本實(shí)用新型涉及一種井下腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體地說是一種用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器及其測(cè)量電路。

背景技術(shù)：

油井一直在高溫、高壓、多相流、高含水和高礦化度等復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)，油管、桿、泵等都存在不同程度的腐蝕，有的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因管、桿、泵及井下工具的腐蝕帶來的維修工作占油井維護(hù)總工作量的23％以上，因腐蝕報(bào)廢的管、桿、泵等直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)2000多萬(wàn)元/年，因腐蝕導(dǎo)致的油井停產(chǎn)、環(huán)境污染、廢井、掉井、人員傷亡等造成的損失，更難以估計(jì)。近年來，隨著CO₂驅(qū)技術(shù)在各大油田的廣泛應(yīng)用，使得原本惡劣的井下腐蝕環(huán)境更是雪上加霜。預(yù)防和監(jiān)測(cè)井下腐蝕已成為油井維護(hù)工作的重中之重。

井下主要的腐蝕環(huán)境為油井產(chǎn)出物、地層水、注入液等，其中H₂S、CO₂、溶解氧和硫酸鹽還原菌(SRB)等為主要的腐蝕介質(zhì)。近年來國(guó)內(nèi)油田為了提高采出率多采用CO₂驅(qū)油技術(shù)，致使油井內(nèi)CO₂分壓升高，油井管柱腐蝕加重。研究表明，油井中CO₂分壓達(dá)到了0.2MPa，此刻N(yùn)80、P110油管的腐蝕速率為0.25mm/a，屬嚴(yán)重腐蝕。而氣井或采用了CO₂驅(qū)油技術(shù)的油井中CO₂分壓普遍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.2MPa，部分油井中CO₂分壓達(dá)到了20MPa。油管和套管長(zhǎng)期在高壓、高流速的復(fù)雜腐蝕環(huán)境中工作，且受到自重、外部壓力和其他因素等復(fù)雜的應(yīng)力作用。而多相流沖刷腐蝕也是造成油管腐蝕穿孔的常見腐蝕形態(tài)。

現(xiàn)有的專利文件中，井下油套管腐蝕監(jiān)測(cè)多采用腐蝕掛片或掛環(huán)的方式，基于失重法進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。如申請(qǐng)?zhí)枮?01320147085.7、201220556299.5、201220747629.9、201320146572.1等專利中披露的井下腐蝕監(jiān)測(cè)方案，均為失重法。采用失重法評(píng)價(jià)腐蝕的方法耗時(shí)費(fèi)力，且必須把掛片從井下取出才能評(píng)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。申請(qǐng)?zhí)?01410722531.1的中國(guó)專利文獻(xiàn)中披露了一種井下腐蝕監(jiān)測(cè)方案，通過電阻探針和交流阻抗探針實(shí)現(xiàn)井下油氣套管或管柱的腐蝕速率的在線監(jiān)測(cè)。此方法雖然彌補(bǔ)了失重法中的一些缺點(diǎn)和不足，但是，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井管多相流沖刷帶來的腐蝕影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器無法監(jiān)測(cè)油井管多相流沖刷腐蝕、并且在油井管中安裝插入裝置可能造成流量降低，產(chǎn)生失真的腐蝕數(shù)據(jù)，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于高溫、高壓井下環(huán)境的用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器及其測(cè)量電路。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型一種用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器，包括測(cè)量電路保護(hù)殼、電路板、高壓密封電連器、高溫導(dǎo)線以及腐蝕傳感器，電路板封裝在測(cè)量電路保護(hù)殼中，在測(cè)量電路保護(hù)殼的一端安裝高壓密封電連器，高壓密封電連器通過高溫導(dǎo)線與腐蝕傳感器進(jìn)行軟連接，進(jìn)行電路板與腐蝕傳感器的通訊。

腐蝕傳感器包括腐蝕傳感器殼、承壓塊、密封圈以及腐蝕試片，其中腐蝕試片通過高溫密封膠封裝在腐蝕傳感器殼內(nèi)，腐蝕傳感器殼設(shè)有一帶階梯臺(tái)的孔，承壓塊置入該帶階梯臺(tái)的孔內(nèi)，通過密封圈密封；高溫導(dǎo)線穿過承壓塊，端部由承壓塊引出并與腐蝕試片電連接。

還具有溫度補(bǔ)償試片，其與腐蝕試片電連接，且處于同一溫度環(huán)境中。

腐蝕傳感器殼的外部截面為圓形。

高溫密封膠具有與制作腐蝕傳感器殼的金屬材料匹配的熱膨脹系數(shù)。

包括電源穩(wěn)壓器、參考時(shí)鐘、通訊接口、處理器、信號(hào)源、第一帶通濾波、第二帶通濾波、高精度A/D轉(zhuǎn)換器、精密放大器以及低通濾波器，上述各元件均設(shè)置在PCB電路板上，處理器分別連接電源穩(wěn)壓器、參考時(shí)鐘、通訊接口、信號(hào)源以及高精度A/D轉(zhuǎn)換器，信號(hào)源輸出交流信號(hào)經(jīng)過第一帶通濾波器和和二帶通濾波與傳感器連接；傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器和精密放大器送至高精度A/D轉(zhuǎn)換器，高精度A/D轉(zhuǎn)換器輸出端接至處理器；處理器通過通訊接口與上位機(jī)通訊。

