用于井下管柱腐蝕在線實(shí)時(shí)監(jiān)測的復(fù)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(fù)合探頭，包括：套裝在筒形殼體內(nèi)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(lián)且與井下管柱材質(zhì)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(xué)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(jì)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(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)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(zhì)的環(huán)境中。
【專利說明】用于井下管柱腐蝕在線實(shí)時(shí)監(jiān)測的復(fù)合探頭、裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣田腐蝕監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于井下油套管腐蝕的在線實(shí)時(shí)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(zhì)的高精度在線腐蝕監(jiān)測與防腐蝕措施的評估。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著油氣田0)2驅(qū)替等三次采油技術(shù)的大規(guī)模推廣，由0)2驅(qū)油所帶來的深井油套管腐蝕問題日趨嚴(yán)重，因此井下在線腐蝕監(jiān)測作為油氣田安全開采的一項(xiàng)重要工作，已引起了眾多油氣生產(chǎn)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(jìn)行腐蝕監(jiān)測。如申請?zhí)枮?01220476848.8的中國專利文獻(xiàn)中披露了一種井下腐蝕監(jiān)測方案，其包括本體內(nèi)壁上的環(huán)形內(nèi)臺階，該內(nèi)臺階上的多個(gè)內(nèi)掛環(huán)組，其由一個(gè)內(nèi)絕緣隔離環(huán)和一個(gè)內(nèi)監(jiān)測掛環(huán)組成，該掛環(huán)裝置能夠同時(shí)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(jià)方法耗時(shí)費(fèi)力，且必須把掛片從井下取出才能評價(jià)腐蝕狀態(tài)，無法實(shí)時(shí)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(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了一種利用電阻探針進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的方案。例如，專利文獻(xiàn)CN 101846644B公開了一種采用電阻探針技術(shù)進(jìn)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(nèi)設(shè)置有作為參考電阻的內(nèi)置敏感元件和作為被測電阻并直接暴露于管道內(nèi)腐蝕環(huán)境中的外露敏感元件，其中內(nèi)置敏感元件和外露敏感元件采用相同材料制作。測量時(shí)，通過對內(nèi)置敏感元件和外露敏感元件進(jìn)行同步差分電壓采樣，計(jì)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(jì)算截面積的變化，進(jìn)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(dòng)顆粒等多種工作環(huán)境。
[0005]但是，由于電阻探針的實(shí)現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致微電阻測量精度降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或改進(jìn)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(shè)計(jì)兩者的匹配和集成，從而實(shí)現(xiàn)井下油氣套管或管柱的腐蝕速率的快速在線監(jiān)測，可應(yīng)用到井下高溫高壓環(huán)境中油、水、氣任意混合介質(zhì)的環(huán)境中。
[0007]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)合探頭，其特征在于，包括:
[0008]探頭本體，其套裝在筒形殼體內(nèi)，并與該殼體內(nèi)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(shè)置在探頭本體內(nèi)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(lián)且與井下管柱材質(zhì)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(xué)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(zhì)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(jìn)而計(jì)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(diǎn)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(jù)此計(jì)算出相應(yīng)頻點(diǎn)的阻抗值，獲得工作電極的極化電阻，進(jìn)而可測得腐蝕速率。
[0012]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述加載的不同頻點(diǎn)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(jìn)，所述探頭本體與筒形殼體內(nèi)壁接觸的外周面上設(shè)置有多個(gè)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(jìn)，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(hù)套，該錐形護(hù)套表面開有多個(gè)小孔，用于保證腐蝕介質(zhì)自由進(jìn)入筒形殼體內(nèi)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(jìn)，所述筒形殼體相對的另一端設(shè)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(jìn)，所述探頭本體上設(shè)置有PCB板，其上集成有用于采集信號并進(jìn)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(fù)合探頭，以及底部安裝在該復(fù)合探頭的探頭本體內(nèi)的PCB板，其特征在于，該P(yáng)CB板上設(shè)置有波形發(fā)生器，恒電位電路，單片機(jī)，多通道A/D轉(zhuǎn)換器和雙向恒流源，其中，
[0018]所述單片機(jī)分別與所述恒電位電路和多通道A/D轉(zhuǎn)換器連接，所述雙向恒流源通過導(dǎo)線連接到串聯(lián)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(zhuǎn)換器通過四個(gè)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(jīng)兩者后的端電壓差進(jìn)行同步采樣，并通過導(dǎo)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(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，上述同步采用的電壓差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入到所述單片機(jī)進(jìn)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(jìn)，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(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)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(yīng)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(jìn)，該裝置還包括安裝在井口的數(shù)據(jù)收發(fā)器，其內(nèi)設(shè)置有收發(fā)器，并與井下的所述PCB電連接，用于將測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的腐蝕監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jìn)行腐蝕量和腐蝕速率實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的方法，包括如下步驟:
