氣井井下的腐蝕監測技術

鄭云萍，劉 奇，張 峰，曹洪貴，劉 成，張吉紅

（1.西南石油大學 石油工程學院，成都610500；2.中國石油新疆油田分公司，克拉瑪依834000）

氣井井下腐蝕是指在天然氣開采中，氣體隨井筒上升到地面，由于溫度、壓力的降低而析出水和凝析油，在管壁形成水膜，造成電化學作用的腐蝕和氣流中夾雜微小顆粒造成的機械腐蝕［1］。

氣井腐蝕監測是通過對氣井設備的失效進行判斷，對設備壽命進行預測，評價與選擇適宜的防腐蝕措施，有著現場應用和研究意義。氣井的監測目標位于地面以下，所以超聲波、漏磁法等腐蝕監測方法難以得到應用。此外，由于氣井修井周期較長，井下環境復雜，常見應用于油井的掛環技術在氣井腐蝕監測中鮮有應用。

現有氣井井下腐蝕監測的方式按照原理可以分為：失重法、化學分析法和電化學法［2］。本文就不同監測方式的原理、使用方式及適用方面進行了論述，對監測方式的選擇以及腐蝕數據的應用提出了建議。

1 物理法

通過測量管道腐蝕部位、試片或敏感元件規格的改變，對腐蝕情況作出判斷。該方法由于不需要運轉所需的傳遞介質，幾乎可用于任何環境。方法有：掛片失重法、電阻探頭法、井徑儀法等。

1.1 掛片法

掛片法是一種傳統的腐蝕監測方法。在氣井監測使用中，一般將掛片及專用的支架下降到測試深度，也有時采取鋼絲作業投撈掛片的方式［3］，屬于在線監測，離線分析的一種監測方式。

在應用中，可將不同材料的試片在同一位置進行監測，以進行對比和平行試驗，為材料的選擇提供參照。通過掛片法可分析腐蝕產物和表面腐蝕形貌，直觀確定腐蝕類型，對細菌腐蝕及非均勻腐蝕都能提供直觀的信息［2］。

掛片法無法反映瞬時及局部腐蝕速率，僅能體現對試驗階段的平均腐蝕速率，對生產變化、防腐蝕措施變化的腐蝕情況不能做出有效指示［2］。由于該方法需要將掛片放入井內，試驗周期受到修井計劃和氣井生產情況的限制。另外，對于不同管段，因采出液的性質有所不同，掛片法僅能反映掛片安裝區域的腐蝕情況［4］。通過在不同管段放置掛片，就能夠反映出一定范圍的腐蝕狀況，例如在中原油田文23氣田的10口監測井中，該方法應用于對比不同管段的腐蝕情況［5］。

作為各種腐蝕監測手段中最根本和有效的方法，掛片法能最大程度地反映腐蝕的真實情況。盡管目前有較多先進的電子方法，但在使用任何其它方法的同時，都會參考掛片法的數據。

1.2 電阻探針法

電阻探針是一個裝有金屬試片的探頭，在腐蝕介質中，金屬試片的橫截面積因腐蝕而減小，從而電阻增大，通過周期性地測量其電阻，便可計算出該段時間的總腐蝕量以及腐蝕速率［6］。

電阻探針的種類較多，如K.Waterman David等人申請專利的腐蝕監測設備［7］。該設備是將探頭、電池、信息記錄和處理設備所集成的探頭放入氣井監測位置，對監測區域的腐蝕情況進行間歇的記錄并保存，經過一段時間的暴露后，將信息下載到電腦進行分析，在安裝期間不需要氣井停止生產。該探頭可以安裝在經過井徑儀檢測發現存在較嚴重腐蝕的區域，不會對管道造成損害，可以同時記錄所處位置的溫度，在國外已有許多試驗和現場應用［8］。此外，華中科技大學開發的一種改進型的電阻探針腐蝕監測儀ER400，能夠對電阻溫漂問題進行補償［9-10］。

與掛片法相類似，電阻探針法適用性強，不需要進行清潔，幾乎可以在任何介質中使用，多用于多相或非電解質溶液［2］。該法優于掛片法之處在于，電阻探針法能夠對瞬時腐蝕速率進行監測與記錄。

