腐蝕監(jiān)測技術在油氣田的應用

闞子建

(中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300450 )

隨著油田不斷地勘探開發(fā)，綜合含水的不斷上升，生產系統(tǒng)腐蝕越來越嚴重，一方面影響油田的正常生產，另一方面造成安全事故和環(huán)境污染，開展油田防腐工作已迫在眉睫。如何開展好油田防腐工作，首先要開展好油田生產系統(tǒng)腐蝕機理研究和油田腐蝕監(jiān)測工作，為腐蝕的防腐工作提供科學的決策依據。

目前，國內大多的油氣田設備腐蝕監(jiān)測仍然以各種結構的掛片監(jiān)測為主，不能實時反映腐蝕情況，所以,有必要把腐蝕監(jiān)測技術成果進一步推廣到各大油氣田企業(yè)。

1 油氣田的腐蝕危害和腐蝕監(jiān)測的意義及監(jiān)測點的確定

1.1 油氣田中腐蝕的危害性

(1)采油流程

H2S、CO2分壓造成油氣井井下油套管的腐蝕，地面集輸系統(tǒng)主要表現為管底水相腐蝕穿孔，且主要以內腐蝕為主。

(2)聯(lián)合站流程

主要表現為地層產出水腐蝕，集中表現為聯(lián)合站油氣處理系統(tǒng)三相分離器和高含水油罐罐底、水出口管線，污水處理系統(tǒng)以及注水系統(tǒng)通常是腐蝕的重災區(qū)。

據現場腐蝕狀況調查，部分油管腐蝕斷裂，地面管線腐蝕穿孔頻繁(圖1)。

圖1 油氣田管道腐蝕示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline corrosion in oil and gas field

因此，腐蝕直接造成設備損耗，甚至引起腐蝕穿孔，造成停工停產或其它重大火災事故，帶來嚴重的經濟損失。如果腐蝕引起的腐蝕穿孔或脆性斷裂是未知的，可能引發(fā)更大事故甚至導致人身傷亡，由此可見腐蝕的危害是巨大的。

1.2 油氣田腐蝕監(jiān)測的意義

油氣開采過程中，希望實時地掌握工藝介質對設備或管道造成的腐蝕速度，以便準確地采用防腐措施，或預知維修。隨著腐蝕監(jiān)測技術的發(fā)展以及企業(yè)防腐管理的進步，對腐蝕監(jiān)測技術的需求越來越顯著。生產設備面臨著嚴重的腐蝕危害，因此，腐蝕監(jiān)測技術的應用具有十分重要的意義。

1.2.1 為防腐蝕管理提供科學的防腐依據

在油氣田工藝生產過程中，由于工藝或防腐蝕需要，會添加各種注劑，當管線內含有腐蝕介質時，就有可能發(fā)生腐蝕減薄而穿孔。采用在線腐蝕監(jiān)測，判斷腐蝕控制措施的應用情況和效果。

1.2.2 預防事故的發(fā)生

原油品質的惡化或工藝參數的變化有時會導致嚴重的腐蝕。采用腐蝕監(jiān)測可以隨時監(jiān)測介質的腐蝕狀況，如果發(fā)現腐蝕速率驟然升高，應立即采取相應的措施，及時找出問題所在，以防止重大事故發(fā)生。

1.2.3 預測設備的剩余壽命

通過腐蝕監(jiān)測可以準確地掌握設備正常運轉時的腐蝕速率，可以預測設備的剩余使用壽命，做到既安全又經濟。

1.2.4 分析腐蝕原因

通過腐蝕監(jiān)測可以了解和掌握設備及管線的腐蝕過程與工藝參數之間的關系，因此，有利于分析腐蝕原因，對腐蝕的發(fā)生和防腐做出綜合分析，以便采取相應措施。

1.3 腐蝕監(jiān)測點的確定

腐蝕監(jiān)測位置的確定直接決定著腐蝕監(jiān)測效果的好壞。一般來說，對設備管道真正造成威脅的是局部腐蝕，因此，要監(jiān)測到設備管道腐蝕相對嚴重的部位。這些部位隨著設備管道工藝條件、材質、結構等的不同而變化，通常腐蝕監(jiān)測點的選擇遵循“區(qū)域性、代表性、系統(tǒng)性”三大原則。

