高溫高壓井筒腐蝕監測系統研制與應用

龍 武，劉振東，張江江，李 芳，曾德智

1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011 2.油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500

引言

隨著油田開發逐漸進入中后期，綜合含水率不斷上升。注水、注氣等提高采收率措施的實施，導致井筒腐蝕問題日益嚴重，特別是采出介質中含有H2S、CO2等酸性氣體時，對油田井筒設施造成的腐蝕更為嚴重[1-3]。井筒腐蝕中全面腐蝕與局部腐蝕共存，以局部腐蝕為主，約占腐蝕總數的70%～90%。腐蝕監測技術已經成為掌握油田腐蝕現狀、制定防腐措施和評價防腐效果的重要手段。為了準確掌握井筒到地面集輸系統的腐蝕狀況，目前，已經形成了多品類、有針對性的多種腐蝕監測技術。塔河油田井下環境惡劣，具有高溫、高壓及高礦化度地層水的特點，同時含有H2S、CO2酸性氣體，使得注采系統腐蝕問題嚴峻。開展井筒油套環空腐蝕監測系統研制與應用，對掌握該油田生產系統的腐蝕狀況、保障油田安全高效運行具有重要意義。

油氣田常見的腐蝕監測方法包括掛片失重法、電感探針監測、電阻探針監測、電化學噪聲法（Electrochemical Noise，EN）及場指紋腐蝕監測（Field Singature Method，FSM）等方法[4-6]。

掛片失重法是一種常見的腐蝕監測技術[7]，工作原理簡單，可用于井口或管道中，分析腐蝕產物便捷[8-9]，但作業周期長，使用環境局限性大[10-11]。電阻探針監測是通過電阻值的變化來推算腐蝕量進而得到腐蝕速率[12-14]，響應速度快、周期短，應用環境多樣但易受環境影響[15-19]。電化學噪聲是一種通過分析電化學中的電位、電流狀態等參數的波動來評價腐蝕速率大小的監測方法[20-24]。

然而，上述腐蝕監測技術多用于地面管線及井口[25-29]，近些年，隨著油氣開發進一步發展，鉆井逐漸朝著深井超深井的方向邁進，針對井下復雜工況的井筒腐蝕監測技術仍然處于空白狀態，油管、套管同步腐蝕監測技術也未有應用，為了掌握井下油套管的腐蝕狀況，亟需開發一套適用于高溫高壓井筒環空的腐蝕監測技術。

針對上述問題，本文設計開發了耐溫140°C、耐壓70 MPa、多通道同步監測油套管腐蝕的管狀腐蝕探針監測系統，并進行了室內模擬和現場應用評價。針對井下復雜苛刻的腐蝕環境，優化了監測裝置與井下管柱的連接方式，為有效掌握井筒油套環空腐蝕狀況、保障生產安全具有重要意義。

1 井筒腐蝕探針監測系統開發

1.1 井筒腐蝕探針監測系統開發原理

油套管環空腐蝕監測技術基于電感腐蝕監測技術原理，電感腐蝕監測（電感探針法）是一種間接監測金屬腐蝕的方法，以測量金屬腐蝕損失為基礎，通過測量腐蝕試片減薄引起的交流信號變化來計算腐蝕損耗速度。

安裝在管路中的測量裝置，通常以電感探針的方式存在，探針通常采用管狀或片狀結構。在受到腐蝕損害后其橫截面積減小會引起交流信號發生變化，從而對測量試片施加交流信號，通過交流信號的變化來計算測量元件的減薄量和腐蝕速率。交流信號通過電感數據采集器采集，電感數據采集器的激勵信號采用交流電恒電流信號，通過電感元件作用于測量試片，具有抗干擾能力強、測量精度高和靈敏度高的特點。金屬電阻的大小除了與材料厚度有關，還受溫度變化的影響，即電阻率會隨著溫度變化而變化。為了消除溫度對測量的影響，需要在電流回路中連接一個補償試片，目的是將補償試片作為基準參照消除溫度變化對測量的影響，當探針溫度補償控制較為理想時，測量數據波動小，測量結果準確。補償試片的材質、腐蝕狀態等與腐蝕監測系統保持一致，即可用腐蝕探針測量的腐蝕速率代表目標管柱的腐蝕速率。發生腐蝕后隨著測量試片的腐蝕減薄，試片電阻值變化與試片減薄量呈線性關系，根據求出的試片減薄量代替管材的腐蝕情況。