電阻探針法的局限性在于：僅能夠對一段時間內的累計腐蝕量進行測定，而非瞬時腐蝕速率［2］；獲取數據時間較長；介質的溫度、流速、金屬材料的偏差、電極表面制備的偏差，以及探針表面存在的外來物質如腐蝕產物，均會影響測量結果的可靠性；不適用于局部腐蝕的監測；在硫化物系統中測量結果也不甚準確。若探針的靈敏度高，壽命則短，反之亦然［11］。

電阻法也常與其他監測方式共同使用。2008年雅克拉氣田YK6H井采用掛片法與電阻探針法相結合，試用了美國MS3500E型電阻探針腐蝕監測儀，測得數據與掛片法的數據基本吻合［12］。

1.3 井徑儀法

監測與檢測之間的界限并非十分嚴格。井徑儀法介于定期檢測和實時監測之間。通過井徑測量儀測量套管各處規格參數，判斷井下套管受損情況。

本方法對于油田和氣田都適用，能夠提供生產油管柱內壁綜合的監測數據。具體操作一般為：將用鋼絲繩（纜繩）連接的井徑儀下入井底，通過井徑儀多條帶有傳感裝置的機械臂與套管內壁緊密貼合，對套管遍歷后，得出尺寸變化情況，通過地面電腦終端，對數據進行處理與分析［4］。

通過對井徑儀法得到的數據進行分析，能夠預測套管穿透時間、套管管壁減薄造成的最小臨界屈服強度的時間。通過油管的內表面垂向窄腐蝕裂紋、腐蝕分散凹痕、管壁局部損傷環和管壁均勻損傷面，能夠判斷油管的不同腐蝕機理的特征。

需要注意的是，此方法得到的腐蝕監測結果可能會因為硫酸鐵及其他結垢物覆蓋井壁而小于實際數據；監測周期較長，且受到很多限制，無法在不對生產造成影響的情況下實時對腐蝕情況進行監測。

2 化學分析法

采氣過程中，腐蝕產物的部分組分，如鐵離子、氯離子、硫化氫等會隨采出水帶出井口，在地面對采出液及pH進行分析，可為井下腐蝕情況的監測提供依據。其中對鐵離子監測較為普遍［13］。

鐵離子分析法的監測對象為井口采出水中的可溶的鐵離子、二價鐵離子或總的鐵離子質量深度。通過收集井口采出液，對收集到的采出水進行處理與分析，最常用鄰二氮雜菲比色分析法，實驗室分析也會用到原子吸收光譜光度測量法、重鉻酸鹽滴定法和乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法［14］。

化學分析法易于實現，在現場使用快捷，只需在井口增設旁路，對套管沒有損害，不需要停工，所以在國內外應用廣泛。該方法適用于對緩蝕劑效果的評價以及全面腐蝕的評價，在采出水量大的無硫油氣井的應用上有著良好表現［4］。

由于是對最終流出井口的采出水進行分析，化學分析法無法監測局部腐蝕。對于一般系統，收集井底溶液的時間可能只需幾分鐘，在氣井則需要12 24h，無法對瞬時腐蝕速率進行監測。由于油管失效與蝕痕等多種因素有關，僅憑油管金屬的總耗損量或者均勻腐蝕不能精確反應油管失效，所以計量數據與失效數據之間難以建立聯系［4］。另外，鐵在系統中的沉淀會影響檢測結果，對含溶解硫和溶解氧較多的流體可靠性差。結合以上特點，本方法一般與其它監測手段一同使用，相互佐證。

3 電化學法

由于氣井的腐蝕多是電化學過程，對產生腐蝕時的電特性進行監測，從而可以判斷腐蝕情況。電化學法中，線性極化法（LPR）最為常用。

Stern及其同事于1957年提出線性極化法［15］，現已成功用于油田設備、管道、化學過程以及水處理設備的腐蝕監測。西南油氣田于1995年引進包括線性極化探針、電阻探針、氫探針的腐蝕監測系統，1996年應用電化學法于磨溪多座氣井，電化學探針全部安裝于井口到分離器段的集輸管線上，配合緩蝕劑殘留濃度監測法對三種緩蝕劑效果進行了評價，2002年該系統在長慶油田也開始應用［2，16］。

