用于井下管柱腐蝕在線實時監(jiān)測的復合探頭、裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，包括：套裝在筒形殼體內的探頭本體；電阻探針，其包括密封參考元件和感受元件，相互串聯且與井下管柱材質相同；以及交流阻抗探針，其包括參比電極、工作電極和輔助電極，并形成電化學三電極體系；通過采集電阻探針的參考元件與感受元件的端電壓，計算出井下管柱的腐蝕余量；通過在工作電極上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極的極化電流和參比電極的極化電位，獲得工作電極的極化電阻，進而可測得腐蝕速率。本發(fā)明還公開了具有上述探頭的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。本發(fā)明可實現井下油氣套管或管柱的腐蝕速率的快速在線監(jiān)測，適于井下高溫高壓環(huán)境中油、水、氣任意混合介質的環(huán)境中。
【專利說明】用于井下管柱腐蝕在線實時監(jiān)測的復合探頭、裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣田腐蝕監(jiān)測【技術領域】，特別涉及一種用于井下油套管腐蝕的在線實時監(jiān)測的探頭、裝置及方法，適用于深井高溫高壓環(huán)境中油、水、氣任意混合介質的高精度在線腐蝕監(jiān)測與防腐蝕措施的評估。

【背景技術】
[0002]隨著油氣田0)2驅替等三次采油技術的大規(guī)模推廣，由0)2驅油所帶來的深井油套管腐蝕問題日趨嚴重，因此井下在線腐蝕監(jiān)測作為油氣田安全開采的一項重要工作，已引起了眾多油氣生產企業(yè)的高度重視。
[0003]目前，常規(guī)的井下油套管腐蝕監(jiān)測采用腐蝕掛片的方式，基于失重法進行腐蝕監(jiān)測。如申請?zhí)枮?01220476848.8的中國專利文獻中披露了一種井下腐蝕監(jiān)測方案，其包括本體內壁上的環(huán)形內臺階，該內臺階上的多個內掛環(huán)組，其由一個內絕緣隔離環(huán)和一個內監(jiān)測掛環(huán)組成，該掛環(huán)裝置能夠同時監(jiān)測油管與油套環(huán)形空間腐蝕。但是，這種常見的失重腐蝕評價方法耗時費力，且必須把掛片從井下取出才能評價腐蝕狀態(tài)，無法實時快速反映井下腐蝕狀態(tài)的變化。
[0004]為了克服上述裝置的缺陷，現有技術中出現了一種利用電阻探針進行實時監(jiān)測的方案。例如，專利文獻CN 101846644B公開了一種采用電阻探針技術進行油氣管道在線腐蝕監(jiān)測的方案，其包括電阻探頭，該電阻探頭內設置有作為參考電阻的內置敏感元件和作為被測電阻并直接暴露于管道內腐蝕環(huán)境中的外露敏感元件，其中內置敏感元件和外露敏感元件采用相同材料制作。測量時，通過對內置敏感元件和外露敏感元件進行同步差分電壓采樣，計算得到兩元件的電阻比值。該方案利用金屬絲或片的截面積因腐蝕減小電阻值增大的特性，通過測量其電阻增量來計算截面積的變化，進而得到金屬腐蝕量和腐蝕速率，可以適用于包括氣相、液相、固相和流動顆粒等多種工作環(huán)境。
[0005]但是，由于電阻探針的實現原理是基于歐姆定律，其腐蝕分辨率較低，該方案更適合于長期腐蝕的監(jiān)測，而不適用于快速腐蝕監(jiān)測，特別是井下高溫環(huán)境會導致微電阻測量精度降低。


【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術的缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置和方法，其通過電阻探針和交流阻抗探針，并優(yōu)化設計兩者的匹配和集成，從而實現井下油氣套管或管柱的腐蝕速率的快速在線監(jiān)測，可應用到井下高溫高壓環(huán)境中油、水、氣任意混合介質的環(huán)境中。
