油井采輸管線腐蝕監測系統研制探究

范路，李風，張瑾，李峰

（中國石化股份勝利油田分公司技術檢測中心，山東 東營 257000）

1 概述

我國有93%以上的油田都是采用注水開發的，而水驅采收率只能達到40%左右。長期的大量注水，使我國的老油田普遍進入了高含水階段，因此必須配合其他方法提高采收率，二氧化碳驅油有著巨大的應用潛力。

CO2的注入勢必影響產出水的水質，進而加劇采輸系統構件的腐蝕、引發嚴重的局部腐蝕，制約著驅油技術的發展。采輸部件一旦發生腐蝕，不僅給油田的正常開發和生產造成巨大的經濟損失，同時也會造成環境污染，甚至威脅人身安全。

CO2明顯增加了介質的腐蝕性，而且其腐蝕速率隨著溫度、分壓和水油比增大而逐漸增大；隨著腐蝕時間的延長而逐漸降低。采輸系統桿管內的流體不僅會對管壁造成沖刷作用，破壞腐蝕產物膜，而流體中所含有的 Cl－、HCO3－、Ca2+、Mg2+也會加劇采輸系統部件的腐蝕。碳鋼、高強鋼采輸系統部件在CO2驅工況下，當部件出現內部腐蝕缺陷時其較之普通鋼級部件將面臨更嚴峻的挑戰，嚴重時甚至造成泄漏爆炸等災難性事故。

在采輸系統部件定量評價方法中，對于含缺陷部件的剩余強度評價研究已經得到很大發展。由于采輸部件內部缺陷是影響在役設備眾多安全因素中的最重要因素之一，采輸部件由制造到現場施工與運營服役的過程中會不可避免的產生缺陷，而缺陷的程度不同對系統的影響也不相同，當前對于采輸系統部件腐蝕模型及剩余強度評價的研究開展仍較片面，沒有考慮部件內部流體的影響，缺少重點位置部件的內腐蝕缺陷強度評價方法。

萬辰詠等分析了天然氣集輸管線腐蝕穿孔的原因，綜述了集輸管線腐蝕監測手段特點及適用性。楊棵采用超聲波反射時差法,運用延時信號插值法,進行了在線管道腐蝕監測系統的關鍵技術研究。高桂設計了監測管道腐蝕及泄漏狀態的監測系統，進行了管道腐蝕、泄漏的監測實驗。

對CO2采輸設備的腐蝕過程進行在線監測，實時了解設備的腐蝕狀態，對設備腐蝕造成的安全隱患進行科學的、有預見性的分析和判斷，對系統中設備進行科學的安全管理，正確評價各種類型內部缺陷對采輸部件強度、壽命及安全性的影響，確定更換和維修設備的時間，保證系統運行安全，保證CO2驅工況下采輸部件安全運營、準確地分析預測采輸系統部件剩余強度與運營狀態的快速評估，可有效降低安全事故發生的可能性，因此針對在役管道的腐蝕監測尤其重要。

2 總體設計方案

根據采輸環境中材料腐蝕機理、工況環境、腐蝕、受力狀態，以在役20#管道為研究對象，利用管道實時腐蝕監測探頭，配套溫度、壓力、流量傳感器、數據采集硬件及系統運行平臺，采用多傳感器數據分析融合技術實現地面管線失效風險評估及剩余壽命預測算法，結合失效風險評估及剩余壽命預測模型，編制管道實時在線監測及剩余強度、剩余壽命預測算法和接口軟件，為系統維護和安全運行提供動態監控和預警。

圖1 技術路線規劃圖

根據在線監測系統檢測技術要求，系統測量的主要參數有：管線腐蝕實時參數、采出液溫度、采出液流量和采出液入口壓力，為了使數據采集系統具有較好的精度、較穩定的性能，系統采用DCS（分布式控制系統）系統來實現采集控制功能。以工業控制計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理，上位機通過操作軟件實現試驗數據的實時采集、顯示、標定、動態實時曲線顯示、歷史數據查詢、數據報表打印輸出等功能。下位機采用高性能微處理器實現現場數據的獲取，二者之間數據交互采用無線通訊模式進行，通訊方式如圖2所示。

圖2 腐蝕測試系統設計圖

3 彎管仿真與實際測量

現場測試進行數據分析，管線流體流量是很關鍵的參數，而現場管線存在諸多彎頭導致數據誤差較大，因此對彎頭進行了流速仿真，進而校正計算方法。當采出液流經彎頭時，由于彎頭的內徑較小，其流動速度較快，在彎頭內測采出液對金屬的腐蝕速率較大，而在彎頭的外側，采出液的流動速度較小。針對這種情況進行了仿真模擬分析，仿真條件為邊界：速度入口（0.3 m/s，0.6 m/s，0.9 m/s）、自由出流；介質：常溫下的清水；90°彎管內徑：65mm；拐彎半徑：64mm；

圖3 沿著垂線的速度分布曲線（0.9m/s）

圖5 現場設備

圖6 需要現場安裝的配電柜

通過模擬仿真可知在管道直徑不變的情況下，當采出液的來流速度為0.3m/s時，彎頭內液體流速最快為0.46m/s。當采出液的來流速度為0.6m/s時，彎頭內液體流速最快為0.93m/s。當采出液的來流速度為0.9m/s時，彎頭內液體流速最快為1.4m/s。液體的來流速度與彎頭內液體的最快流速關系如圖4所示。

圖4 彎頭內液體最快流速與液體來流速度的關系

監測中心軟件人機接口界面如圖7所示，接口軟件含有現場檢測的管線溫度、壓力、流量等測量信息，還包括了地面管線、彎頭的腐蝕速度，并計算出管線的剩余強度和剩余壽命，采用預測分析算法，將井下桿管的腐蝕速度進行了計算，通過接口軟件即可清晰獲取井下腐蝕速度，相關信息對于技術人員具有很好的參考價值。

圖7 檢測配套軟件

注水管線腐蝕監測系統在油田現場進行了安裝測試，獲得實時測試數據，經分析，數據準確可靠，具有重要的參考價值。

4 結語

在CO2驅采輸環境中材料腐蝕機理的研究基礎上，結合管道在役環境、受力狀態工況，采用電阻探針進行在役管道的腐蝕監測，采用無線數據通訊方式，獲取實時檢測數據。通過建立失效風險評估及剩余壽命預測模型，完成了實時監測和剩余壽命預測數學計算方法，建立了一套20#管道在線實時腐蝕監測系統，為系統維護、安全運行提供動態監控和預警，具有重要意義。