電化學法具有易于實現，能快速測定瞬時腐蝕速度的優點［4］。然而，該方法對于局部腐蝕無法有效監測，且不適用于導電性差的介質［2］。同樣，當設備表面產生氧化膜或鈍化膜，甚至有腐蝕產物堆積時，將有假電容產生而影響測量結果，隨著可更換探頭的研發，這一問題可能會緩解。

4 其他方法

除上述方式外，其他還在發展的監測方法有：氫監測技術、超聲波測壁厚法、緩蝕劑殘余濃度監測技術［17］等。

4.1 氫監測

井下套管可能會受到氫脆、氫致開裂和氫鼓泡帶來的損傷［2］，通過氫探針（Hydrogen testprobe）可以對其進行監測。氫監測法能夠對材料氫損傷狀態進行監測，對于含硫的酸性氣田的安全開采具有重要意義。氫探頭無法直接對腐蝕進行監測，但可以對監測工藝過程的變化進行監測［16］。

在石化工業中，主要有壓力型、真空型和電化學傳感器三種氫傳感器。電化學傳感器響應快，靈敏度高，信號輸出強，是研究的重點［16］。

氫監測適于酸性或中堿性介質環境，可指導舊管線的更新維護。現場監測表明，氫滲電流的變化往往具有規律性，可為預測內防腐涂層壽命提供一條新途徑［17］。但在井下腐蝕監測應用較少。

4.2 超聲波測壁厚法

該方法通過對壁厚進行測定，用于對化工設備內部缺陷、腐蝕損傷以及設備和管道的腐蝕狀況的測量［18］。

Barry Vincent Jonson申請專利的“井下腐蝕監測設備”已在氣田中得到應用。該設備將一組壓電傳感器以陣列形式固定安裝在套管金屬表面，與地面連接的電纜供電，同時電纜也承擔傳輸數據到地面的任務。氣井監測期間無須停工，監測頻率靈活，能夠實現實時監測，可以分出腐蝕的位置，探測或監測套管［19］。

4.3 緩蝕劑殘余濃度分析

對緩蝕劑效果進行評價時，可通過測定腐蝕速率的方式，也可通過對反出水中緩蝕劑的殘余濃度進行測定，進而得知井下套管是否得到有效保護［20］。

例如，針對川渝氣田常用的緩蝕劑，西南油氣田分公司天然氣研究院開發出“含氮類緩蝕劑殘余濃度可見光分光光度法”用于分析油溶水分散型和含氮類水溶性緩蝕劑的殘余濃度。自2003年，重慶氣礦建立的緩蝕劑殘余濃度分析實驗室開始對于大天池所有生產井的緩蝕劑殘余濃度進行每月檢測。結果表明，該方法能夠監測緩蝕劑的返排情況，評價腐蝕防護效果，但仍存在一定不足［21］。此外，川東峰7井、川中磨133井通過含氮類水溶性緩蝕劑殘余濃度分光光度法，監測緩蝕劑是否排出，反映緩蝕劑濃度變化情況，為防腐蝕方案的制定和現場緩蝕劑的應用的優化提供了數據［22］。

4 建議

（1）防腐蝕是一項長期工作，建立有效的腐蝕監測系統可以使防腐蝕工作以最有效的方式進行，建議根據氣田的具體情況，選擇合適的方式對氣井腐蝕進行監測，從而確保氣田的安全高效生產。

（2）雖然腐蝕監測能夠相對快速地反映出腐蝕情況，但是定期的檢測仍然是必要的［21］。此外，現有氣井腐蝕監測方式各有其優點及局限性，現場應用中，應結合監測目的及監測條件對監測方式進行合理選擇，特別注意采用兩種或多種監測方式配合使用，以達到監測的目的。

（3）氣田開發前期應盡量對防腐蝕措施的數據進行采集［23］。對于前期以及開發后期得到的數據，可以通過遺傳算法、神經網絡、小波理論和灰色分析等理論進行分析，建議采取多種方法進行對比或組合，以達到對腐蝕監測數據的效利用。

（4）腐蝕監測得到的數據應注意對其進行分析與管理。例如：將防腐蝕工藝方案、腐蝕監測數據和歷史數據導入數據庫，通過失效分析進行診斷預測，對防腐蝕措施進行評價并提出改進方案。將改進措施現場應用的腐蝕監測數據錄入數據庫，為進一步改進防腐蝕措施提供依據。

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