井下阴极保护和在线腐蚀监测技术研究应用

高宝元，王奕儒

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3. 长庆油田苏里格南作业分公司 作业一区，陕西 西安 710018)

油水井管柱井下腐蚀损伤将严重降低管柱的结构强度、承受能力和可靠性，缩短管柱的使用寿命，增大运行风险，影响油水井安全。油水井管柱井下腐蚀以外壁腐蚀为主，阴极保护是目前控制外壁腐蚀行之有效的技术，合理的阴极保护设计将有效地延长油水井管柱井下使用寿命[1]。阴极保护是较为经济合理、有效的防腐技术措施，具有保护能力强、施工简便、投资较少、保护效果好的特点[2]。目前阴极保护设备都放在地面上，距离保护油水井井下管柱远，占地面积大，且较重；需建专门的配电房，成本高，运行效率低，不能实时监测油水井井下管柱腐蚀情况。常规的阴极保护已经不能满足现场需求[3]。

1 阴极保护和在线腐蚀监测装置构成

油水井管柱阴极保护和腐蚀在线监测装置构成如图1所示，其特征如下：井下阴极保护模块连接在管柱内，用于给油水井管柱提供阴极保护电流；井下腐蚀在线检测模块连接在管柱外，用于在线监测管柱腐蚀速率；地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块与井下阴极保护模块、井下在线腐蚀检测模块电信号连接[4]。

图1 阴极保护和在线腐蚀监测装置构成示意

1)地面阴极保护模块。包括：交流供电电源单元、直流供电电源单元、可充电电池单元、可调电压单元、阴极保护电压监测单元和阴极保护电流监测单元。其中，交流供电电源单元、直流供电电源单元、可调直流电压单元和可充电电池单元，彼此之间采用电连接。可充电电池单元负极和油水井井下管柱连接，阴极保护电压监测单元、阴极保护电流监测单元与地面阴极保护监测和在线腐蚀监测单元电连接[5]。

交流供电电源提供220 V交流电压，经过直流供电电源转换成30 V直流电压，一方面给可充电电池供电，另一方面给可调直流单元供电，输出0～24 V给阳极井供电，通过地面阴极保护电压监测单元和阴极保护电流监测单元监测电压、电流，送入地面阴极保护监测和腐蚀监测单元，用于阴极保护电压、电流显示和控制。

2)井下在线腐蚀监测模块。包括：传感器与探头一体化单元、防腐监测数据采集单元。其中，传感器与探头一体化单元连接在井下管柱外壁上用于电阻探针测量腐蚀速率并将采集的腐蚀信号送到在线腐蚀监测数据采集单元，经过处理变成标准RS-485信号后，送入地面阴极保护监测和在线防腐蚀监测模块。该技术方案较好地实现了探测及数据传输的功能。

电阻探针传感器是一个装有金属试片的探头，能够监测与记录腐蚀速率。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，便可计算出总腐蚀量以及腐蚀率。

3)地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块。包括：PLC控制器和人机界面触摸屏。其中，PLC控制器与井下阴极保护模块和井下在线腐蚀监测模块电信号连接。远程控制模块实时监测管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率，查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井管柱井下阴极保护达到最佳状态，延长油水井管柱腐蚀穿孔时限，保障油水井正常生产[6]。

2 安 装

将管柱井下阴极保护模块和在线腐蚀监测模块两者组合在一起，安装位置如图2所示，安装在油水井管柱井下管泵和气锚之间，实现对管柱的阴极保护。该方法耗电量小、保护距离长、保护效果好，且初期投入费用低。同时，该方法可在线监测油水井井下管柱腐蚀状况和速率，且可预测油水井管柱的安全使用寿命，为油水井管柱的内外防护技术研究提供了可靠的方法；指导油水井管柱采用强制外加电流阴极保护达到最佳效果，使油水井管柱腐蚀得到有效控制，避免管柱可能发生因腐蚀而泄漏的隐患。

图2 阴极保护和在线腐蚀监测模块的安装位置示意

3 管柱阴极保护和在线腐蚀监测方法

油水井管柱井下阴极保护和在线腐蚀监测步骤如下：

1)配置地面管柱阴极保护电压、电流和腐蚀在线监测单元，实时监测管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率，实现管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率数据显示、存储及报告、数据计算、事故追忆、事件顺序记录和参数预警等功能，为油水井管柱井下的长期稳定运行提供技术支持[10]。