[0007]按照本發(fā)明的一個方面，提供一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其特征在于，包括:
[0008]探頭本體，其套裝在筒形殼體內，并與該殼體內壁面密封接觸，殼體外壁與井下腐蝕環(huán)境接觸；
[0009]電阻探針，其包括密封設置在探頭本體內的參考元件和位于探頭本體外并暴露于井下腐蝕環(huán)境中的感受元件，該參考元件和位于探頭本體的感受元件相互串聯且與井下管柱材質相同；以及
[0010]交流阻抗探針，其包括參比電極、工作電極和輔助電極，并形成電化學三電極體系，三電極均暴露于腐蝕環(huán)境，其中工作電極的材質與井下管柱相同；
[0011]通過采集所述電阻探針的參考元件與所述感受元件的端電壓，獲得所述感受元件與參考元件的電阻比值，進而計算出井下管柱的腐蝕余量；通過在所述工作電極上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極的極化電流和參比電極的極化電位，據此計算出相應頻點的阻抗值，獲得工作電極的極化電阻，進而可測得腐蝕速率。
[0012]作為本發(fā)明的改進，所述加載的不同頻點的正弦波信號包括高頻(100Hz?1000Hz)正弦波信號和低頻(0.001Hz?0.01Hz)正弦波信號。
[0013]作為本發(fā)明的改進，所述探頭本體與筒形殼體內壁接觸的外周面上設置有多個凹槽，用于容置密封圈，以將探頭與腐蝕環(huán)境接觸的一端與另一端密封隔絕。
[0014]作為本發(fā)明的改進，在筒形殼體與腐蝕環(huán)境接觸的一端端部連接有一錐形護套，該錐形護套表面開有多個小孔，用于保證腐蝕介質自由進入筒形殼體內并與電阻探針和交流阻抗探針接觸。
[0015]作為本發(fā)明的改進，所述筒形殼體相對的另一端設置有中心開口的螺母，用于封閉該筒形殼體上端并使得線纜可穿過。
[0016]作為本發(fā)明的改進，所述探頭本體上設置有PCB板，其上集成有用于采集信號并進行處理的電路。
[0017]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置，其包括上述的復合探頭，以及底部安裝在該復合探頭的探頭本體內的PCB板，其特征在于，該PCB板上設置有波形發(fā)生器，恒電位電路，單片機，多通道A/D轉換器和雙向恒流源，其中，
[0018]所述單片機分別與所述恒電位電路和多通道A/D轉換器連接，所述雙向恒流源通過導線連接到串聯的參考元件和感受元件首末兩端，用于維持流過電阻探針的感受元件和參考元件的電流恒定，所述恒電位電路兩端分別與所述交流阻抗探針的參比電極和工作電極連接，所述波形發(fā)生器輸出的不同頻率的交流信號通過該恒電位電路加載至參比電極和工作電極之間，
[0019]所述多通道A/D轉換器通過四個端口分別連接至電阻探針的感受元件兩端和參考元件的兩端，用于對恒定電流流經兩者后的端電壓差進行同步采樣，并通過導線與交流阻抗探針的參比電極、工作電極和輔助電極連接，工作電極(WE)與參比電極(RE)之間的交流電壓(UAC)以及輔助電極(CE)輸出的交流電流信號(IAC)由多通道A/D轉換器進行模數轉換，上述同步采用的電壓差以及模數轉換后的數據輸入到所述單片機進行處理，分別獲得所述感受元件與參考元件的電阻比值，以及交流電壓UA。與交流電流信號I A。之間的幅值比與相位差，由此通過該電阻比值獲得腐蝕量，通過該幅值比與相位差獲得不同頻率下WE的阻抗譜而獲得腐蝕速率。
[0020]作為本發(fā)明的改進，該裝置還包括電源穩(wěn)壓器和井口電源，其中所述電源穩(wěn)壓器內置DC-DC轉換芯片和線性穩(wěn)壓芯片，可將井口電源提供的電壓降壓至相應的直流電壓，并通過線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后為PCB板的所有電路供電。
