技术领域
[0001] 本
发明属于油气田腐蚀监测技术领域，特别涉及一种用于井下油
套管腐蚀的在线实时监测的
探头、装置及方法，适用于深井高温高压环境中油、
水、气任意混合介质的高
精度在线腐蚀监测与防腐蚀措施的评估。
背景技术
[0002] 随着油气田CO2驱替等三次采油技术的大规模推广，由CO2驱油所带来的深井油套管腐蚀问题日趋严重，因此井下在线腐蚀监测作为油气田安全开采的一项重要工作，已引起了众多油气生产企业的高度重视。
[0003] 目前，常规的井下油套管腐蚀监测采用腐蚀挂片的方式，基于失重法进行腐蚀监测。如
申请号为201220476848.8的中国
专利文献中披露了一种井下腐蚀监测方案，其包括本体内壁上的环形内台阶，该内台阶上的多个内挂环组，其由一个内绝缘隔离环和一个内监测挂环组成，该挂环装置能够同时监测油管与油套环形空间腐蚀。但是，这种常见的失重腐蚀评价方法耗时费
力，且必须把挂片从井下取出才能评价腐蚀状态，无法实时快速反映井下腐蚀状态的变化。
[0004] 为了克服上述装置的
缺陷，
现有技术中出现了一种利用
电阻探针进行实时监测的方案。例如，专利文献CN 101846644B公开了一种采用电阻探针技术进行
油气管道在线腐蚀监测的方案，其包括电阻探头，该电阻探头内设置有作为参考电阻的内置敏感元件和作为被测电阻并直接暴露于管道内腐蚀环境中的外露敏感元件，其中内置敏感元件和外露敏感元件采用相同材料制作。测量时，通过对内置敏感元件和外露敏感元件进行同步差分
电压采样，计算得到两元件的电阻比值。该方案利用金属丝或片的截面积因腐蚀减小电阻值增大的特性，通过测量其电阻增量来计算截面积的变化，进而得到金属腐蚀量和腐蚀速率，可以适用于包括气相、液相、固相和流动颗粒等多种工作环境。
[0005] 但是，由于电阻探针的实现原理是基于欧姆定律，其腐蚀
分辨率较低，该方案更适合于长期腐蚀的监测，而不适用于快速腐蚀监测，特别是井下高温环境会导致微电阻测量精度降低。
发明内容
[0006] 针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于井下管柱腐蚀在线监测的装置和方法，其通过电阻探针和交流阻抗探针，并优化设计两者的匹配和集成，从而实现井下油气套管或管柱的腐蚀速率的快速在线监测，可应用到井下高温高压环境中油、水、气任意混合介质的环境中。
[0007] 按照本发明的一个方面，提供一种用于井下管柱腐蚀在线监测的复合探头，其特征在于，包括：
[0008] 探头本体，其套装在筒形壳体内，并与该壳体内壁面密封
接触，壳体外壁与井下腐蚀环境接触；
[0009] 电阻探针，其包括密封设置在探头本体内的参考元件和位于探头本体外并暴露于井下腐蚀环境中的感受元件，该参考元件和位于探头本体的感受元件相互
串联且与井下管柱材质相同；以及
[0010] 交流阻抗探针，其包括参比
电极、
工作电极和辅助电极，并形成电化学三电极体系，三电极均暴露于腐蚀环境，其中工作电极的材质与井下管柱相同；
[0011] 通过采集所述电阻探针的参考元件与所述感受元件的端电压，获得所述感受元件与参考元件的电阻比值，进而计算出井下管柱的腐蚀余量；通过在所述工作电极上加载不同频点的
正弦波信号，并同步采集辅助电极的极化
电流和参比电极的极化电位，据此计算出相应频点的阻抗值，获得工作电极的极化电阻，进而可测得腐蚀速率。
[0012] 作为本发明的改进，所述加载的不同频点的正弦波信号包括高频(100Hz～1000Hz)正弦波信号和低频(0.001Hz～0.01Hz)正弦波信号。
[0013] 作为本发明的改进，所述探头本体与筒形壳体内壁接触的外周面上设置有多个凹槽，用于容置
密封圈，以将探头与腐蚀环境接触的一端与另一端密封隔绝。
[0014] 作为本发明的改进，在筒形壳体与腐蚀环境接触的一端端部连接有一锥形护套，该锥形护套表面开有多个小孔，用于保证腐蚀介质自由进入筒形壳体内并与电阻探针和交流阻抗探针接触。
[0015] 作为本发明的改进，所述筒形壳体相对的另一端设置有中心开口的
螺母，用于封闭该筒形壳体上端并使得线缆可穿过。
[0016] 作为本发明的改进，所述探头本体上设置有PCB板，其上集成有用于采集信号并进行处理的
电路。
