气井井下的腐蚀监测技术

郑云萍，刘 奇，张 峰，曹洪贵，刘 成，张吉红

（1.西南石油大学 石油工程学院，成都610500；2.中国石油新疆油田分公司，克拉玛依834000）

气井井下腐蚀是指在天然气开采中，气体随井筒上升到地面，由于温度、压力的降低而析出水和凝析油，在管壁形成水膜，造成电化学作用的腐蚀和气流中夹杂微小颗粒造成的机械腐蚀［1］。

气井腐蚀监测是通过对气井设备的失效进行判断，对设备寿命进行预测，评价与选择适宜的防腐蚀措施，有着现场应用和研究意义。气井的监测目标位于地面以下，所以超声波、漏磁法等腐蚀监测方法难以得到应用。此外，由于气井修井周期较长，井下环境复杂，常见应用于油井的挂环技术在气井腐蚀监测中鲜有应用。

现有气井井下腐蚀监测的方式按照原理可以分为：失重法、化学分析法和电化学法［2］。本文就不同监测方式的原理、使用方式及适用方面进行了论述，对监测方式的选择以及腐蚀数据的应用提出了建议。

1 物理法

通过测量管道腐蚀部位、试片或敏感元件规格的改变，对腐蚀情况作出判断。该方法由于不需要运转所需的传递介质，几乎可用于任何环境。方法有：挂片失重法、电阻探头法、井径仪法等。

1.1 挂片法

挂片法是一种传统的腐蚀监测方法。在气井监测使用中，一般将挂片及专用的支架下降到测试深度，也有时采取钢丝作业投捞挂片的方式［3］，属于在线监测，离线分析的一种监测方式。

在应用中，可将不同材料的试片在同一位置进行监测，以进行对比和平行试验，为材料的选择提供参照。通过挂片法可分析腐蚀产物和表面腐蚀形貌，直观确定腐蚀类型，对细菌腐蚀及非均匀腐蚀都能提供直观的信息［2］。

挂片法无法反映瞬时及局部腐蚀速率，仅能体现对试验阶段的平均腐蚀速率，对生产变化、防腐蚀措施变化的腐蚀情况不能做出有效指示［2］。由于该方法需要将挂片放入井内，试验周期受到修井计划和气井生产情况的限制。另外，对于不同管段，因采出液的性质有所不同，挂片法仅能反映挂片安装区域的腐蚀情况［4］。通过在不同管段放置挂片，就能够反映出一定范围的腐蚀状况，例如在中原油田文23气田的10口监测井中，该方法应用于对比不同管段的腐蚀情况［5］。

作为各种腐蚀监测手段中最根本和有效的方法，挂片法能最大程度地反映腐蚀的真实情况。尽管目前有较多先进的电子方法，但在使用任何其它方法的同时，都会参考挂片法的数据。

1.2 电阻探针法

电阻探针是一个装有金属试片的探头，在腐蚀介质中，金属试片的横截面积因腐蚀而减小，从而电阻增大，通过周期性地测量其电阻，便可计算出该段时间的总腐蚀量以及腐蚀速率［6］。

电阻探针的种类较多，如K.Waterman David等人申请专利的腐蚀监测设备［7］。该设备是将探头、电池、信息记录和处理设备所集成的探头放入气井监测位置，对监测区域的腐蚀情况进行间歇的记录并保存，经过一段时间的暴露后，将信息下载到电脑进行分析，在安装期间不需要气井停止生产。该探头可以安装在经过井径仪检测发现存在较严重腐蚀的区域，不会对管道造成损害，可以同时记录所处位置的温度，在国外已有许多试验和现场应用［8］。此外，华中科技大学开发的一种改进型的电阻探针腐蚀监测仪ER400，能够对电阻温漂问题进行补偿［9-10］。

与挂片法相类似，电阻探针法适用性强，不需要进行清洁，几乎可以在任何介质中使用，多用于多相或非电解质溶液［2］。该法优于挂片法之处在于，电阻探针法能够对瞬时腐蚀速率进行监测与记录。