所有元件均由3.3V～3.6V電源穩(wěn)壓器供電，且所有元件均焊接在PCB板上，PCB板通過耐高溫導(dǎo)線連接到腐蝕傳感器上。

本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

1.本實(shí)用新型提供了一種用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器和使用方法，適用于高溫、高壓井下環(huán)境，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)井下多相流沖刷腐蝕。

2.本實(shí)用新型傳感器的腐蝕傳感器與測(cè)量電路采取分體式結(jié)構(gòu)，方便滿足狹小空間使用，傳感器測(cè)量電路封裝外徑小于28mm。分體式設(shè)計(jì)方便腐蝕傳感器更換。

3.腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器插入井管內(nèi)，防止因在油井管中安裝插入式腐蝕傳感器所造成的流動(dòng)阻塞，產(chǎn)生腐蝕數(shù)據(jù)失真。

4.本實(shí)用新型傳感器應(yīng)用于井下，可以耐受60MPa高壓和120℃高溫，同時(shí)可以同步測(cè)量腐蝕發(fā)生部位的準(zhǔn)確溫度、壓力值，為腐蝕評(píng)價(jià)提供參考數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型傳感器及檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型腐蝕傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為測(cè)量電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖；

圖4為傳感器測(cè)試曲線。

其中，1為測(cè)量電路保護(hù)殼，2為電路板，3為高壓密封電連器，4為高溫導(dǎo)線，5為腐蝕傳感器，21為腐蝕傳感器殼，22為承壓塊，23為密封圈，24為耐高溫導(dǎo)線，25為腐蝕試片(加溫度補(bǔ)償試片)，26為高溫密封膠；31為電源穩(wěn)壓器，32為參考時(shí)鐘，33為通訊接口，34為處理器，35為信號(hào)源，36為第一帶通濾波，38為第二帶通濾波，39為高精度A/D轉(zhuǎn)換器，310為精密放大器，311為低通濾波器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，本實(shí)用新型一種用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器，包括測(cè)量電路保護(hù)殼1、電路板2、高壓密封電連器3、高溫導(dǎo)線4以及腐蝕傳感器5，電路板2封裝在測(cè)量電路保護(hù)殼1中，在測(cè)量電路保護(hù)殼1的一端安裝3高壓密封電連器3，高壓密封電連器3通過高溫導(dǎo)線4與腐蝕傳感器5進(jìn)行軟連接，進(jìn)行電路板與腐蝕傳感器5的通訊。

如圖2所示，腐蝕傳感器5包括腐蝕傳感器殼21、承壓塊22、密封圈23以及腐蝕試片25，其中腐蝕試片25通過高溫密封膠26封裝在腐蝕傳感器殼21內(nèi)，腐蝕傳感器殼21設(shè)有一帶階梯臺(tái)的孔，22承壓塊置入該帶階梯臺(tái)的孔內(nèi)，通過23密封圈密封；高溫導(dǎo)線4穿過承壓塊22，端部由承壓塊22引出并與腐蝕試片25電連接。

如3所示，本實(shí)用新型一種用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器測(cè)量電路，包括電源穩(wěn)壓器31、參考時(shí)鐘32、通訊接口33、處理器34、信號(hào)源35、第一帶通濾波36、第二帶通濾波38、高精度A/D轉(zhuǎn)換器39、精密放大器310以及低通濾波311，上述各元件均設(shè)置在PCB電路板上，處理器34分別連接電源穩(wěn)壓器31、參考時(shí)鐘32、通訊接口33、信號(hào)源35以及高精度A/D轉(zhuǎn)換器39，信號(hào)源35輸出交流信號(hào)(小幅值對(duì)稱信號(hào))經(jīng)過第一帶通濾波器36施加到傳感器37(即腐蝕傳感器5)上，另一路經(jīng)過第二帶通濾波38，兩路輸出經(jīng)過乘法器后通過低通濾波器311和精密放大器310送至高精度A/D轉(zhuǎn)換器39，高精度A/D轉(zhuǎn)換器39輸出端接至處理器34。

本實(shí)用新型將電路板2封裝在測(cè)量電路保護(hù)殼1中，保證電路的耐壓，同時(shí)在測(cè)量電路保護(hù)殼1的一端安裝高壓密封電連器3，實(shí)現(xiàn)電路板2與腐蝕傳感器5之間通訊連接。采用高溫導(dǎo)線4軟連接結(jié)構(gòu)后，腐蝕傳感器5可以直接插入油井管內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多相流腐蝕測(cè)量。