所謂“區(qū)域性”是指某一個區(qū)塊或某一個油田；“代表性”是指在生產系統(tǒng)中能達到以點代面的點；“系統(tǒng)性”是指圍繞和貫穿整個油田生產系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，即從油井井筒(上、中、下)—油井井口—計轉站—聯(lián)合站油系統(tǒng)—污水處理系統(tǒng)—注水站(污水、清污混注、清水)—配水間—注水井井口—注水井井筒(上、中、下)。

2 油氣管道適用的腐蝕監(jiān)測方法

腐蝕監(jiān)測方法隨著理論和生產中的需要不斷地發(fā)展。目前在油氣管道上應用的腐蝕監(jiān)測方法主要有：腐蝕掛片法，采用試片反映實際腐蝕狀況；電阻法，采用電阻(ER)探針測量全面腐蝕；電感法，采用電感探針測量全面腐蝕；電化學法(LPR)，采用電化學探針測量水系統(tǒng)的腐蝕；氫滲透法，采用氫探針監(jiān)控氫致開裂和硫化物高壓腐蝕致開裂；聲發(fā)射法，采用聲學沙探針來測量磨蝕。

2.1 腐蝕掛片法

腐蝕掛片監(jiān)測作為腐蝕監(jiān)測最基本的方法之一，具有操作簡單，數據可靠性高等特點，可作為設備和管道選材的重要依據。它可以同時對幾種材料進行試驗，定量地測量出材料在工業(yè)介質環(huán)境中的腐蝕速度。腐蝕掛片監(jiān)測腐蝕速度的計算公式如下：

(1)

式中：Vcorr——腐蝕速度，mm/a；W0、W1——掛片試驗前后重量，g；S——掛片表面面積，cm2；ρ——金屬材料的密度，g/cm3；t——掛入時間，h。

腐蝕掛片監(jiān)測操作周期比較長，所測得的數據為裝置設備在一段時間內的平均腐蝕速度，不能反映設備在某一點的腐蝕速度，因此，無法用于實時在線分析。腐蝕掛片監(jiān)測數據主要用于設備選材和監(jiān)測工藝防腐措施的應用效果，也可作為其他腐蝕監(jiān)測數據比較的基礎。

2.2 電阻法

電阻法是利用金屬試樣在腐蝕過程中截面減小，從而導致電阻增加的原理，根據測出的腐蝕過程中金屬試樣的電阻變化計算出腐蝕速率。

因此，通過一定的公式，可以換算出金屬的腐蝕速度。電阻探針測量腐蝕速度計算公式見式(2)。

(2)

式中：V——腐蝕速度，mm/a；Δh——兩次測量值的差值；ΔT——兩次測量時間的間隔值。

式中h的計算公式為：

對于條形試片：

對于圓絲狀試片：

式中：Rt——腐蝕前電阻值；Ro——腐蝕后電阻值。

電阻探針適用范圍廣，幾乎可以用于煉油廠所有的介質環(huán)境中，包括氣相、液相、固相和流動顆粒。但由于電阻探針的使用壽命比較短，已經逐步被電感探針取代。

2.3 電感法

在線電感探針技術是通過測量金屬試樣腐蝕減薄所引起的磁通量的變化來直接測得金屬試樣的腐蝕深度，從而計算金屬腐蝕速率的方法。

電感探針監(jiān)測技術具有如下特點(圖2)：

圖2 管狀電感探針結構示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of tubular inductance probe

(1)間接測量腐蝕，通過測量元件的腐蝕速率來間接反應介質對管路的腐蝕情況，是通過一段時間內的腐蝕減薄積累來計算腐蝕率。

(2)與腐蝕體系無關，可測量液相或氣相腐蝕，可應用于電解質腐蝕體系和非電解質腐蝕體系。

(3)是目前比較通用的在線腐蝕監(jiān)測方法，由于測量信號采用交流信號，所以抗干擾能力較強。

(4)管狀探頭與探針體通過焊接方式形成一整體，內部填充有高溫固化膠，抗點蝕、耐沖刷、抗壓能力比電阻探針強。

(5)溫度補償試片被包在測試片里，處于介質中的同一層面，所以其測量結果受溫度影響很小。

2.4 電化學法(LPR)