2)阴极保护模块和在线腐蚀监测模块的安装。将外型直径为73 mm，长度为800 mm管柱的阴极保护模块和在线腐蚀监测模块安装在油水井管柱井下管泵和气锚之间，在装有模块的管柱一侧打一个φ8 mm孔，插入在线电阻探针传感器，用环氧树脂密封胶封好，为保证测试结果的稳定性和可靠性，电阻探针传感器必须通过静电跨接导线与油水井管柱本体接地。

3)调试油水井井下管柱腐蚀在线监测装置。将腐蚀数据通过无线方式上传到地面监测模块中，进行油水井井下管柱腐蚀监测调试，电阻探针传感器的测量精度最小可达30 nm，能够在几分钟或几小时内测量油水井管柱井下金属的腐蚀速率，并对油水井管柱井下金属腐蚀速率的变化做出快速反应。

4)调试油水井管柱井下阴极保护装置。根据油水井管柱井下保护电流要求，阴极保护电流为4～5 A，调整可调电压0～24 V，保证管柱的最小保护电位至少为-0.85 V，以达到使金属停止腐蚀的目的；在有硫酸盐还原菌参与腐蚀的环境中，硫酸根质量分数大于0.5%时，阴极极化电位应达到-0.95 V 或更低。通过地面阴极保护电流和电压监测单元，以有线方式传入监测模块中，进行分析处理。

5)地面监测模块。该模块监测出井下管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率，通过腐蚀速率能够进行油水井管柱井下腐蚀计算和分析，进行油水井管柱井下腐蚀层定位，评估腐蚀层的老化状态，判识管柱运行参数，在线参数预警等。该模块具有油水井管柱井下腐蚀点检测快速，数据准确的特点，自动化程度高，实现无人值守[7]。

油水井管柱腐蚀速率及腐蚀深度计算，油水井管柱井下腐蚀层老化程度判断采用如下方法[8]。

电阻探针传感器中金属试片腐蚀深度H的计算如式(1)所示：

H=r0{1.0-[1.0-(Rt-Ro)/Rt]1/2}

(1)

式中：r0——金属试片原始半径；R0——腐蚀前电阻值；Rt——腐蚀后电阻值。

金属试片腐蚀率v计算如式(2)所示：

v=8 760(H2-H1)/(T2-T1)

(2)

式中：T2-T1——两次测量时间间隔；H2-H1——两次测量的腐蚀深度的差值。

油水井管柱平均厚度计算如式(3)所示：

dt=(B1d1-B2d2)/Bt

(3)

式中：dt——管柱平均厚度；Bt——管柱中平均磁感应强度；d1——腐蚀前管柱厚度；B1——腐蚀前平均磁感应强度；d2——腐蚀后管柱厚度；B1——腐蚀后平均磁感应强度。

当管柱平均厚度和原管柱厚度差值小于10%，判断为油水井管柱腐蚀不严重，当管柱平均厚度和原管柱厚度差值为10%～20%，判断为油水井管柱腐蚀比较严重；当管柱平均厚度和原管柱厚度差值大于20%，判断为油水井管柱腐蚀十分严重。

4 现场应用

2019年6月在长庆油田第三采油厂5口油井应用了井下阴极保护和腐蚀在线监测技术，井下不间断给油水井管柱提供合理的阴极保护电流，保护距离长，效果好，使油水井管柱得到保护而长期不发生腐蚀；同时能在井下在线监测管柱腐蚀速率，测量响应速度快，精度高。地面远程控制模块能够在线监控油水井管柱阴极保护电流、电位和管柱腐蚀速率，便于查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井管柱达到最佳阴极保护状态，延长油水井管柱腐蚀穿孔时限，保障油水井正常生产[9]。

5 结束语

井下阴极保护和在线腐蚀监测两者组合在一起，可在线监测油水井井下管柱腐蚀速率，监测精度高[10]，可预测油水井管柱的安全使用寿命，为油水井管柱的内外防护技术研究提供了可靠的方法，指导油水井管柱采用强制外加电流阴极保护达到最佳效果，使油水井管柱腐蚀得到有效控制，避免管柱可能发生的腐蚀泄漏隐患[11]。

油水井管柱在线腐蚀监测装置为油水井管柱的更换、维修及维护提供了科学依据[12]，油水井管柱安全、高效、平稳运行且环保，对保障油田可持续开发具有重要意义。该监测装置安装方便，且实现了监测的可靠性、稳定性和准确性[13]。