管狀試片探針的電阻為

式中：

Ω－試片的電阻，Ω；

ρ—試片材料的電阻率，Ω·m；

L—試片的長度，mm；

S－試片的環截面積，mm2；

R－管狀試片的外徑，mm；

r—管狀試片的內徑，mm。

式（1）中，只有R是變量，Ω 與R的平方呈倒數關系。只有選擇的外形尺寸合適，Ω 與R（試片電阻值變化與試片減薄量）才近似地呈線性關系。

高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統為了保證測量的精度，同時，考慮到高溫高壓井筒中系統的選擇局限和服役壽命，在電路設計上將測量試片串行連接，通過開關控制激勵信號同步施加，由模擬開關選擇通道測量，采用公共的一、二級信號放大電路及模數轉換電路，保證測量的一致性。由于測量通道的增加，存儲容器容量相應增大，降低激勵信號幅度增加電池容量可以有效延長系統工作時間。

工作時，油管下探到井下作業，鑲嵌到油管外壁的腐蝕監測電路、探針測量電路同時進行測量工作，同步進行直接和間接測量。完成一個檢修周期后，隨油管返出地面，對采集的數據進行分析，測量原理同投撈式電感監測。井筒腐蝕探針監測系統的工作示意圖見圖1。

圖1 油套環空井筒腐蝕探針監測結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of oil casing annulus wellbore corrosion monitoring structure

基于上述設計，高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統電路設計采用以下方案。

1）激勵信號采用直流電流。交流激勵信號由直流信號調試獲得，通過信號變壓器施加到串聯試片兩端，直流電流通過場效應管（溫度-55～155°C）開關控制電流通斷。

2）采用儀表放大器INA333-HT 作為差分輸入一級放大。INA333-HT 是高溫低功耗精密儀表放大器，是井下高溫環境檢測專用芯片，使用溫度-55～210°C。

3）二級放大電路采用精度高、零漂移的運算放大器，該放大器具有雙通道、微功耗、高精度及零漂移的特點，用于補償試片及腐蝕試片的二級放大，放大倍數75 倍，使用溫度-55～210°C。

4）模數轉換芯片采用高精度，寬動態范圍的井下測量芯片，可在極端環境（-55～210°C）下使用。數據采集存儲單元掉電后依然可以保存數據，存儲容量大，使用溫度-40～150°C，滿足設計要求。

1.2 結構設計

1）井筒腐蝕探針監測系統結構設計

儀器外部結構主體結構圖如圖2 所示，主要由監測探針、導流帽、左殼體座、主殼體、右殼體座、防護罩及儀器卡子組成。主殼體為圓筒狀，監測探針與左殼體座連接；測量油管腐蝕的4 根引線分別從左、右殼體座下側的玻璃高壓隔離引線端子引出。監測裝置除右殼體座右側的通訊口外，是一個全密閉的空心體，導流帽固定在左殼體座左端面上，防護罩固定在右殼體右座端面上，監測系統通過兩個卡子固定在油管上。

圖2 井筒腐蝕探針監測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of wellbore corrosion probe monitoring system

井筒腐蝕探針監測系統包含鑲嵌式探針和環空探針兩部分。鑲嵌式探針基于電感監測原理，將裝置鑲嵌至一小段標準油管上，并以此段油管作為測量試片，同時在油管上固定一段補償試片并與油管絕緣，保證測量試片與補償試片處于同一溫度環境。激勵信號從補償試片的一端輸入，通過補償試片后進入油管。激勵電流從監測探針右端端子引出，腐蝕試片的激勵響應信號在固定座右側端子和玻璃航插下側端子發出，溫度補償片中間端子為補償試片的激勵響應信號。通過交流信號的變化來計算此段油管的減薄量和腐蝕速率。監測探針位于油管與套管環形空間內，油管選用一小段上下帶有標準油管扣的標準油管。監測探針左封堵上連接一支用于測量油套管環空的探針，材質與油管相同，可反映油管外壁的腐蝕。

2）監測系統密封結構設計

井筒腐蝕探針監測系統密封結構如圖3 所示，將測量電路部件整體固定在油管段外側，待測量信號正常后于裝置外部整體連接一半圓管防護罩，防護罩左端封堵，中間焊接環空探針，環空探針外部加設錐形導流罩，用于導流和防止下油管時刮碰損壞監測裝置。防護罩采用扇形半圓管防護，焊好環空探針的左封堵與半圓管焊接，之后再整體焊接到油管短接外側。