[0021]作為本發(fā)明的改進，該裝置還包括安裝在井口的數據收發(fā)器，其內設置有收發(fā)器，并與井下的所述PCB電連接，用于將測量的數據發(fā)送到遠端的腐蝕監(jiān)控中心，實現實時監(jiān)控。
[0022]按照本發(fā)明又一方面，提供一種利用上述用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置對井下管柱進行腐蝕量和腐蝕速率實時在線監(jiān)測的方法，包括如下步驟:
[0023]將所述復合探頭固定在待監(jiān)測的管柱外側并送入井下腐蝕環(huán)境中，并使得其中的電阻探針中的感受元件和交流阻抗探針的三個電極暴露于腐蝕環(huán)境中；
[0024]對所述電阻探針通以恒定電流，進而采集所述參考元件和感受元件兩端的電壓差，獲得所述感受元件與參考元件的電阻比值，進而根據歐姆定律獲得井下管柱腐蝕量；
[0025]對所述工作電極上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極的極化電流和參比電極的極化電位，據此計算出相應頻點的阻抗值，進而獲得工作電極的極化電阻Zp和瞬時腐蝕速率。
[0026]本發(fā)明可用于對高溫高壓井下油、水、氣介質中的金屬管柱進行在線腐蝕監(jiān)測，基于井口數據收發(fā)器和監(jiān)控中心軟件，實現井下腐蝕的遠程在線監(jiān)控。由于油氣井下的高溫高壓環(huán)境，井下腐蝕監(jiān)測傳感器需要工作在溫度最高130°C、壓力50MPa的腐蝕性環(huán)境中。井下腐蝕監(jiān)測傳感器安裝于油管內，傳感器所采集的數據通過固定在油套管外壁卡箍上的鎧裝電纜上傳到地面的數據收發(fā)器，然后通過無線或有線通訊方式，上傳到中央監(jiān)控系統，使用戶足不出戶即可隨時了解井下腐蝕狀態(tài)，及時調控防腐蝕措施，確保油氣井生產的安全性與經濟性。
[0027]本發(fā)明采用電阻探針與交流阻抗的集成腐蝕監(jiān)測方案，其中，基于交流阻抗的腐蝕監(jiān)測方法能快速反映管柱在導電介質中的瞬時腐蝕速率變化，而電阻探針則能反映氣、液雙相環(huán)境中腐蝕累積量的變化。通過瞬時腐蝕速率與腐蝕累積量的結合，既能反映由于流體介質條件改變導致的腐蝕速率快速變化，也能反映金屬材料在較長時間內的總體腐蝕趨勢。
[0028]本發(fā)明中的裝置能敏感探測氣相或液相環(huán)境中井下管柱的總腐蝕量和腐蝕速率變化，其腐蝕量測量精度可達電阻探針感受元件壽命的1/5000，而交流阻抗探針采用正弦波激勵和相關分析算法，具有較強的抗干擾能力，并且測量過程迅速，數據重現性好，其瞬時腐蝕速率測量分辨率可達0.01 μ m/a，能快速反映井下腐蝕環(huán)境的變化?？捎糜谠诰€監(jiān)測生產井中油氣井套管或管柱的腐蝕速率，而不必中斷該井的生產。具體而言，本發(fā)明相比現有技術具有如下優(yōu)點:
[0029](1)基于交流阻抗技術顯著提高了腐蝕速率測量的靈敏度和測量結果的重現性，比現有方法能更迅速地反映腐蝕狀態(tài)的變化；
[0030](2)基于電阻探針與交流阻抗探針的集成，本發(fā)明可以監(jiān)測高溫高壓氣、液復雜井下環(huán)境中管柱的腐蝕量和瞬時腐蝕速率，相比現有技術可更快速準確評價井下防腐蝕措施的有效性；
[0031](3)可實現井下管柱腐蝕狀態(tài)的實時監(jiān)測，使管理者足不出戶即可隨時了解井下腐蝕狀態(tài)；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的電路原理示意圖；
[0033]圖2為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的復合探頭結構示意圖；