电阻探针法的局限性在于：仅能够对一段时间内的累计腐蚀量进行测定，而非瞬时腐蚀速率［2］；获取数据时间较长；介质的温度、流速、金属材料的偏差、电极表面制备的偏差，以及探针表面存在的外来物质如腐蚀产物，均会影响测量结果的可靠性；不适用于局部腐蚀的监测；在硫化物系统中测量结果也不甚准确。若探针的灵敏度高，寿命则短，反之亦然［11］。

电阻法也常与其他监测方式共同使用。2008年雅克拉气田YK6H井采用挂片法与电阻探针法相结合，试用了美国MS3500E型电阻探针腐蚀监测仪，测得数据与挂片法的数据基本吻合［12］。

1.3 井径仪法

监测与检测之间的界限并非十分严格。井径仪法介于定期检测和实时监测之间。通过井径测量仪测量套管各处规格参数，判断井下套管受损情况。

本方法对于油田和气田都适用，能够提供生产油管柱内壁综合的监测数据。具体操作一般为：将用钢丝绳（缆绳）连接的井径仪下入井底，通过井径仪多条带有传感装置的机械臂与套管内壁紧密贴合，对套管遍历后，得出尺寸变化情况，通过地面电脑终端，对数据进行处理与分析［4］。

通过对井径仪法得到的数据进行分析，能够预测套管穿透时间、套管管壁减薄造成的最小临界屈服强度的时间。通过油管的内表面垂向窄腐蚀裂纹、腐蚀分散凹痕、管壁局部损伤环和管壁均匀损伤面，能够判断油管的不同腐蚀机理的特征。

需要注意的是，此方法得到的腐蚀监测结果可能会因为硫酸铁及其他结垢物覆盖井壁而小于实际数据；监测周期较长，且受到很多限制，无法在不对生产造成影响的情况下实时对腐蚀情况进行监测。

2 化学分析法

采气过程中，腐蚀产物的部分组分，如铁离子、氯离子、硫化氢等会随采出水带出井口，在地面对采出液及pH进行分析，可为井下腐蚀情况的监测提供依据。其中对铁离子监测较为普遍［13］。

铁离子分析法的监测对象为井口采出水中的可溶的铁离子、二价铁离子或总的铁离子质量深度。通过收集井口采出液，对收集到的采出水进行处理与分析，最常用邻二氮杂菲比色分析法，实验室分析也会用到原子吸收光谱光度测量法、重铬酸盐滴定法和乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法［14］。

化学分析法易于实现，在现场使用快捷，只需在井口增设旁路，对套管没有损害，不需要停工，所以在国内外应用广泛。该方法适用于对缓蚀剂效果的评价以及全面腐蚀的评价，在采出水量大的无硫油气井的应用上有着良好表现［4］。

由于是对最终流出井口的采出水进行分析，化学分析法无法监测局部腐蚀。对于一般系统，收集井底溶液的时间可能只需几分钟，在气井则需要12 24h，无法对瞬时腐蚀速率进行监测。由于油管失效与蚀痕等多种因素有关，仅凭油管金属的总耗损量或者均匀腐蚀不能精确反应油管失效，所以计量数据与失效数据之间难以建立联系［4］。另外，铁在系统中的沉淀会影响检测结果，对含溶解硫和溶解氧较多的流体可靠性差。结合以上特点，本方法一般与其它监测手段一同使用，相互佐证。

3 电化学法

由于气井的腐蚀多是电化学过程，对产生腐蚀时的电特性进行监测，从而可以判断腐蚀情况。电化学法中，线性极化法（LPR）最为常用。

Stern及其同事于1957年提出线性极化法［15］，现已成功用于油田设备、管道、化学过程以及水处理设备的腐蚀监测。西南油气田于1995年引进包括线性极化探针、电阻探针、氢探针的腐蚀监测系统，1996年应用电化学法于磨溪多座气井，电化学探针全部安装于井口到分离器段的集输管线上，配合缓蚀剂残留浓度监测法对三种缓蚀剂效果进行了评价，2002年该系统在长庆油田也开始应用［2，16］。