圖3 井筒腐蝕探針監測系統密封結構圖Fig.3 Corrosion probe monitoring system seal structure diagram

為了避免焊接強度不足、硫化氫腐蝕開裂以及焊接導致的應力損傷問題，腐蝕監測裝置采用卡接方式連接。相較于焊接方式，卡接方式應用更加靈活，便于安裝和拆卸可重復安裝使用。為了避免卡接方式帶來的縫隙腐蝕等問題，卡子與管柱連接材質為熱固性材料，并在卡子連接的金屬表面涂覆一層硅橡膠，每次取出后檢查補充涂覆硅橡膠。

井筒腐蝕探針監測系統通過探針測量環套空間內的介質對油管和套管的腐蝕速率，通過儀器兩端下方引出的4 根引線測量一小段油管的腐蝕速率。探針使用壽命為0.75 mm，探針尾部連接有玻璃航插實現二次隔離，當探針服役壽命結束或探針腐蝕穿孔后，儀器仍可繼續進行對油管段的測量。儀器從井下取出后，打開卡子，可就地或帶回工作區域提取數據，方便快捷。

3）井筒腐蝕探針監測系統技術參數

為了井筒腐蝕探針監測系統組裝及應用方便，井筒腐蝕探針監測系統內部結構設計成一個整體，全部固定好后，整體在外部連接防護罩，腐蝕探針監測裝置的電池、電路板及補償試片等全部元器件均固定在一個扇形薄壁管龍骨上，絕緣部件采用聚四氟制作。

高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統監測區域為油套環空，可實現油管、套管同步腐蝕監測，主要技術參數為工作溫度≤140°C，工作壓力≤70 MPa，電池壽命6 個月（測量間隔1 h），存儲容量20 000組，監測系統實物圖及連接好的監測裝置見圖4，圖5。其中，圖4 為組裝完整的井筒腐蝕監測系統實物圖，圖5 為將井筒腐蝕監測系統安裝在油管的實物圖。

圖4 井筒腐蝕監測系統實物圖Fig.4 Physical map of wellbore monitoring system

圖5 井筒腐蝕監測系統實物圖（安裝在油管上）Fig.5 Physical map of wellbore monitoring system（installed in the tubing）

2 高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統測試

2.1 耐壓、耐溫性能測試

針對目標油田高溫高壓井下工況，對井筒腐蝕探針監測系統進行實驗，驗證其在70 MPa、140°C工況下探針殼體和試片有無變形和破壞、殼體密封組件的密封性能以及裝置的耐溫性能。

選取探針試片頭部、中部和尾部測量其外徑并記錄，將組裝好的井筒腐蝕探針監測系統整體放入打壓腔體內，如圖6 所示。擰好打壓腔接頭和高壓管接頭，用高壓軟管連接高壓管接頭和超高壓氣動泵的高壓出口，氣管連接空壓機（0.6 m3/min）和超高壓氣動泵（160 MPa）的氣源入口，加壓并穩壓至70 MPa，保壓16 h，釋壓后拆開打壓腔體，取出井筒探針，測量試片頭部、中部和尾部的外徑，檢查殼體是否密封良好及探針是否變形，結果見表1。

表1 耐壓實驗測試結果Tab.1 Withstand voltage test results

圖6 環空式井筒探針打壓示意圖Fig.6 Schematic diagram of annulus wellbore probe suppression

由表1 可知，在70 MPa，保壓16 h，油套環空式井筒探針和試片無變形，殼體密封完好、無泄漏。說明該高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統可滿足70 MPa 的使用要求。將井筒腐蝕探針監測裝置整體放入140°C烘箱內5 d 進行耐溫性能測試，結果見圖7。

圖7 腐蝕損耗值測試結果Fig.7 Corrosion loss value test result

由圖7 可知，鑲嵌式探針的腐蝕損耗值基本在1.738～1.742 mm，環空式井筒探針的腐蝕損耗值基本在482～484μm，測量值穩定，說明環空式井筒探針在140°C，可以穩定使用。

2.2 數據準確性測試

數據準確性測試是通過對比分析探針與掛片的測試數據，進而驗證井筒腐蝕探針監測系統的數據準確性。由于環空式井筒探針是由鑲嵌井筒探針和環空探針組成，所以制作一個模擬鑲嵌式井筒探針和模擬環空探針，將二者結合。實驗介質為礦化度50 000 mg/L 的模擬井液，常溫常壓。實驗步驟如下：

1）選取一根P110 油管作為模擬油管，在其表面連接兩個測量電極和兩個施加電極。

2）模擬油管兩端均采用內螺紋密封結構，向模擬油管內加入模擬井液和3 個P110 掛片，兩端密封。

3）將模擬環空探針與模擬鑲嵌式井筒探針電路板連通，把模擬環空探針固定在實驗支架上，在實驗槽內加入模擬井液，使探針頭部完全浸入到井液中，把數據轉換器插接到通訊口航插上，數據轉換器通過USB 通訊線與筆記本連接。