[0034]圖3為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置結構示意圖；
[0035]圖4為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置安裝示意圖；
[0036]圖5為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的電阻探針感受元件腐蝕量隨時間的變化曲線圖，其中，橫軸為測試時間，縱軸為感受元件的腐蝕余量；
[0037]圖6為按照本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的交流阻抗探針工作電極瞬時腐蝕速率隨時間的變化曲線圖，其中，橫軸為測試時間，縱軸為瞬時腐蝕速率；
[0038]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1:波形發(fā)生器，2:實時時鐘，3:Flash存儲器芯片，4:恒電位儀電路，5:單片機，6:通訊接口，7:多通道A/D轉換器，8:雙向恒流源，9:電源穩(wěn)壓器，10:井口電源，11:腐蝕監(jiān)測復合探頭，20:8?10芯線束，21:聚四氟乙烯環(huán)形槽及密封圈，22:聚醚醚酮或聚四氟乙烯澆鑄探頭本體，23、
27:分別為電阻探針的參考元件和感受元件，24、25、26:分別為交流阻抗探針的參比電極、工作電極和輔助電極，30:高強不銹鋼密封頭，31:高強不銹鋼圓筒殼體，32:PCB電路板，33:腐蝕介質交換通孔，34:不銹鋼錐形護套，40:井口數據收發(fā)器，41:不銹鋼鎧裝電纜，42:井下腐蝕監(jiān)測裝置，43:油管，44:套管，45:油管卡箍。

【具體實施方式】
[0039]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0040]參見圖1，本發(fā)明實施例所構建的井下腐蝕監(jiān)測裝置包括井下在線腐蝕監(jiān)測裝置，如附圖1，包括波形發(fā)生器1、實時時鐘2、數據存儲器3、恒電位電路4、單片機5、通訊接口6、多通道A/D轉換器7、雙向恒流源8、電源穩(wěn)壓器9、井口電源10和復合監(jiān)測探頭11。
[0041]其中，波形發(fā)生器1、實時時鐘2、數據存儲器3、恒電位電路4、單片機5、通訊接口6、多通道A/D轉換器7、雙向恒流源8、電源穩(wěn)壓器9均設置在PCB電路板32上。
[0042]如圖2，復合探頭包括探頭本體22、電阻探針和交流阻抗探針。其中，探頭本體套裝在筒形殼體31內，并與該殼體31內壁面密封接觸，殼體31 —端與腐蝕環(huán)境接觸。電阻探針包括密封設置在探頭本體22內的參考元件23和位于探頭本體22外并暴露于井下腐蝕環(huán)境中的感受元件27，該參考元件23和位于探頭本體22η內的感受元件27相互串聯且感受元件27與井下管柱材質相同。交流阻抗探針包括參比電極24、工作電極25和輔助電極26，并形成電化學三電極體系，三電極均暴露于腐蝕環(huán)境，其中工作電極WE 25的材質與井下管柱相同；
[0043]如圖3，PCB板32和復合監(jiān)測探頭11設置在在耐壓50MPa、耐溫150°C的高強不銹鋼圓柱殼體31內，二者通過8?10芯線束20 (參見圖2)實現電連接。
[0044]PCB板32上有一高溫型C8051F單片機5，優(yōu)選為8位或32位高溫型單片機5。該單片機5分別連接波形發(fā)生器1、實時時鐘2、64k?512k bytes數據存儲器3、恒電位電路4、RS485通訊接口 6、多通道16bit?24bit A/D轉換器7(例如多通道16位或24位100kHz A/D轉換器芯片)和電源穩(wěn)壓器9。上述所有芯片均由3.3V?5V電源穩(wěn)壓器9供電，且所有芯片均焊接在上述PCB上，PCB板通過8根導線連接到腐蝕監(jiān)測復合探頭11上，如附圖2。