[0017] 按照本发明的另一方面，提供一种用于井下管柱腐蚀在线监测的装置，其包括上述的复合探头，以及底部安装在该复合探头的探头本体内的PCB板，其特征在于，该PCB 板上设置有
波形发生器，恒电位电路，
单片机，多通道A/D转换器和双向恒流源，其中，[0018] 所述单片机分别与所述恒电位电路和多通道A/D转换器连接，所述双向恒流源通过
导线连接到串联的参考元件和感受元件首末两端，用于维持流过电阻探针的感受元件和参考元件的电流恒定，所述恒电位电路两端分别与所述交流阻抗探针的参比电极和工作电极连接，所述波形发生器输出的不同
频率的交流信号通过该恒电位电路加载至参比电极和工作电极之间，
[0019] 所述多通道A/D转换器通过四个端口分别连接至电阻探针的感受元件两端和参考元件的两端，用于对恒定电流流经两者后的端电压差进行同步采样，并通过导线与交流阻抗探针的参比电极、工作电极和辅助电极连接，工作电极(WE)与参比电极(RE)之间的交流电压(UAC)以及辅助电极(CE)输出的交流电流信号(IAC)由多通道A/D转换器进行
模数转换，上述同步采用的电压差以及模数转换后的数据输入到所述单片机进行处理，分别获得所述感受元件与参考元件的电阻比值，以及交流电压UAC与交流电流信号IAC之间的幅值比与
相位差，由此通过该电阻比值获得腐蚀量，通过该幅值比与
相位差获得不同频率下WE的阻抗谱而获得腐蚀速率。
[0020] 作为本发明的改进，该装置还包括电源稳压器和井口电源，其中所述电源稳压器内置DC-DC转换芯片和线性稳压芯片，可将井口电源提供的电压降压至相应的直流电压，并通过线性稳压芯片稳压后为PCB板的所有电路供电。
[0021] 作为本发明的改进，该装置还包括安装在井口的数据收发器，其内设置有收发器，并与井下的所述PCB电连接，用于将测量的数据发送到远端的腐蚀监控中心，实现实时监控。
[0022] 按照本发明又一方面，提供一种利用上述用于井下管柱腐蚀在线监测的装置对井下管柱进行腐蚀量和腐蚀速率实时在线监测的方法，包括如下步骤：
[0023] 将所述复合探头固定在待监测的管柱外侧并送入井下腐蚀环境中，并使得其中的电阻探针中的感受元件和交流阻抗探针的三个电极暴露于腐蚀环境中；
[0024] 对所述电阻探针通以恒定电流，进而采集所述参考元件和感受元件两端的电压差，获得所述感受元件与参考元件的电阻比值，进而根据欧姆定律获得井下管柱腐蚀量；
[0025] 对所述工作电极上加载不同频点的正弦波信号，并同步采集辅助电极的极化电流和参比电极的极化电位，据此计算出相应频点的阻抗值，进而获得工作电极的极化电阻Zp和瞬时腐蚀速率。
[0026] 本发明可用于对高温高压井下油、水、气介质中的金属管柱进行在线腐蚀监测，基 于井口数据收发器和监控中心
软件，实现井下腐蚀的远程在线监控。由于油气井下的高温高压环境，井下腐蚀监测
传感器需要工作在
温度最高130℃、压力50MPa的腐蚀性环境中。井下腐蚀监测传感器安装于油管内，传感器所采集的数据通过固定在油套管外壁卡箍上的铠装
电缆上传到地面的数据收发器，然后通过无线或有线通讯方式，上传到中央
监控系统，使用户足不出户即可随时了解井下腐蚀状态，及时调控防腐蚀措施，确保油气井生产的安全性与经济性。
[0027] 本发明采用电阻探针与交流阻抗的集成腐蚀监测方案，其中，基于交流阻抗的腐蚀监测方法能快速反映管柱在导
电介质中的瞬时腐蚀速率变化，而电阻探针则能反映气、液双相环境中腐蚀累积量的变化。通过瞬时腐蚀速率与腐蚀累积量的结合，既能反映由于
流体介质条件改变导致的腐蚀速率快速变化，也能反映金属材料在较长时间内的总体腐蚀趋势。
[0028] 本发明中的装置能敏感探测气相或液相环境中井下管柱的总腐蚀量和腐蚀速率变化，其腐蚀量测量精度可达电阻探针感受元件寿命的1/5000，而交流阻抗探针采用正弦波激励和相关分析
算法，具有较强的抗干扰能力，并且测量过程迅速，数据重现性好，其瞬时腐蚀速率测量分辨率可达0.01μm/a，能快速反映井下腐蚀环境的变化。可用于在线监测
生产井中油气井套管或管柱的腐蚀速率，而不必中断该井的生产。具体而言，本发明相比现有技术具有如下优点：
[0029] (1)基于交流阻抗技术显著提高了腐蚀速率测量的灵敏度和测量结果的重现性，比现有方法能更迅速地反映腐蚀状态的变化；