電化學測量方法是在電解質環(huán)境下進行腐蝕速率實時監(jiān)測的有效方法。其優(yōu)點是不需要測量腐蝕減薄累積量，測量速度快。探針的三個電極與介質構成導電回路，通過對被測電極施加電信號，然后瞬時測量金屬離子的轉移量，將腐蝕電流作為測量的目標值。

線性極化腐蝕監(jiān)測的原理是電化學Stern&Geary定律，即在腐蝕電位附近電流的變化和電位的變化之間成直線關系，其斜率與腐蝕速度成反比：

式中：B——極化常數，由金屬材料和介質決定;Rp——極化電阻，Rp=△E/△i

線性極化法的優(yōu)點是測量迅速，可以測得瞬時腐蝕速度，及時反映設備操作條件的變化。但只適用于電解質溶液，因此，在油氣田通常只用在水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測上。

2.5 氫滲透法

氫腐蝕的監(jiān)測通常采用氫探針來進行。氫探針可以監(jiān)測在工藝過程中材料中滲氫量的變化程度，以評價是否存在氫腐蝕。氫探針分插入式和非插入式兩種。插入式探針伸入到容器或管道中，通過測量滲入探針的氫壓來反映氫滲透的速度。非插入式氫探針采用外部電化學電池來監(jiān)測鋼鐵管道或容器外壁表面上氫滲透的速度。氫探針適用于含硫天然氣管道。

2.6 聲發(fā)射法

材料的腐蝕與表面摩擦會有聲波發(fā)出，聲發(fā)射監(jiān)測技術就是通過監(jiān)聽這種聲波來檢測材料中缺陷的發(fā)生和發(fā)展，尋找缺陷的位置。目前，先進的連續(xù)在線腐蝕監(jiān)測技術是Integriti Solutions公司開發(fā)成功的電化學噪聲腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)(EN)，該技術不僅可以監(jiān)測腐蝕速度，還可以通過不同的噪聲形式判斷腐蝕類型。目前這項技術在國內還沒有見到應用的報道。

3 腐蝕監(jiān)測技術在油氣田的開發(fā)與應用情況

油氣集輸系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)都是油、氣、水混合介質，高壓或高溫體系，工藝環(huán)境苛刻；對于油氣開采，涉及超過3 000 m井下管道和設備的腐蝕監(jiān)測，溫度和壓力都很高，且許多氣田含有大量硫化氫強腐蝕、有毒有害物質，另外，生產系統(tǒng)主要分布在野外，所以，只有電感腐蝕監(jiān)測技術符合油氣田大面積推廣應用的條件。

3.1 井下腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用

井下電感腐蝕監(jiān)測技術，探頭和采集器做成一體化的設備，固定在投撈鋼絲繩上，通過防噴器把井下電感腐蝕監(jiān)測儀投放到井下，進行腐蝕監(jiān)測，定期取數并數據分析，進而掌握腐蝕趨勢(圖3)。

圖3 井下探針和數采系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of downhole probe and data acquisition system

井下探針和數采系統(tǒng)設計成一體式，這樣就不受傳輸距離的影響，元器件均采用軍工產品，在溫度125 ℃，壓力60 MPa下，運行穩(wěn)定。目前的設計外徑為44 mm ；長度為1 060 mm。安裝示意圖見圖4。

圖4 井下電感探針安裝示意圖Fig.4 Install schematic diagram of downhole inductance probe

3.2 井口腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用

目前，腐蝕監(jiān)測技術已經發(fā)展成熟，井口高壓電感腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用難點，主要體現在，使用環(huán)境壓力達到了60 MPa的要求。氣井井口壓力比較大，采用了高壓承載器進行連接，通過全密閉拆裝器可以實現探針的帶壓更換。井口電感探針安裝示意圖見圖5。

圖5 井口電感探針安裝示意圖Fig.5 Install schematic diagram of inductance probe at wellhead

3.3 集氣站腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用

在氣田的現場應用中，國外的腐蝕監(jiān)測探針出現了如下問題：有探針彎曲、測量元件密封脫落、硫磺聚集等各種問題，達不到監(jiān)測的最佳效果(圖6)。

圖6 集氣站國外腐蝕監(jiān)測探針問題示意圖Fig.6 Problem schematic diagram of corrosion monitroring probes from abroad in gas gathering station