[0045]波形發(fā)生器1優(yōu)選由16bit D/A轉換器與運算放大器構建，能輸出單片機5內預存儲的正弦波表。在時鐘脈沖控制下，將特定頻率的正弦波信號輸入恒電位電路4，并加載到交流阻抗探針中的工作電極25上，然后由多通道A/D轉換器7中的兩路A/D通道同步采集輔助電極26的極化電流和參比電極24的極化電位，最后由單片機對交流電壓和電流信號進行相關分析，并計算出相應頻點的阻抗值。單片機分別測量高頻(100?1000Hz)和低頻(0.001?0.01Hz)兩個頻點下的交流阻抗Zh和Z i，進而計算出工作電極25的極化電阻Zp ( = ZfZh)。然后根據Stern公式，計算出腐蝕電流密度Icorr，Icorr = B/Zp (mA/cm2)，以及瞬時腐蝕速率Vcorr，Vcorr = Icorr X 11.74mm/a0其中B為Stern系數，取值為26mV?52mV0
[0046]實時時鐘2優(yōu)選采用PCA8565時鐘芯片，可輸出脈沖信號，用于將單片機5從低功耗中喚醒。
[0047]數據存儲器6優(yōu)選采用32k?256k bytes Flash存儲器，用于存儲測量時間、極化電阻Zp和腐蝕速率數據。
[0048]通訊接口 8優(yōu)選采用隔離型485芯片，用于指令和測量數據傳送。
[0049]復合探頭包括8芯引出線束(A，B，C，D，E，F，G，H) 20，分別連接到電阻探針和交流阻抗探針上。電阻探針的敏感元件由與井下管柱相同的材質制成，并與井下管柱具有相同的腐蝕特性，其外觀可以是絲狀或薄片狀或圓筒狀。電阻探針由參考元件(記為Rf)23和感受元件(記為Rx) 27兩部分組成，其中參考元件23密封于探頭內部，不受腐蝕，而感受元件27則暴露于井下腐蝕環(huán)境，與井下管柱發(fā)生同樣的腐蝕行為。交流阻抗探針由參比電極(記為RE) 24、工作電極(記為WE) 25和輔助電極(記為CE) 26組成，組成電化學三電極體系。三電極的外觀可以是圓柱狀或圓環(huán)狀，且均暴露于腐蝕環(huán)境。三電極中WE 25的材質與井下管柱相同，而RE 24可以是高純鋅或胞02或48/^8(:1粉壓型電極，CE 26則可以是不銹鋼或鈦合金材質。探頭本體22為圓柱形，采用聚醚醚酮(PEEK)或者聚四氟乙烯(PTFE)整體澆鑄，探頭本體22安裝于高強度不銹鋼圓筒殼體31內。在探頭本體的外側有2?3個環(huán)形槽，用于安裝PTFE密封圈21，以提高探頭本體22與高強不銹鋼圓筒殼體31之間的密封能力。
[0050]圖1中的多通道A/D轉換器7的另外兩路A/D通過線束分別連接至復合探頭11的電阻探針參考元件23和感受元件27的兩端(參見圖2)。參考元件23埋置于耐高溫樹脂中并與外界環(huán)境隔離；感受元件27暴露于腐蝕環(huán)境中，二者均由U型金屬絲或薄板制成；且電阻值優(yōu)選均在5至50mΩ之間。電阻探針的兩個端點A、F輸入端上連接有雙向恒流源8，該恒流源采用高精度電源管理芯片，并由單片機5控制輸出交替改變方向的0.1A?0.5A激勵恒電流，當電流通過參考元件23和感受元件27時形成電壓降，通過多通道A/D轉換器?及其前置64倍?128倍增益放大器同時測量參考元件23和感受元件27上的電壓降，最后由單片機5計算它們的電壓降比值，并根據歐姆定律轉換成感受元件的總腐蝕量。腐蝕監(jiān)測復合探頭11還通過導線連接到暴露于腐蝕環(huán)境的參比電極24、工作電極25和輔助電極26，這些電極可以圓柱狀或圓環(huán)狀，其中參比電極24優(yōu)選可以由高純鋅或胞02或八8/AgCl粉壓型電極制成，工作電極25則優(yōu)選由與井下管柱相同的材質制作，輔助電極26則優(yōu)選由不銹鋼或鈦合金制作。