腐蝕測(cè)量敏感元件即腐蝕試片25，為消除溫度對(duì)腐蝕測(cè)量的影響，內(nèi)置補(bǔ)償試片與腐蝕試片相連，且與腐蝕試片處于同一溫度環(huán)境中。腐蝕試片25通過高溫密封膠26封裝在腐蝕傳感器殼21內(nèi)，高溫密封膠保證在120℃時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)具有高溫密封膠26具有與制作腐蝕傳感器殼21的金屬材料(本實(shí)施例采用不銹鋼)匹配的熱膨脹系數(shù)。為保證腐蝕傳感器5的耐壓特性，設(shè)置一個(gè)承壓塊22，實(shí)現(xiàn)試片引線即24耐高溫導(dǎo)線與傳感器測(cè)量電路的通訊。承壓塊22內(nèi)金屬針與本體陶瓷燒結(jié)，保證耐壓強(qiáng)度。腐蝕傳感器殼21內(nèi)有一個(gè)帶階梯臺(tái)的孔，承壓塊22塞入傳感器殼21的圓孔內(nèi)，并通過密封圈23保證密封，實(shí)現(xiàn)傳感器耐壓。

腐蝕傳感器殼21的外部截面為圓形，可與井管短節(jié)通過螺紋旋轉(zhuǎn)安裝在一起，操作方便、快捷。

用于監(jiān)測(cè)井下多相流腐蝕的傳感器測(cè)量電路，包括電源穩(wěn)壓器31、參考時(shí)鐘32、通訊接口33、處理器34、信號(hào)源35、第一帶通濾波36、第二帶通濾波38、高精度A/D轉(zhuǎn)換器39、精密放大器310以及低通濾波311，上述各元件均設(shè)置在PCB電路板上，處理器34分別連接電源穩(wěn)壓器31、參考時(shí)鐘32、通訊接口33、信號(hào)源35以及高精度A/D轉(zhuǎn)換器39，信號(hào)源35輸出交流信號(hào)(小幅值對(duì)稱信號(hào))經(jīng)過第一帶通濾波器36和和二帶通濾波38與傳感器37連接；傳感器37的輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器311和精密放大器310送至高精度A/D轉(zhuǎn)換器39，高精度A/D轉(zhuǎn)換器39輸出端接至處理器34。

PCB電路板上的處理器34，為32位耐高溫型DSP。該DSP4分別連接電源穩(wěn)壓器31、參考時(shí)鐘32、通訊接口33、信號(hào)源35、高精度A/D轉(zhuǎn)換器39。上述所有芯片均由3.3V～3.6V電源穩(wěn)壓器31供電，且所有芯片均焊接在上述PCB上，PCB板通過耐高溫導(dǎo)線連接到腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器37上。

本實(shí)用新型工作原理如下：

在信號(hào)源35輸出交流信號(hào)(小幅值對(duì)稱信號(hào))，經(jīng)過第一帶通濾波36和第二帶通濾波38后，將交流信號(hào)過零對(duì)稱，抵消了對(duì)腐蝕傳感器5的影響。腐蝕傳感器5上的輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器311濾除高頻及噪聲，經(jīng)過精密放大器310放大信號(hào)，然后由高精度A/D轉(zhuǎn)換器39采集信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入處理器34，得到電阻變化值ΔR與電壓變化值ΔU的關(guān)系，計(jì)算出腐蝕深度H。

以上工作過程由參考時(shí)鐘32設(shè)置采樣間隔，檢測(cè)電路按設(shè)置間隔，循環(huán)測(cè)量腐蝕數(shù)據(jù)。處理器34通過通訊接口33，采用鍵控頻移(FSK)通訊方式與上位機(jī)通訊。

圖4為本實(shí)用新型傳感器測(cè)試曲線。將傳感器置于高溫(120℃)環(huán)境中，試驗(yàn)溶液采用3.5％鹽溶液，采樣間隔為2分鐘，共采集2441個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。腐蝕深度變化量為18um。通過曲線可以看出，腐蝕深度隨時(shí)間的推移呈緩慢上升趨勢(shì)。

本實(shí)用新型改變了原有傳感器的結(jié)構(gòu)形式，采用分體式設(shè)計(jì)，傳感器與測(cè)量電路通過耐高溫導(dǎo)線連接，即實(shí)現(xiàn)了多相流腐蝕測(cè)量，又可以拓寬傳感器使用條件，減小儀器占用空間尺寸，實(shí)現(xiàn)了傳感器小型化(測(cè)試電路外徑小于28mm)，可以滿足井下狹小空間使用。測(cè)量電路放置在油井管內(nèi)腔外，不影響油井管內(nèi)液體流動(dòng)狀態(tài)。傳感器通過插入的方式安裝在油井管內(nèi)，插入深度為傳感器腐蝕試片與井管內(nèi)壁平齊，實(shí)現(xiàn)多相流腐蝕測(cè)量。