[0023]將所述復(fù)合探頭固定在待監(jiān)測的管柱外側(cè)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(gè)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(jìn)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(jìn)而根據(jù)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(diǎn)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(jù)此計(jì)算出相應(yīng)頻點(diǎn)的阻抗值，進(jìn)而獲得工作電極的極化電阻Zp和瞬時(shí)腐蝕速率。
[0026]本發(fā)明可用于對高溫高壓井下油、水、氣介質(zhì)中的金屬管柱進(jìn)行在線腐蝕監(jiān)測，基于井口數(shù)據(jù)收發(fā)器和監(jiān)控中心軟件，實(shí)現(xiàn)井下腐蝕的遠(yuǎn)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(nèi)，傳感器所采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)，使用戶足不出戶即可隨時(shí)了解井下腐蝕狀態(tài)，及時(shí)調(diào)控防腐蝕措施，確保油氣井生產(chǎn)的安全性與經(jīng)濟(jì)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(dǎo)電介質(zhì)中的瞬時(shí)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(shí)腐蝕速率與腐蝕累積量的結(jié)合，既能反映由于流體介質(zhì)條件改變導(dǎo)致的腐蝕速率快速變化，也能反映金屬材料在較長時(shí)間內(nèi)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(dá)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(lì)和相關(guān)分析算法，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且測量過程迅速，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，其瞬時(shí)腐蝕速率測量分辨率可達(dá)0.01 μ m/a，能快速反映井下腐蝕環(huán)境的變化。可用于在線監(jiān)測生產(chǎn)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(chǎn)。具體而言，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0029](1)基于交流阻抗技術(shù)顯著提高了腐蝕速率測量的靈敏度和測量結(jié)果的重現(xiàn)性，比現(xiàn)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(fù)雜井下環(huán)境中管柱的腐蝕量和瞬時(shí)腐蝕速率，相比現(xiàn)有技術(shù)可更快速準(zhǔn)確評價(jià)井下防腐蝕措施的有效性；
[0031](3)可實(shí)現(xiàn)井下管柱腐蝕狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使管理者足不出戶即可隨時(shí)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(shí)施例所構(gòu)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(shí)施例所構(gòu)建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的復(fù)合探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為按照本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)建的井下腐蝕監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為按照本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)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(shí)施例所構(gòu)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(shí)間的變化曲線圖，其中，橫軸為測試時(shí)間，縱軸為感受元件的腐蝕余量；
[0037]圖6為按照本發(fā)明實(shí)施例所構(gòu)建的井下腐蝕監(jiān)測裝置的交流阻抗探針工作電極瞬時(shí)腐蝕速率隨時(shí)間的變化曲線圖，其中，橫軸為測試時(shí)間，縱軸為瞬時(shí)腐蝕速率；
[0038]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1:波形發(fā)生器，2:實(shí)時(shí)時(shí)鐘，3:Flash存儲(chǔ)器芯片，4:恒電位儀電路，5:單片機(jī)，6:通訊接口，7:多通道A/D轉(zhuǎn)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(fù)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(qiáng)不銹鋼密封頭，31:高強(qiáng)不銹鋼圓筒殼體，32:PCB電路板，33:腐蝕介質(zhì)交換通孔，34:不銹鋼錐形護(hù)套，40:井口數(shù)據(jù)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(shí)施方式】
[0039]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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(shí)施例所構(gòu)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(shí)時(shí)時(shí)鐘2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3、恒電位電路4、單片機(jī)5、通訊接口6、多通道A/D轉(zhuǎn)換器7、雙向恒流源8、電源穩(wěn)壓器9、井口電源10和復(fù)合監(jiān)測探頭11。
[0041]其中，波形發(fā)生器1、實(shí)時(shí)時(shí)鐘2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3、恒電位電路4、單片機(jī)5、通訊接口6、多通道A/D轉(zhuǎn)換器7、雙向恒流源8、電源穩(wěn)壓器9均設(shè)置在PCB電路板32上。
[0042]如圖2，復(fù)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(nèi)，并與該殼體31內(nèi)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(shè)置在探頭本體22內(nèi)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(nèi)的感受元件27相互串聯(lián)且感受元件27與井下管柱材質(zhì)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(xué)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(zhì)與井下管柱相同；
[0043]如圖3，PCB板32和復(fù)合監(jiān)測探頭11設(shè)置在在耐壓50MPa、耐溫150°C的高強(qiáng)不銹鋼圓柱殼體31內(nèi)，二者通過8?10芯線束20 (參見圖2)實(shí)現(xiàn)電連接。
