[發明專利]用于井下管柱腐蝕在線實時監測的復合探頭、裝置及方法

有效

• 申請號: 201410722531.1
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN104458561A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 宋問俗;董澤華;張德平;胡巳旸
• 申請（專利權）人: 武漢科思特儀器有限公司;華中科技大學
• 主分類號: G01N17/04
• 分類號: G01N17/04;G01N17/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

技術領域

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

背景技術

隨著油氣田CO₂驅替等三次采油技術的大規模推廣，由CO₂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的高度重視。

目前，常規的井下油套管腐蝕監測采用腐蝕掛片的方式，基于失重法進行腐蝕監測。如申請號為201220476848.8的中國專利文獻中披露了一種井下腐蝕監測方案，其包括本體內壁上的環形內臺階，該內臺階上的多個內掛環組，其由一個內絕緣隔離環和一個內監測掛環組成，該掛環裝置能夠同時監測油管與油套環形空間腐蝕。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，無法實時快速反映井下腐蝕狀態的變化。

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境。

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測，而不適用于快速腐蝕監測，特別是井下高溫環境會導致微電阻測量精度降低。

發明內容

針對現有技術的缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于井下管柱腐蝕在線監測的裝置和方法，其通過電阻探針和交流阻抗探針，并優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測，可應用到井下高溫高壓環境中油、水、氣任意混合介質的環境中。

按照本發明的一個方面，提供一種用于井下管柱腐蝕在線監測的復合探頭，其特征在于，包括：

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境接觸；

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

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境，其中工作電極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。

作為本發明的改進，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。

作為本發明的改進，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，以將探頭與腐蝕環境接觸的一端與另一端密封隔絕。

作為本發明的改進，在筒形殼體與腐蝕環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。

作為本發明的改進，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。

作為本發明的改進，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。

按照本發明的另一方面，提供一種用于井下管柱腐蝕在線監測的裝置，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，