[0051]電阻探針通過引出線束20中的兩個引線端子(A，H)連接到雙向恒流源8，用于維持恒定電流流過電阻探針的感受元件27和參考元件23，恒電流源8內置有功率放大器和繼電器，可輸出100?500mA的恒流，電流方向則由繼電器控制，功率放大器和繼電器均受單片機5的指令控制。多通道A/D轉換器7為Σ-Λ型16?24位的A/D，采用4通道差分輸入，通過引出線束20中的B、F和F、G引線端子連接至電阻探針的感受元件27和參考元件23的兩端，并對兩個元件上的端電壓差進行同步采樣。為提高精度，測量過程采用了128?1024倍的過采樣技術。電壓測量結果傳送到單片機5，進而通過兩路端電壓的比值計算出感受元件27與參考元件23的電阻比值，利用歐姆定律轉換得到腐蝕余量。
[0052]單片機5內建有16?64k字節(jié)的正弦波波形表，由波形發(fā)生器1內的D/A轉換器根據波形表輸出不同頻率的交流信號，并通過恒電位電路4加載到交流阻抗探針的WE 25和RE 24之間。WE與RE之間的交流電壓(UAC)以及輔助電極(CE) 26輸出的交流電流信號(IAC)由多通道A/D轉換器7進行數字化，最后借助于相關積分算法，計算出UAC與I AC之間的幅值比與相位差，由此獲得不同頻率下WE 25的阻抗譜。阻抗測量結果保存到Flash存儲器儲3中，還可通過通訊接口 6傳送到地面接收器。
[0053]井下腐蝕監(jiān)測裝置的整體結構如附圖3。其中腐蝕監(jiān)測探頭11固定在一不銹鋼圓筒殼體31內，該圓柱體優(yōu)選外徑為25?35mm，內徑為20?30mm。探頭11的引出線連接到PCB板32，該PCB板上焊接有包括但不限于附圖1中的所有電子器件。在不銹鋼圓柱體31的頂部，通過螺紋連接有一個1/4”不銹鋼密封螺母30，該密封螺母中間開孔，可用于通過鎧裝電纜。該圓筒殼體31內壁與復合探頭11外壁之間采用2?4級PTFE密封圈實現密封。在圓柱體31的底部，連接有一錐形護套34，該錐形護套表面開有諸多小孔33，可保證腐蝕介質自由流過探頭11，使井下腐蝕性介質能充分接觸復合探頭11中的電阻探針和交流阻抗探針，確保腐蝕監(jiān)測復合探頭能真實反映井下腐蝕狀態(tài)。不銹鋼圓柱體31通過頂部的密封件30和底部的腐蝕監(jiān)測探頭11以及探頭外側的密封圈21，形成一個高度密閉的空間，為PCB板32提供良好的保護，確保腐蝕監(jiān)測裝置在井下高溫高壓環(huán)境中可靠工作。
[0054]井下腐蝕監(jiān)測裝置的主電源由電源穩(wěn)壓器9提供，電源穩(wěn)壓器9內置DC-DC轉換芯片和線性穩(wěn)壓芯片，可將井口電源10提供的24?48V電壓降壓至4?6V直流電壓，再通過線性穩(wěn)壓芯片將其穩(wěn)壓為3.3V，為PCB板32上的所有模擬/數字芯片供電。井下腐蝕監(jiān)測裝置的電路中采用實時時鐘2實現自動定時喚醒測量，采用可關斷的電壓穩(wěn)壓器，在非測量期間關閉供電電路，以降低功耗。
[0055]井下腐蝕監(jiān)測裝置在油井中的安裝方式參見圖4。在井口安裝有數據收發(fā)器40，該收發(fā)器由井口電源10供電，收發(fā)器40內有無線發(fā)射模塊，可將測量數據發(fā)送到遠端的腐蝕監(jiān)控中心。井口收發(fā)器40通過鎧裝電纜41與本發(fā)明所述的井下腐蝕監(jiān)測裝置42相連并實現數據通信，同時還通過鎧裝電纜41給井下腐蝕監(jiān)測裝置42供電。鎧裝電纜41則在油管43下井作業(yè)時通過卡箍45固定在油管43外側。所述的井下腐蝕監(jiān)測裝置42安裝于油井套管44與油管43之間的環(huán)形空間內，也可以固定在油管的尾管內。井下腐蝕監(jiān)測裝置42固定于環(huán)形空間的某一關鍵位置，所測量的電阻探針和交流阻抗腐蝕數據則通過鎧裝電纜41實時傳送到井口收發(fā)器40，并通過無線或有線網絡傳送到腐蝕監(jiān)控中心，方便管理人員隨時隨地查看現場腐蝕情況。
