油田注水系統(tǒng)腐蝕率在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

吳澤美 馬偉娜 劉萬斗 趙玉政 左婧 李明 郭君更

（華北油田分公司第五采油廠）

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明每年腐蝕造成的損失約占到國民生產(chǎn)總值的4%，僅華北油田每年腐蝕導(dǎo)致的地面管線穿孔約1 500次，油井檢泵作業(yè)400余井次，年損失4 000余萬元。腐蝕控制貫穿油田開發(fā)的全過程，雖然目前物理涂層、非金屬材料等眾多新技術(shù)、新工藝不斷出現(xiàn)，但是基于油田地面工藝現(xiàn)狀，機泵設(shè)備、管線、罐體仍然以鋼鐵材料為主，腐蝕治理仍然以化學(xué)加藥為主，這就是油田開展腐蝕率在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)實需求[1-2]。

1 背景

目前國際上對腐蝕監(jiān)測技術(shù)的研究已進入智能化的發(fā)展階段，如美國的LPR線性極化法腐蝕測量儀，ER電阻探針法腐蝕監(jiān)測儀，Microcor電感法快速腐蝕監(jiān)測儀，HP（Hydrogen Permeation）滲氫監(jiān)測儀等[3-4]。線性極化法是利用腐蝕電位附近極化電位與極化電流呈線性關(guān)系來測定金屬腐蝕速度的方法，不損壞電極。電阻探針法通過探針被腐蝕變薄后電阻的變化來計算腐蝕率，探針需要定期更換。電感法是利用探頭表面被腐蝕時探頭內(nèi)線圈電感發(fā)生變化，繼而推算腐蝕速率，滲氫監(jiān)測儀用來監(jiān)測腐蝕產(chǎn)生的氫滲入鋼鐵的程度，該技術(shù)在石化行業(yè)應(yīng)用更為廣泛[5]。

近年來，我國在腐蝕監(jiān)測技術(shù)的研究應(yīng)用方面也有了很大進展，特別是腐蝕測試儀器和遠程自動化系統(tǒng)研發(fā)有很大突破，相繼開發(fā)了精密電阻探針、交流阻抗探針、電化學(xué)阻抗譜法等多種方法用于現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測，并進一步發(fā)展成為基于局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)的交流和管理更為便捷[6]。

勝利油田運用電化學(xué)交流阻抗法進行污水集輸管線腐蝕速率的快速測量，設(shè)計了一套適用于油田集輸管線的快速腐蝕監(jiān)測裝置[7]，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該裝置具有較高的抗電磁干擾能力和較好的可靠性，其測量值與現(xiàn)場掛片法結(jié)果吻合。大慶油田采用一套集多種信號采集技術(shù)、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸、GPS衛(wèi)星定位、GIS服務(wù)等信息化管理手段為一體的智能化油田自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對采油井、儲油罐、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站各項運行指標參數(shù)的自動采集和動態(tài)監(jiān)控。普光氣田將腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針、數(shù)據(jù)采集器、控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（含數(shù)據(jù)分析軟件）以及帶壓取放器裝置等結(jié)合起來，利用FSM腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，建立了完善的腐蝕監(jiān)測及控制體系，經(jīng)過1年多的運行，實測數(shù)據(jù)顯示地面集輸系統(tǒng)腐蝕速率有效地控制在0.076 mm/a以下。

2 腐蝕率在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

不同監(jiān)測腐蝕技術(shù)特征見表1，技術(shù)成熟并兼顧安全、環(huán)保、經(jīng)濟因素，是現(xiàn)場技術(shù)方案遴選的主要參考原則。華北油田經(jīng)過論證選取測試精度高、經(jīng)濟實用的電阻探針式腐蝕監(jiān)測方法，電阻探針技術(shù)可以在液相（電解質(zhì)或非電解質(zhì)）、氣相等介質(zhì)中進行測定，具有操作相對簡單、易于維護、數(shù)據(jù)容易分析等特點。結(jié)合華北油田正在建設(shè)中的物聯(lián)網(wǎng)項目，把在線腐蝕率監(jiān)測系統(tǒng)納入到整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，在組織架構(gòu)上提高了項目的融合度[8]。

表1 不同監(jiān)測技術(shù)特征

由于FeS、FeS2具有半導(dǎo)體性質(zhì)，當探針表面被FeS、FeS2覆蓋時，電阻值會出現(xiàn)誤差，所以電阻探針技術(shù)在以H2S腐蝕為主的介質(zhì)中誤差較大。如果水中含油量較高，探針被油膜包裹時，阻止了腐蝕介質(zhì)和探針的接觸，會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。基于含油量的考慮，監(jiān)測點適合選取在水處理系統(tǒng)的濾后位置，要求過濾后的水體含油小于10 mg/L。

3 現(xiàn)場實施情況

華北油田第五采油廠2019在榆一站、趙一站安裝了注水系統(tǒng)腐蝕率在線監(jiān)測系統(tǒng)，項目設(shè)計包括在線監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)采集和加藥聯(lián)動3個部分。

3.1 在線監(jiān)測裝置

現(xiàn)場監(jiān)測點1在緩蝕劑加藥泵前，監(jiān)測點2在緩蝕劑加藥泵后，兩個點的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比既可以反映腐蝕情況，又可以反映緩蝕劑加藥效果，為后續(xù)調(diào)整加藥制度提供依據(jù)。為了檢驗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，在監(jiān)測點2旁同時裝一個掛片，將掛片腐蝕法和電阻探針法兩種方法對比，以驗證電阻探針法的準確程度。