[0030] (2)基于电阻探针与交流阻抗探针的集成，本发明可以监测高温高压气、液复杂井下环境中管柱的腐蚀量和瞬时腐蚀速率，相比现有技术可更快速准确评价井下防腐蚀措施的有效性；
[0031] (3)可实现井下管柱腐蚀状态的实时监测，使管理者足不出户即可随时了解井下腐蚀状态；
附图说明
[0032] 图1为按照本发明
实施例所构建的井下腐蚀监测装置的电路原理示意图；
[0033] 图2为按照本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置的复合探头结构示意图；
[0034] 图3为按照本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置结构示意图；
[0035] 图4为按照本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置安装示意图；
[0036] 图5为按照本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置的电阻探针感受元件腐蚀量随 时间的变化曲线图，其中，横轴为测试时间，纵轴为感受元件的腐蚀余量；
[0037] 图6为按照本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置的交流阻抗探针工作电极瞬时腐蚀速率随时间的变化曲线图，其中，横轴为测试时间，纵轴为瞬时腐蚀速率；
[0038] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1：波形发生器，2：
实时时钟，3：Flash
存储器芯片，4：
恒电位仪电路，5：单片机，6：通讯
接口，7：多通道A/D转换器，8：双向恒流源，9：电源稳压器，10：井口电源，11：腐蚀监测复合探头，20：8～10芯
线束，21：聚四氟乙烯环形槽及密封圈，22：聚醚醚
酮或聚四氟乙烯浇铸探头本体，23、27：分别为电阻探针的参考元件和感受元件，24、25、26：分别为交流阻抗探针的参比电极、工作电极和辅助电极，30：高强不锈
钢密封头，31：高强
不锈钢圆筒壳体，32：PCB
电路板，33：腐蚀介质交换通孔，34：不锈钢锥形护套，40：井口数据收发器，41：不锈钢铠装电缆，42：井下腐蚀监测装置，43：油管，44：套管，45：油管卡箍。
具体实施方式
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040] 参见图1，本发明实施例所构建的井下腐蚀监测装置包括井下在线腐蚀监测装置，如附图1，包括波形发生器1、实时时钟2、数据存储器3、恒电位电路4、单片机5、通讯接口6、多通道A/D转换器7、双向恒流源8、电源稳压器9、井口电源10和复合监测探头11。
[0041] 其中，波形发生器1、实时时钟2、数据存储器3、恒电位电路4、单片机5、通讯接口6、多通道A/D转换器7、双向恒流源8、电源稳压器9均设置在PCB电路板32上。
[0042] 如图2，复合探头包括探头本体22、电阻探针和交流阻抗探针。其中，探头本体套装在筒形壳体31内，并与该壳体31内壁面密封接触，壳体31一端与腐蚀环境接触。电阻探针包括密封设置在探头本体22内的参考元件23和位于探头本体22外并暴露于井下腐蚀环境中的感受元件27，该参考元件23和位于探头本体22n内的感受元件27相互串联且感受元件27与井下管柱材质相同。交流阻抗探针包括参比电极24、工作电极25和辅助电极26，并形成电化学三电极体系，三电极均暴露于腐蚀环境，其中工作电极WE 25的材质与井下管柱相同；
[0043] 如图3，PCB板32和复合监测探头11设置在在耐压50MPa、耐温150℃的高强不锈钢圆柱壳体31内，二者通过8～10芯线束20(参见图2)实现电连接。
[0044] PCB板32上有一高温型C8051F单片机5，优选为8位或32位高温型单片机5。该单片机5分别连接波形发生器1、实时时钟2、64k～512k bytes数据存储器3、恒电位电路4、RS485通讯接口6、多通道16bit～24bit A/D转换器7(例如多通道16位或24位100k Hz A/D转换器芯片)和电源稳压器9。上述所有芯片均由3.3V～5V电源稳压器9供电，且所有芯片均