4）在軟件上設置好測量參數后將數據轉換器與通訊口斷開，將短路帽插到通訊口航插上，上電開始測量，測試分兩組進行，每組測試72 h。

5）測試結束后，拔下短路帽，連接數據轉換器和USB 通訊線及筆記本，在軟件上查看數據的測試情況。

掛片失重測試結果見表2，井筒腐蝕探針監測系統測試結果見圖8。

表2 掛片失重測試結果Tab.2 Result of weightlessness test

圖8 井筒腐蝕探針監測系統測試結果Fig.8 Test results of the wellbore corrosion probe monitoring system

模擬鑲嵌式井筒探針第一組測試72 h 的腐蝕速率為0.250 3 mm/a。模擬環空探針腐蝕速率為0.261 1 mm/a。同期平行掛片平均腐蝕速率為0.257 1 mm/a，掛片與模擬鑲嵌式井筒探針測量值的相對誤差為2.6%，掛片與模擬環空探針測量值的相對誤差為1.5%。模擬鑲嵌式井筒探針第二組腐蝕速率為0.275 2 mm/a，模擬環空探針第二組測試的腐蝕速率為0.268 4 mm/a。同期平行掛片平均腐蝕速率為0.271 5 mm/a，掛片與模擬鑲嵌式井筒探針測量值的相對誤差為1.5%，掛片與模擬環空探針測量值的相對誤差為1.1%。由此可知，井筒腐蝕探針監測系統數據真實可靠。

3 井筒腐蝕探針監測系統現場應用

為了進一步驗證井筒腐蝕探針監測系統的可靠性，在某油田中進行了現場試驗，腐蝕監測系統在井筒中的位置示意圖如圖9 所示。

圖9 井筒中腐蝕監測裝置結構圖Fig.9 Appearance before and after cleaning

試驗井完鉆井深6 333 m，截至試驗當天，該井累計產液22 395 t，產油11 914 t，產水10 480 t，硫化氫濃度為14 486.64 mg/m3。分別在4 000 m 和5 800 m 處進行周期15 d 的試驗，4 000 m 處井筒溫度約110°C，壓力為43.7 MPa；5 800 m 處溫度約140°C，壓力為62.0 MPa，井筒探針與掛片同期安裝，掛片安裝在探針的前端井口管線同期安裝電感腐蝕監測探針及掛片，試驗結果見表3。

表3 P110S 材質探針腐蝕速率與掛片腐蝕速率的對比Tab.3 Comparison of the corrosion rate of P110S probe and coupon

自井筒取出的腐蝕掛片腐蝕形貌如圖10 所示，升井后的掛片表面未見明顯腐蝕產物附著，清洗后的掛片表面未出現明顯的腐蝕痕跡，也并未出現點蝕等現象。

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

對掛片和腐蝕探針監測結果進行對比分析，結果如圖11 和表3 所示。從圖11 和表3 可以看出，腐蝕掛片整體腐蝕輕微，掛片腐蝕速率為0.058 4 mm/a。4 000 m 處井筒腐蝕探針測試腐蝕減薄量為2 242 nm，整體腐蝕速率為0.063 7 mm/a；探針監測系統和腐蝕掛片相對誤差為8.32%。井下5 800 m 處井筒腐蝕探針測試腐蝕減薄量為2 900 nm，整體腐蝕速率為0.070 7 mm/a，相對誤差為7.80%?？梢娞结樃g速率與掛片腐蝕速率結果一致性較好，說明監測數據準確可靠。

4 結論

1）設計開發了耐高溫、耐高壓及多通道同步監測油套管腐蝕的高溫高壓井筒腐蝕探針監測系統，有效地解決了油套環空腐蝕同步監測的難題。井筒腐蝕探針監測系統與油管采用卡接式的連接方式，有效地避免了焊接對油管腐蝕的影響，裝卸便捷、方便多次使用。

2）對高溫高壓井筒腐蝕監測系統進行了耐溫140°C、耐壓70 MPa 的性能測試，腐蝕系統監測數據與高溫高壓腐蝕模擬結果偏差低于5%，數據準確可靠。

3）腐蝕監測系統現場應用結果表明，監測數據與現場掛片相對誤差為8.32%，系統運行良好，能夠滿足苛刻環境下井筒的腐蝕監測要求，為有效掌握高溫高壓井筒油套環空腐蝕狀況提供了解決方案。