[0056]井下腐蝕監(jiān)測裝置42隨油管43作業(yè)時一起下到井底，并固定在距離地面最深4000米的油井內。該裝置通過RS485四芯不銹鋼電纜41與井口數據收發(fā)器40進行通訊，并由后者供電。不銹鋼電纜41通過卡箍45固定在油管43外壁。井口的數據收發(fā)器40通過無線或有線信號將數據發(fā)送到中央監(jiān)控系統，使管理者可隨時隨地查看井下腐蝕狀況。
[0057]將本井下腐蝕監(jiān)測裝置浸入模擬油田污水中，測量復合腐蝕監(jiān)測探頭11中感受元件27的腐蝕余量隨時間的變化曲線，參見圖5?？梢婋S著時間的延長，暴露在腐蝕環(huán)境中的感受元件腐蝕余量隨時間而線性下降。而圖6則顯示了同時測量的交流阻抗探針中工作電極25的瞬時腐蝕速率隨時間而逐步增加的曲線，表明隨著腐蝕產物在工作電極表面的堆積，使電極的瞬時腐蝕速率逐步下降。結合兩種方法分別測量的瞬時腐蝕速率與腐蝕余量，將可以更全面地表征與井下管柱同材質的試樣在氣、液復雜環(huán)境中的整體腐蝕狀態(tài)。
[0058]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其特征在于，包括: 探頭本體(22)，其套裝在筒形殼體(31)內，并與該筒形殼體(31)內壁面密封接觸，筒形殼體(31)與腐蝕環(huán)境接觸； 電阻探針，其包括密封設置在探頭本體(22)內的參考元件(23)和位于探頭本體(22)外并暴露于井下腐蝕環(huán)境中的感受元件(27)，該參考元件(23)與感受元件(27)串聯且二者均與井下管柱材質相同；以及 交流阻抗探針，其包括參比電極(24)、工作電極(25)和輔助電極(26)，并形成電化學三電極體系，三電極均暴露于腐蝕環(huán)境，其中工作電極(25)的材質與井下管柱相同； 通過采集所述電阻探針的參考元件(23)與所述感受元件(27)的端電壓，獲得所述感受元件(27)與參考元件(23)的電阻比值，即可得到井下管柱腐蝕余量；通過在所述工作電極(25)上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極(26)的極化電流和參比電極(24)的極化電位，據此計算出相應頻點的阻抗值，進而獲得工作電極(25)的極化電阻，進而可測得井下管柱的瞬時腐蝕速率。
2.根據權利要求1所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其中，所述加載的不同頻點的正弦波信號分別為高頻正弦波信號和低頻正弦波信號，其中高頻正弦波信號為100?1000Hz范圍內的信號，低頻正弦波信號為0.001?0.0lHz范圍內的信號。
3.根據權利要求1或2所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其中，所述探頭本體(22)與筒形殼體(31)內壁接觸的外周面上設置有多個凹槽，用于容置密封圈，以將該探頭的與腐蝕環(huán)境接觸的一端與另一端密封隔絕。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其中，在所述筒形殼體(31)與腐蝕環(huán)境接觸的一端端部連接有一錐形護套(34)，該錐形護套表面開有多個小孔(33)，用于保證腐蝕介質自由進入筒形殼體(31)內并與電阻探針和交流阻抗探針接觸。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其中，所述筒形殼體(31)相對的另一端設置有中心開口的螺母，用于封閉該筒形殼體(31)上端并使得鎧裝電纜可穿過。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復合探頭，其中，所述探頭本(22)上設置有PCB板(32)，其上集成有用于采集信號并進行處理的電路。