焊接在上述PCB上，PCB板通过8根导线连接到腐蚀监测复合探头11上，如附图2。
[0045] 波形发生器1优选由16bit D/A转换器与
运算放大器构建，能输出单片机5内预存储的正弦波表。在时钟脉冲控制下，将特定频率的正弦波信号输入恒电位电路4，并加载到交流阻抗探针中的工作电极25上，然后由多通道A/D转换器7中的两路A/D通道同步采集辅助电极26的极化电流和参比电极24的极化电位，最后由单片机对交流电压和电流信号进行相关分析，并计算出相应频点的阻抗值。单片机分别测量高频(100～1000Hz)和低频(0.001～0.01Hz)两个频点下的交流阻抗Zh和Zl，进而计算出工作电极25的极化电阻Zp(＝Zl-Zh)。然后根据Stern公式，计算出腐蚀电流
密度Icorr，Icorr＝B/Zp(mA/cm2)，以及瞬时腐蚀速率Vcorr，Vcorr＝Icorr×11.74mm/a。其中B为Stern系数，取值为26mV～52mV。
[0046] 实时时钟2优选采用PCA8565时钟芯片，可输出脉冲信号，用于将单片机5从低功耗中唤醒。
[0047] 数据存储器6优选采用32k～256k bytes Flash存储器，用于存储测量时间、极化电阻Zp和腐蚀速率数据。
[0048] 通讯接口8优选采用隔离型485芯片，用于指令和测量数据传送。
[0049] 复合探头包括8芯引出线束(A，B，C，D，E，F，G，H)20，分别连接到电阻探针和交流阻抗探针上。电阻探针的敏感元件由与井下管柱相同的材质制成，并与井下管柱具有相同的腐蚀特性，其外观可以是丝状或薄片状或圆筒状。电阻探针由参考元件(记为Rf)23和感受元件(记为Rx)27两部分组成，其中参考元件23密封于探头内部，不受腐蚀，而感受元件27则暴露于井下腐蚀环境，与井下管柱发生同样的腐蚀行为。交流阻抗探针由参比电极(记为RE)24、工作电极(记为WE)25和辅助电极(记为CE)26组成，组成电化学三电极体系。三电极的外观可以是圆柱状或圆环状，且均暴露于腐蚀环境。三电极中WE 25的材质与井下管柱相同，而RE 24可以是高纯锌或MnO2 或Ag/AgCl粉压型电极，CE 26则可以是不锈钢或
钛合金材质。探头本体22为圆柱形，采用聚醚醚酮(PEEK)或者聚四氟乙烯(PTFE)整体浇铸，探头本体22安装于高强度不锈钢圆筒壳体31内。在探头本体的外侧有2～3个环形槽，用于安装PTFE密封圈21，以提高探头本体22与高强不锈钢圆筒壳体31之间的密封能力。
[0050] 图1中的多通道A/D转换器7的另外两路A/D通过线束分别连接至复合探头11的电阻探针参考元件23和感受元件27的两端(参见图2)。参考元件23埋置于耐高温
树脂中并与外界环境隔离；感受元件27暴露于腐蚀环境中，二者均由U型金属丝或薄板制成；且电阻值优选均在5至50mΩ之间。电阻探针的两个端点A、F输入端上连接有双向恒流源8，该恒流源采用高精度电源管理芯片，并由单片机5控制输出交替改变方向的0.1A～0.5A激励恒电流，当电流通过参考元件23和感受元件27时形成电压降，通过多通道A/D转换器7及其前置64倍～128倍增益放大器同时测量参考元件23和感受元件27上的电压降，最后由单片机5计算它们的电压降比值，并根据欧姆定律转换成感受元件的总腐蚀量。腐蚀监测复合探头11还通过导线连接到暴露于腐蚀环境的参比电极24、工作电极25和辅助电极26，这些电极可以圆柱状或圆环状，其中参比电极24优选可以由高纯锌或MnO2或Ag/AgCl粉压型电极制成，工作电极25则优选由与井下管柱相同的材质制作，辅助电极26则优选由不锈钢或钛合金制作。
[0051] 电阻探针通过引出线束20中的两个引线
端子(A,H)连接到双向恒流源8，用于维持恒定电流流过电阻探针的感受元件27和参考元件23，恒电流源8内置有
功率放大器和继电器，可输出100～500mA的恒流，电流方向则由继电器控制，功率放大器和继电器均受单片机5的指令控制。多通道A/D转换器7为Σ-Δ型16～24位的A/D，采用4通道差分输入，通过引出线束20中的B、F和F、G引线端子连接至电阻探针的感受元件27和参考元件23的两端，并对两个元件上的端电压差进行同步采样。为提高精度，测量过程采用了128～1024倍的