电化学法具有易于实现，能快速测定瞬时腐蚀速度的优点［4］。然而，该方法对于局部腐蚀无法有效监测，且不适用于导电性差的介质［2］。同样，当设备表面产生氧化膜或钝化膜，甚至有腐蚀产物堆积时，将有假电容产生而影响测量结果，随着可更换探头的研发，这一问题可能会缓解。

4 其他方法

除上述方式外，其他还在发展的监测方法有：氢监测技术、超声波测壁厚法、缓蚀剂残余浓度监测技术［17］等。

4.1 氢监测

井下套管可能会受到氢脆、氢致开裂和氢鼓泡带来的损伤［2］，通过氢探针（Hydrogen testprobe）可以对其进行监测。氢监测法能够对材料氢损伤状态进行监测，对于含硫的酸性气田的安全开采具有重要意义。氢探头无法直接对腐蚀进行监测，但可以对监测工艺过程的变化进行监测［16］。

在石化工业中，主要有压力型、真空型和电化学传感器三种氢传感器。电化学传感器响应快，灵敏度高，信号输出强，是研究的重点［16］。

氢监测适于酸性或中碱性介质环境，可指导旧管线的更新维护。现场监测表明，氢渗电流的变化往往具有规律性，可为预测内防腐涂层寿命提供一条新途径［17］。但在井下腐蚀监测应用较少。

4.2 超声波测壁厚法

该方法通过对壁厚进行测定，用于对化工设备内部缺陷、腐蚀损伤以及设备和管道的腐蚀状况的测量［18］。

Barry Vincent Jonson申请专利的“井下腐蚀监测设备”已在气田中得到应用。该设备将一组压电传感器以阵列形式固定安装在套管金属表面，与地面连接的电缆供电，同时电缆也承担传输数据到地面的任务。气井监测期间无须停工，监测频率灵活，能够实现实时监测，可以分出腐蚀的位置，探测或监测套管［19］。

4.3 缓蚀剂残余浓度分析

对缓蚀剂效果进行评价时，可通过测定腐蚀速率的方式，也可通过对反出水中缓蚀剂的残余浓度进行测定，进而得知井下套管是否得到有效保护［20］。

例如，针对川渝气田常用的缓蚀剂，西南油气田分公司天然气研究院开发出“含氮类缓蚀剂残余浓度可见光分光光度法”用于分析油溶水分散型和含氮类水溶性缓蚀剂的残余浓度。自2003年，重庆气矿建立的缓蚀剂残余浓度分析实验室开始对于大天池所有生产井的缓蚀剂残余浓度进行每月检测。结果表明，该方法能够监测缓蚀剂的返排情况，评价腐蚀防护效果，但仍存在一定不足［21］。此外，川东峰7井、川中磨133井通过含氮类水溶性缓蚀剂残余浓度分光光度法，监测缓蚀剂是否排出，反映缓蚀剂浓度变化情况，为防腐蚀方案的制定和现场缓蚀剂的应用的优化提供了数据［22］。

4 建议

（1）防腐蚀是一项长期工作，建立有效的腐蚀监测系统可以使防腐蚀工作以最有效的方式进行，建议根据气田的具体情况，选择合适的方式对气井腐蚀进行监测，从而确保气田的安全高效生产。

（2）虽然腐蚀监测能够相对快速地反映出腐蚀情况，但是定期的检测仍然是必要的［21］。此外，现有气井腐蚀监测方式各有其优点及局限性，现场应用中，应结合监测目的及监测条件对监测方式进行合理选择，特别注意采用两种或多种监测方式配合使用，以达到监测的目的。

（3）气田开发前期应尽量对防腐蚀措施的数据进行采集［23］。对于前期以及开发后期得到的数据，可以通过遗传算法、神经网络、小波理论和灰色分析等理论进行分析，建议采取多种方法进行对比或组合，以达到对腐蚀监测数据的效利用。

（4）腐蚀监测得到的数据应注意对其进行分析与管理。例如：将防腐蚀工艺方案、腐蚀监测数据和历史数据导入数据库，通过失效分析进行诊断预测，对防腐蚀措施进行评价并提出改进方案。将改进措施现场应用的腐蚀监测数据录入数据库，为进一步改进防腐蚀措施提供依据。

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