7.一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置，其包括權利要求1-6中任一項所述的復合探頭，以及一設置在該復合探頭的探頭本體(22)上的PCB板(32)，其特征在于，該PCB板(32)上設置有波形發(fā)生器(1)，恒電位電路(4)，單片機(5)，多通道A/D轉換器(7)和雙向恒流源(8)，其中， 所述單片機(5)分別與所述恒電位電路(4)和多通道A/D轉換器(7)連接，所述雙向恒流源(8)通過導線連接到串聯的參考元件(23)和感受元件(27)首末兩端，用于維持流過電阻探針的感受元件(27)和參考元件(23)的電流恒定，所述恒電位電路(4)兩端分別與所述交流阻抗探針的參比電極(24)和工作電極(25)連接，所述波形發(fā)生器(I)輸出的不同頻率的交流信號通過該恒電位電路(4)加載至參比電極(24)和工作電極(25)之間， 所述多通道A/D轉換器(7)通過四個端口分別連接至電阻探針的感受元件(27)兩端和參考元件(23)的兩端，用于對恒定電流流經兩者后的端電壓差進行同步采樣，并通過導線與交流阻抗探針的參比電極(24)、工作電極(25)和輔助電極(26)連接，該參比電極(24)和工作電極(25)之間的交流電壓(Uac)以及輔助電極(26)輸出的交流電流信號(Iac)由所述多通道A/D轉換器(7)進行模數轉換，上述同步采樣的電壓差以及模數轉換后的數據輸入到所述單片機(5)進行處理，分別獲得所述感受元件(27)與參考元件(23)的電阻比值，以及所述交流電壓(Uac)與交流電流信號(Iac)之間的幅值比與相位差，由此通過該電阻比值獲得腐蝕量，通過該幅值比與相位差獲得不同頻率下工作電極(25)的阻抗譜進而獲得腐蝕速率。
8.根據權利要求7所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置，其中，該裝置還包括電源穩(wěn)壓器(9)和井口電源(10)，其中所述電源穩(wěn)壓器(9)內置DC-DC轉換芯片和線性穩(wěn)壓芯片，可將井口電源(10)提供的電壓降壓至相應的直流電壓，并通過線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后為PCB板(32)的所有電路供電。
9.根據權利要求7或8所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置，其中，該裝置還包括安裝在井口的數據收發(fā)器(40)，其內設置有收發(fā)器(40)，并與井下的所述PCB板(32)電連接，用于將測量數據發(fā)送到遠端的腐蝕監(jiān)控中心，實現實時監(jiān)控。
10.一種利用上述用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的裝置對井下管柱進行腐蝕量和腐蝕速率實時在線監(jiān)測的方法，包括如下步驟: 將所述復合探頭隨待監(jiān)測的管柱送入井下腐蝕環(huán)境中，并使得其中的電阻探針中的感受元件(27)和交流阻抗探針的三個電極暴露于腐蝕環(huán)境中； 對所述電阻探針通以恒定電流，進而采集所述參考元件(23)和感受元件(27)兩端的電壓差，獲得所述感受元件(27)與參考元件(23)的電阻比值，進而根據歐姆定律獲得井下管柱腐蝕量； 對所述工作電極(25)上加載不同頻點的正弦波信號，并同步采集輔助電極(26)的極化電流和參比電極(24)的極化電位，據此計算出相應頻點的阻抗值，進而獲得工作電極(25)的極化電阻，進而可測得瞬時腐蝕速率。
【文檔編號】G01N17/04GK104458561SQ201410722531
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權日:2014年12月2日
【發(fā)明者】宋問俗, 董澤華, 張德平, 胡巳旸 申請人:武漢科思特儀器有限公司, 華中科技大學