过采样技术。电压测量结果传送到单片机5，进而通过两路端电压的比值计算出感受元件27与参考元件23的电阻比值，利用欧姆定律转换得到腐蚀余量。
[0052] 单片机5内建有16～64k字节的正弦波波形表，由波形发生器1内的D/A转换器根据波形表输出不同频率的交流信号，并通过恒电位电路4加载到交流阻抗探针的WE 25和RE 24之间。WE与RE之间的交流电压(UAC)以及辅助电极(CE)26输出的交流电流信号(IAC)由多通道A/D转换器7进行数字化，最后借助于相关积分算法，计算出UAC与IAC之间的幅值比与相位差，由此获得不同频率下WE 25的阻抗谱。阻抗测量 结果保存到Flash存储器储3中，还可通过通讯接口6传送到地面接收器。
[0053] 井下腐蚀监测装置的整体结构如附图3。其中腐蚀监测探头11固定在一不锈钢圆筒壳体31内，该圆柱体优选外径为25～35mm，内径为20～30mm。探头11的引出线连接到PCB板32，该PCB板上焊接有包括但不限于附图1中的所有
电子器件。在不锈钢圆柱体31的顶部，通过
螺纹连接有一个1/4”不锈钢密封螺母30，该密封螺母中间开孔，可用于通过铠装电缆。该圆筒壳体31内壁与复合探头11外壁之间采用2～4级PTFE密封圈实现密封。在圆柱体31的底部，连接有一锥形护套34，该锥形护套表面开有诸多小孔33，可保证腐蚀介质自由流过探头11，使井下腐蚀性介质能充分接触复合探头11中的电阻探针和交流阻抗探针，确保腐蚀监测复合探头能真实反映井下腐蚀状态。不锈钢圆柱体31通过顶部的
密封件30和底部的腐蚀监测探头11以及探头外侧的密封圈21，形成一个高度密闭的空间，为PCB板32提供良好的保护，确保腐蚀监测装置在井下高温高压环境中可靠工作。
[0054] 井下腐蚀监测装置的主电源由电源稳压器9提供，电源稳压器9内置DC-DC转换芯片和线性稳压芯片，可将井口电源10提供的24～48V电压降压至4～6V直流电压，再通过线性稳压芯片将其稳压为3.3V，为PCB板32上的所有模拟/数字芯片供电。井下腐蚀监测装置的电路中采用实时时钟2实现自动定时唤醒测量，采用可关断的电压稳压器，在非测量期间关闭供电电路，以降低功耗。
[0055] 井下腐蚀监测装置在油井中的安装方式参见图4。在井口安装有数据收发器40，该收发器由井口电源10供电，收发器40内有无线发射模
块，可将测量数据发送到远端的腐蚀监控中心。井口收发器40通过铠装电缆41与本发明所述的井下腐蚀监测装置42相连并实现数据通信，同时还通过铠装电缆41给井下腐蚀监测装置42供电。铠装电缆41则在油管43下井作业时通过卡箍45固定在油管43外侧。所述的井下腐蚀监测装置42安装于油井套管44与油管43之间的环形空间内，也可以固定在油管的尾管内。井下腐蚀监测装置42固定于环形空间的某一关键
位置，所测量的电阻探针和交流阻抗腐蚀数据则通过铠装电缆41实时传送到井口收发器40，并通过无线或有线网络传送到腐蚀监控中心，方便管理人员随时随地查看现场腐蚀情况。
[0056] 井下腐蚀监测装置42随油管43作业时一起下到井底，并固定在距离地面最深4000米的油井内。该装置通过RS485四芯不锈钢电缆41与井口数据收发器40进行通讯，并由后者供电。不锈钢电缆41通过卡箍45固定在油管43外壁。井口的数据收发器40通过无线或有线信号将数据发送到中央监控系统，使管理者可随时随地查看井下腐蚀状 况。
[0057] 将本井下腐蚀监测装置浸入模拟油田污水中，测量复合腐蚀监测探头11中感受元件27的腐蚀余量随时间的变化曲线，参见图5。可见随着时间的延长，暴露在腐蚀环境中的感受元件腐蚀余量随时间而线性下降。而图6则显示了同时测量的交流阻抗探针中工作电极25的瞬时腐蚀速率随时间而逐步增加的曲线，表明随着腐蚀产物在工作电极表面的堆积，使电极的瞬时腐蚀速率逐步下降。结合两种方法分别测量的瞬时腐蚀速率与腐蚀余量，将可以更全面地表征与井下管柱同材质的试样在气、液复杂环境中的整体腐蚀状态。
[0058] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