在此情況下，進行了集氣站探針問題的專項研究，依據電感探針技術，進行集氣站適應性開發(fā)。做出了如下改進：

(1)測量試片加厚，提高強度，適應高壓高流速，對測量數據模型做出相應的改進。

(2)保護支撐，前端加固，抵抗高速沖刷，避免焊接部位受力學化學作用。

(3)改善熱處理工藝，提高耐用性。

(4)加固填充，測量試片耗盡后免泄露。

集氣站電感探針成功在國內某氣田進行了應用，2012-09安裝了兩支管狀電感探針，分別為加熱爐前和加熱爐后，加熱爐前的壓力為25 MPa左右，流速在10 m/s左右，加熱爐后壓力達到15 MPa左右，安裝后，電感腐蝕監(jiān)測探針均運行正常，數據真實有效(圖7)。

圖7 集氣站電感探針安裝示意圖Fig.7 Install schematic diagram of inductance probe in gas gathering station

2012-09～11的腐蝕速率為0.035 mm/a，并且探針拆除后，發(fā)現探針表面狀態(tài)是完好的。證明該探針能在此工況下進行穩(wěn)定的腐蝕監(jiān)測 。

3.4 凈化廠腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用

鑒于之前技術的開發(fā)與應用，到凈化廠流程后，主要是特殊工況點的探針適應性問題，凈化廠的探針能夠在高溫400 ℃，壓力60 MPa的情況下，穩(wěn)定運行，可以完全滿足凈化廠腐蝕監(jiān)測的需求。

在國內某凈化廠腐蝕監(jiān)測的應用中，五個聯(lián)合裝置每套裝置均有30801監(jiān)測點，上述相同條件下各測點腐蝕速率基本一致，探針的測量數據比較客觀準確，一致性較好。腐蝕速率達到0.2 mm/a，腐蝕偏高，分析原因該點為高溫，溫度達到298 ℃，正好是高溫硫的腐蝕范圍，所以應考慮采用注劑等防腐措施。

3.5 污水回注系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測技術的開發(fā)與應用

針對污水回注系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測和防腐管理，先期采用了電化學系統(tǒng)，長期使用后發(fā)現，在金屬表面生成了腐蝕產物FeS，其良好的導電性，并觸到金屬基體，將極化電阻Rp短連，導致測量結果異常。因此，電化學探針不適于含硫化氫的油水介質作長期監(jiān)測，所以，選擇電感探針在油田回注水系統(tǒng)進行長期的腐蝕監(jiān)測，應用效果良好(圖8)。

在國內某油田聯(lián)合站選擇了4個電感腐蝕監(jiān)測點，進行腐蝕監(jiān)測，選點涵蓋了注劑前、注劑后及污水回注的水體系的監(jiān)測。

根據現場監(jiān)測的數據分析，加藥前腐蝕速率為0.838 mm/a；加藥后腐蝕速率為0.298 mm/a；證明此藥劑有緩蝕效果，可以選擇此緩蝕劑進行加注，但加藥量必須增加，經過藥劑量調整后監(jiān)測到加藥后的腐蝕速率減小到了0.084 mm/a，并且同期掛片監(jiān)測腐蝕速率為0.1 mm/a，證明電感探針監(jiān)測穩(wěn)定，數據真實有效，可以篩選緩蝕劑并且指導緩蝕劑的注入量。

圖8 污水回注系統(tǒng)電感探針應用示意圖Fig.8 Application schematic diagram of inductance probe in sewage reinjection system

4 結論

1)研究開發(fā)了適用于油氣田井下、井口、集氣站、凈化廠、污水回注系統(tǒng)的腐蝕在線監(jiān)測技術。

2)開展了集氣站、凈化廠、污水回注系統(tǒng)工業(yè)試驗，通過應用表明所開發(fā)的在線腐蝕監(jiān)測技術已在國內多個油氣田成功應用，可推廣使用。

3)在線腐蝕監(jiān)測技術為油氣田管道防腐及科學管理提供了必要手段和先進技術。