腐蝕監(jiān)測探頭技術(shù)指標：腐蝕速度測量范圍1×10-4～50 mm/a；正弦波頻率10 kHz～1 MHz；極化電阻測量范圍5～10 MΩ；絕對測量精度<1%；介質(zhì)電阻測量范圍10～500 KΩ；正弦波幅值5～100 mV；定時自動測量測量間隔1～255 h；存儲數(shù)據(jù)3 000組；時鐘誤差±1 min/a(自帶電池)；工作溫度-10～50℃；濕度≤80%RH；電池供電重量2.5kg。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集架構(gòu)由監(jiān)測設(shè)備、上位機以及數(shù)據(jù)服務(wù)器三部分組成，監(jiān)測設(shè)備與上位機之間通過內(nèi)嵌ZigBee無線通訊模塊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。上位機通過Intouch實現(xiàn)數(shù)據(jù)組態(tài)，同時將數(shù)據(jù)存入服務(wù)器。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，尤其是帶有路由的可組網(wǎng)功能，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備通過ZigBee模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，避免了有線傳輸需動土破地施工所帶來的不便以及安全風(fēng)險。數(shù)據(jù)通過無線傳輸可實時顯示于作業(yè)區(qū)中控室上位機，數(shù)據(jù)存儲于后方服務(wù)器，中控室值班人員和廠區(qū)技術(shù)部門均可以實時掌握現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)，在線腐蝕率監(jiān)測數(shù)據(jù)界面見圖1。

3.3 加藥聯(lián)動

將腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與緩蝕劑加藥系統(tǒng)聯(lián)動，腐蝕數(shù)據(jù)傳至后臺后，通過PLC控制器關(guān)聯(lián)變頻器和加藥泵，中控室根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)發(fā)布啟停加藥泵的指令[9]。

當腐蝕率數(shù)據(jù)超過0.076 mm/a時，平臺發(fā)出提示，值班人員確認現(xiàn)場情況后發(fā)布起泵加藥指令。經(jīng)過兩年的運行，將加藥濃度和腐蝕數(shù)據(jù)反復(fù)推演，目前加藥濃度設(shè)為3檔：當清污混注或單注清水，腐蝕率小于0.076 mm/a時，加藥泵停泵；當腐蝕率在0.076～0.15 mm/a時加藥濃度80 mg/L；腐蝕率大于0.15 mm/a時加藥濃度120 mg/L。

3.4 數(shù)據(jù)分析

掛片法是將鋼質(zhì)掛片置于試驗介質(zhì)中，經(jīng)過一段時間的腐蝕減重來測算平均腐蝕率的方法，這是公認的客觀反映某一時間段內(nèi)腐蝕程度的方法。為了驗證腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，2019年5月至12月在榆一站做了在線腐蝕率數(shù)據(jù)和掛片腐蝕率數(shù)據(jù)的對比，在在線腐蝕率探頭附近安裝掛片，掛片材質(zhì)選取與管線同型號鋼材，掛片周期為1個月，每個月測一個數(shù)據(jù)，連續(xù)試驗8個月，腐蝕率數(shù)據(jù)對比見圖2。在線腐蝕率數(shù)據(jù)和掛片腐蝕率數(shù)據(jù)基本吻合，平均誤差在10%以內(nèi)，說明在線腐蝕率測試數(shù)據(jù)能夠準確反映現(xiàn)場腐蝕情況，因其操作簡便，數(shù)據(jù)直觀，可以極大提高現(xiàn)場管理效率。

圖2 腐蝕率數(shù)據(jù)對比

趙一站腐蝕率在線測試數(shù)據(jù)見圖3，2019年12月23日開始，腐蝕率數(shù)據(jù)發(fā)生突變，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，與當時正在進行的CO2吞吐施工時間同步，這也從另一個側(cè)面證明了在線腐蝕率監(jiān)測技術(shù)的即時性優(yōu)勢[10]。

圖3 趙一站腐蝕率在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

基于掛片法測腐蝕率數(shù)據(jù)試驗周期長，注水系統(tǒng)通常為以年度為單位確定加藥制度，以榆一站和趙一站為例，以前的加藥濃度統(tǒng)一為200 mg/L，雖然可以控制腐蝕率，但是藥量存在冗余。采用在線腐蝕率監(jiān)測系統(tǒng)以后，根據(jù)現(xiàn)場腐蝕率數(shù)據(jù)，可以及時調(diào)整加藥制度，加藥制度的劃分周期明顯縮短，兩個站經(jīng)過2年運行，節(jié)約藥劑21 t。

4 結(jié)論及建議

1）通過腐蝕在線監(jiān)測與掛片腐蝕法兩種方法對比，在線監(jiān)測的結(jié)果誤差在可控范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)準確性滿足油田生產(chǎn)需求。

2）將腐蝕率在線監(jiān)測技術(shù)整合進油田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了腐蝕數(shù)據(jù)的實時展示，為掌握現(xiàn)場腐蝕動態(tài)并及時治理提供了技術(shù)支持，提高了油田開發(fā)的精細管理水平。