min）和超高压气动泵（160 MPa）的气源入口，加压并稳压至70 MPa，保压16 h，释压后拆开打压腔体，取出井筒探针，测量试片头部、中部和尾部的外径，检查壳体是否密封良好及探针是否变形，结果见表1。

表1 耐压实验测试结果Tab.1 Withstand voltage test results

图6 环空式井筒探针打压示意图Fig.6 Schematic diagram of annulus wellbore probe suppression

由表1 可知，在70 MPa，保压16 h，油套环空式井筒探针和试片无变形，壳体密封完好、无泄漏。说明该高温高压井筒腐蚀探针监测系统可满足70 MPa 的使用要求。将井筒腐蚀探针监测装置整体放入140°C烘箱内5 d 进行耐温性能测试，结果见图7。

图7 腐蚀损耗值测试结果Fig.7 Corrosion loss value test result

由图7 可知，镶嵌式探针的腐蚀损耗值基本在1.738～1.742 mm，环空式井筒探针的腐蚀损耗值基本在482～484µm，测量值稳定，说明环空式井筒探针在140°C，可以稳定使用。

2.2 数据准确性测试

数据准确性测试是通过对比分析探针与挂片的测试数据，进而验证井筒腐蚀探针监测系统的数据准确性。由于环空式井筒探针是由镶嵌井筒探针和环空探针组成，所以制作一个模拟镶嵌式井筒探针和模拟环空探针，将二者结合。实验介质为矿化度50 000 mg/L 的模拟井液，常温常压。实验步骤如下：

1）选取一根P110 油管作为模拟油管，在其表面连接两个测量电极和两个施加电极。

2）模拟油管两端均采用内螺纹密封结构，向模拟油管内加入模拟井液和3 个P110 挂片，两端密封。

3）将模拟环空探针与模拟镶嵌式井筒探针电路板连通，把模拟环空探针固定在实验支架上，在实验槽内加入模拟井液，使探针头部完全浸入到井液中，把数据转换器插接到通讯口航插上，数据转换器通过USB 通讯线与笔记本连接。

4）在软件上设置好测量参数后将数据转换器与通讯口断开，将短路帽插到通讯口航插上，上电开始测量，测试分两组进行，每组测试72 h。

5）测试结束后，拔下短路帽，连接数据转换器和USB 通讯线及笔记本，在软件上查看数据的测试情况。

挂片失重测试结果见表2，井筒腐蚀探针监测系统测试结果见图8。

表2 挂片失重测试结果Tab.2 Result of weightlessness test

图8 井筒腐蚀探针监测系统测试结果Fig.8 Test results of the wellbore corrosion probe monitoring system

模拟镶嵌式井筒探针第一组测试72 h 的腐蚀速率为0.250 3 mm/a。模拟环空探针腐蚀速率为0.261 1 mm/a。同期平行挂片平均腐蚀速率为0.257 1 mm/a，挂片与模拟镶嵌式井筒探针测量值的相对误差为2.6%，挂片与模拟环空探针测量值的相对误差为1.5%。模拟镶嵌式井筒探针第二组腐蚀速率为0.275 2 mm/a，模拟环空探针第二组测试的腐蚀速率为0.268 4 mm/a。同期平行挂片平均腐蚀速率为0.271 5 mm/a，挂片与模拟镶嵌式井筒探针测量值的相对误差为1.5%，挂片与模拟环空探针测量值的相对误差为1.1%。由此可知，井筒腐蚀探针监测系统数据真实可靠。

3 井筒腐蚀探针监测系统现场应用

为了进一步验证井筒腐蚀探针监测系统的可靠性，在某油田中进行了现场试验，腐蚀监测系统在井筒中的位置示意图如图9 所示。

图9 井筒中腐蚀监测装置结构图Fig.9 Appearance before and after cleaning

试验井完钻井深6 333 m，截至试验当天，该井累计产液22 395 t，产油11 914 t，产水10 480 t，硫化氢浓度为14 486.64 mg/m3。分别在4 000 m 和5 800 m 处进行周期15 d 的试验，4 000 m 处井筒温度约110°C，压力为43.7 MPa；5 800 m 处温度约140°C，压力为62.0 MPa，井筒探针与挂片同期安装，挂片安装在探针的前端井口管线同期安装电感腐蚀监测探针及挂片，试验结果见表3。

表3 P110S 材质探针腐蚀速率与挂片腐蚀速率的对比Tab.3 Comparison of the corrosion rate of P110S probe and coupon

自井筒取出的腐蚀挂片腐蚀形貌如图10 所示，升井后的挂片表面未见明显腐蚀产物附着，清洗后的挂片表面未出现明显的腐蚀痕迹，也并未出现点蚀等现象。

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

对挂片和腐蚀探针监测结果进行对比分析，结果如图11 和表3 所示。从图11 和表3 可以看出，腐蚀挂片整体腐蚀轻微，挂片腐蚀速率为0.058 4 mm/a。4 000 m 处井筒腐蚀探针测试腐蚀减薄量为2 242 nm，整体腐蚀速率为0.063 7 mm/a；探针监测系统和腐蚀挂片相对误差为8.32%。井下5 800 m 处井筒腐蚀探针测试腐蚀减薄量为2 900 nm，整体腐蚀速率为0.070 7 mm/a，相对误差为7.80%。可见探针腐蚀速率与挂片腐蚀速率结果一致性较好，说明监测数据准确可靠。