[0044]PCB板32上有一高溫型C8051F單片機(jī)5，優(yōu)選為8位或32位高溫型單片機(jī)5。該單片機(jī)5分別連接波形發(fā)生器1、實(shí)時(shí)時(shí)鐘2、64k?512k bytes數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3、恒電位電路4、RS485通訊接口 6、多通道16bit?24bit A/D轉(zhuǎn)換器7(例如多通道16位或24位100kHz A/D轉(zhuǎn)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(dǎo)線連接到腐蝕監(jiān)測復(fù)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(zhuǎn)換器與運(yùn)算放大器構(gòu)建，能輸出單片機(jī)5內(nèi)預(yù)存儲(chǔ)的正弦波表。在時(shí)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(zhuǎn)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(jī)對交流電壓和電流信號進(jìn)行相關(guān)分析，并計(jì)算出相應(yīng)頻點(diǎn)的阻抗值。單片機(jī)分別測量高頻(100?1000Hz)和低頻(0.001?0.01Hz)兩個(gè)頻點(diǎn)下的交流阻抗Zh和Z i，進(jìn)而計(jì)算出工作電極25的極化電阻Zp ( = ZfZh)。然后根據(jù)Stern公式，計(jì)算出腐蝕電流密度Icorr，Icorr = B/Zp (mA/cm2)，以及瞬時(shí)腐蝕速率Vcorr，Vcorr = Icorr X 11.74mm/a0其中B為Stern系數(shù)，取值為26mV?52mV0
[0046]實(shí)時(shí)時(shí)鐘2優(yōu)選采用PCA8565時(shí)鐘芯片，可輸出脈沖信號，用于將單片機(jī)5從低功耗中喚醒。
[0047]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6優(yōu)選采用32k?256k bytes Flash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)測量時(shí)間、極化電阻Zp和腐蝕速率數(shù)據(jù)。
[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(shù)據(jù)傳送。
[0049]復(fù)合探頭包括8芯引出線束(A，B，C，D，E，F(xiàn)，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(zhì)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(nèi)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(xué)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(zhì)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(zhì)。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(qiáng)度不銹鋼圓筒殼體31內(nèi)。在探頭本體的外側(cè)有2?3個(gè)環(huán)形槽，用于安裝PTFE密封圈21，以提高探頭本體22與高強(qiáng)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(zhuǎn)換器7的另外兩路A/D通過線束分別連接至復(fù)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(gè)端點(diǎn)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(jī)5控制輸出交替改變方向的0.1A?0.5A激勵(lì)恒電流，當(dāng)電流通過參考元件23和感受元件27時(shí)形成電壓降，通過多通道A/D轉(zhuǎn)換器?及其前置64倍?128倍增益放大器同時(shí)測量參考元件23和感受元件27上的電壓降，最后由單片機(jī)5計(jì)算它們的電壓降比值，并根據(jù)歐姆定律轉(zhuǎn)換成感受元件的總腐蝕量。腐蝕監(jiān)測復(fù)合探頭11還通過導(dǎo)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(zhì)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(gè)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(nèi)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(jī)5的指令控制。多通道A/D轉(zhuǎn)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(gè)元件上的端電壓差進(jìn)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(shù)。電壓測量結(jié)果傳送到單片機(jī)5，進(jìn)而通過兩路端電壓的比值計(jì)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(zhuǎn)換得到腐蝕余量。
[0052]單片機(jī)5內(nèi)建有16?64k字節(jié)的正弦波波形表，由波形發(fā)生器1內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)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(zhuǎn)換器7進(jìn)行數(shù)字化，最后借助于相關(guān)積分算法，計(jì)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(jié)果保存到Flash存儲(chǔ)器儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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(nèi)，該圓柱體優(yōu)選外徑為25?35mm，內(nèi)徑為20?30mm。探頭11的引出線連接到PCB板32，該P(yáng)CB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(gè)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(nèi)壁與復(fù)合探頭11外壁之間采用2?4級PTFE密封圈實(shí)現(xiàn)密封。在圓柱體31的底部，連接有一錐形護(hù)套34，該錐形護(hù)套表面開有諸多小孔33，可保證腐蝕介質(zhì)自由流過探頭11，使井下腐蝕性介質(zhì)能充分接觸復(fù)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(fù)合探頭能真實(shí)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(cè)的密封圈21，形成一個(gè)高度密閉的空間，為PCB板32提供良好的保護(hù)，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(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)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(shù)字芯片供電。井下腐蝕監(jiān)測裝置的電路中采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘2實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)喚醒測量，采用可關(guān)斷的電壓穩(wěn)壓器，在非測量期間關(guān)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(shù)據(jù)收發(fā)器40，該收發(fā)器由井口電源10供電，收發(fā)器40內(nèi)有無線發(fā)射模塊，可將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時(shí)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(shí)通過卡箍45固定在油管43外側(cè)。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(nèi)，也可以固定在油管的尾管內(nèi)。井下腐蝕監(jiān)測裝置42固定于環(huán)形空間的某一關(guān)鍵位置，所測量的電阻探針和交流阻抗腐蝕數(shù)據(jù)則通過鎧裝電纜41實(shí)時(shí)傳送到井口收發(fā)器40，并通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳送到腐蝕監(jiān)控中心，方便管理人員隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場腐蝕情況。
[0056]井下腐蝕監(jiān)測裝置42隨油管43作業(yè)時(shí)一起下到井底，并固定在距離地面最深4000米的油井內(nèi)。該裝置通過RS485四芯不銹鋼電纜41與井口數(shù)據(jù)收發(fā)器40進(jìn)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(shù)據(jù)收發(fā)器40通過無線或有線信號將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)，使管理者可隨時(shí)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(fù)合腐蝕監(jiān)測探頭11中感受元件27的腐蝕余量隨時(shí)間的變化曲線，參見圖5?？梢婋S著時(shí)間的延長，暴露在腐蝕環(huán)境中的感受元件腐蝕余量隨時(shí)間而線性下降。而圖6則顯示了同時(shí)測量的交流阻抗探針中工作電極25的瞬時(shí)腐蝕速率隨時(shí)間而逐步增加的曲線，表明隨著腐蝕產(chǎn)物在工作電極表面的堆積，使電極的瞬時(shí)腐蝕速率逐步下降。結(jié)合兩種方法分別測量的瞬時(shí)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(zhì)的試樣在氣、液復(fù)雜環(huán)境中的整體腐蝕狀態(tài)。
[0058]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)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(nèi)，并與該筒形殼體(31)內(nèi)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(shè)置在探頭本體(22)內(nèi)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(lián)且二者均與井下管柱材質(zhì)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(xué)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(zhì)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(diǎn)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(jù)此計(jì)算出相應(yīng)頻點(diǎn)的阻抗值，進(jìn)而獲得工作電極(25)的極化電阻，進(jìn)而可測得井下管柱的瞬時(shí)腐蝕速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)合探頭，其中，所述加載的不同頻點(diǎn)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(nèi)的信號，低頻正弦波信號為0.001?0.0lHz范圍內(nèi)的信號。
3.根據(jù)權(quán)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(fù)合探頭，其中，所述探頭本體(22)與筒形殼體(31)內(nèi)壁接觸的外周面上設(shè)置有多個(gè)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(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)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(hù)套(34)，該錐形護(hù)套表面開有多個(gè)小孔(33)，用于保證腐蝕介質(zhì)自由進(jìn)入筒形殼體(31)內(nèi)并與電阻探針和交流阻抗探針接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)合探頭，其中，所述筒形殼體(31)相對的另一端設(shè)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(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的一種用于井下管柱腐蝕在線監(jiān)測的復(fù)合探頭，其中，所述探頭本(22)上設(shè)置有PCB板(32)，其上集成有用于采集信號并進(jìn)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(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的復(fù)合探頭，以及一設(shè)置在該復(fù)合探頭的探頭本體(22)上的PCB板(32)，其特征在于，該P(yáng)CB板(32)上設(shè)置有波形發(fā)生器(1)，恒電位電路(4)，單片機(jī)(5)，多通道A/D轉(zhuǎn)換器(7)和雙向恒流源(8)，其中， 所述單片機(jī)(5)分別與所述恒電位電路(4)和多通道A/D轉(zhuǎn)換器(7)連接，所述雙向恒流源(8)通過導(dǎo)線連接到串聯(lián)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(zhuǎn)換器(7)通過四個(gè)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(jīng)兩者后的端電壓差進(jìn)行同步采樣，并通過導(dǎo)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(zhuǎn)換器(7)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，上述同步采樣的電壓差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入到所述單片機(jī)(5)進(jìn)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(jìn)而獲得腐蝕速率。
8.根據(jù)權(quán)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(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)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(yīng)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(jù)權(quán)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(shù)據(jù)收發(fā)器(40)，其內(nèi)設(shè)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(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的腐蝕監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jìn)行腐蝕量和腐蝕速率實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的方法，包括如下步驟: 將所述復(fù)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(gè)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(jìn)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(jìn)而根據(jù)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(diǎn)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(jù)此計(jì)算出相應(yīng)頻點(diǎn)的阻抗值，進(jìn)而獲得工作電極(25)的極化電阻，進(jìn)而可測得瞬時(shí)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(quán)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(xué)