在內(nèi)部流體介質(zhì)沖刷與腐蝕作用下，油氣井口裝置易出現(xiàn)腐蝕減薄缺陷，形成潛在的泄漏風(fēng)險。干耦合壓電傳感方法因具有高穩(wěn)定性和高可靠性，可應(yīng)用于井口裝置腐蝕在線監(jiān)測與評價中。實際作業(yè)過程中，流體介質(zhì)狀態(tài)與環(huán)境溫度變化會導(dǎo)致被測井口裝置工作溫度發(fā)生變化，從而影響腐蝕測量精度。

壓裂是指在采油或采氣過程中，利用水利作用使油氣層形成裂縫的一種方法。壓裂作業(yè)中，井口裝置及注入管線內(nèi)壁會因承受高速壓裂液中固體顆粒的沖蝕而出現(xiàn)損傷，形成安全隱患。因此，為保證安全生產(chǎn)，需要對井口裝置腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測。

目前壓裂井口裝置的腐蝕檢測主要是通過人工定期超聲測厚的方式進(jìn)行；且因安全問題在壓裂工作過程中無法實施檢測，從而無法掌握檢測間隔期井口裝置的實際腐蝕狀況。

因此，亟需開展壓裂井口裝置腐蝕狀況的遠(yuǎn)程、在線、持續(xù)、高精度監(jiān)測，以代替人工定期檢測。

與長輸管道不同，壓裂結(jié)構(gòu)裝置由各種三通、彎頭等連接結(jié)構(gòu)組成，井口裝置空間狹窄，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。監(jiān)測方法需適應(yīng)變形、變徑、狹窄空間等測量與安裝要求；工作過程中因內(nèi)部輸送高壓液體，整個裝置會發(fā)生幅度較大的高頻振動，對傳感器工作的穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)。

因此，光纖、導(dǎo)波、場指紋法、聲發(fā)射、腐蝕掛片等方法均難以應(yīng)用于井口裝置腐蝕情況的實時在線監(jiān)測和預(yù)警。

在實際使用過程中，井口裝置一般工作在野外，而在新疆地區(qū)等晝夜與季節(jié)溫差變化劇烈的環(huán)境下，井口裝置溫度會發(fā)生劇烈變化；同時，內(nèi)部流體介質(zhì)的溫度、流速、摩擦作用也會導(dǎo)致管道溫度發(fā)生變化，進(jìn)一步影響井口材料與耦合材料的聲速，使得不同溫度下井口裝置腐蝕監(jiān)測與評價結(jié)果不同，降低腐蝕監(jiān)測精度。因此，新疆油田分公司實驗檢測研究院和四川大學(xué)機械工程學(xué)院的技術(shù)人員研究了溫度變化對井口材料聲速與耦合材料性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于實時溫度測量的壁厚補償算法，以提高井口裝置的腐蝕監(jiān)測精度。

01 井口裝置干耦合壓電傳感腐蝕監(jiān)測方法

基于干耦合壓電傳感的壓裂井口裝置腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括腐蝕傳感器、溫度傳感器、監(jiān)測主機、腐蝕監(jiān)測平臺與軟件4部分。

圖1 壓裂井口裝置腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

布置于壓裂井口裝置不同腐蝕監(jiān)測點的干耦合壓電傳感器與溫度傳感器將管道腐蝕情況與溫度通過信號線集中匯入到現(xiàn)場監(jiān)測主機內(nèi)。現(xiàn)場監(jiān)測主機內(nèi)包含電源管理模塊、主控模塊、通信模塊、超聲激勵與信號處理模塊、溫度測量模塊等。根據(jù)防爆以及野外電源供電限制工況，設(shè)備通過防爆鉛蓄電池供電。腐蝕監(jiān)測信號在主機內(nèi)完成處理，然后根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺進(jìn)行存儲與分析。

腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)為BS(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，用戶可在客戶端通過網(wǎng)絡(luò)方式對云平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、調(diào)用與操作。軟件可顯示不同監(jiān)測點的腐蝕實時數(shù)據(jù)與變化曲線，并可通過設(shè)置不同閾值進(jìn)行預(yù)警。

干耦合壓電傳感腐蝕監(jiān)測方法的核心是干耦合劑。受高低溫變化以及抖動等影響，傳統(tǒng)的液態(tài)耦合劑在長期監(jiān)測過程中容易揮發(fā)和流失，無法長期穩(wěn)定工作。為此，針對液態(tài)耦合劑不穩(wěn)定的問題，開發(fā)了一種干耦合材料代替液體耦合劑。

圖2 干耦合壓電傳感器實物

干耦合劑材料以聚二甲基硅氧烷為主要原料，輔以交聯(lián)劑、填料、增塑劑、偶聯(lián)劑、催化劑等混合而成，在常溫下通過與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到固化的效果。該干耦合劑材料具備安裝施工前為糊狀半液態(tài)，施工后轉(zhuǎn)化成固態(tài)的特點，可輕易地排除耦合間隙的空氣，且無需較大的耦合壓緊力，同時可耐戶外自然老化。經(jīng)試驗對比，干耦合劑與傳統(tǒng)耦合劑甘油的耦合效果相當(dāng)。

實際安裝時，首先對管道表面進(jìn)行處理，然后將干耦合劑放置于管道與傳感器之間，針對不同工況利用傳感器工裝將傳感器定位并固定在管道表面，以保證長期穩(wěn)定的耦合效果。

02 溫度變化對干耦合壓電監(jiān)測精度的影響

溫度變化會影響金屬管道材料與干耦合材料中的聲速，因此井口裝置溫度變化是影響腐蝕監(jiān)測精度的主要因素。基于井口裝置工作溫度變化范圍，開展了溫度對壓電腐蝕監(jiān)測精度的影響規(guī)律研究。

圖3 試驗平臺實物

搭建的試驗平臺由標(biāo)準(zhǔn)試塊、單晶探頭、單晶探頭工裝、鋼扎帶、測厚儀(38DLP型)等組成。采用加熱臺與低溫試驗箱實現(xiàn)對試件的加熱與降溫，以模擬井口裝置的實際工作溫度變化，采用紅外熱成像儀精確測量試件溫度。試件材料為45號鋼，標(biāo)準(zhǔn)厚度為80.46 mm。

溫度變化對金屬材料聲速的影響

為了消除溫度對測量精度的影響，需獲得鋼材料在不同溫度下的聲速變化規(guī)律，為溫度補償?shù)於ɑA(chǔ)，進(jìn)行了不同溫度下的鋼材聲速測量試驗，采用5 MHz單晶探頭進(jìn)行測量，利用回波-回波模式，消除耦合劑耦合狀態(tài)變化對測量結(jié)果的影響。

將測厚儀中的聲速設(shè)定為30 ℃下鋼中的縱波聲速V30，取5948 m/s；利用測厚儀對試件進(jìn)行測厚，獲得不同溫度下的測量厚度hT，從而計算出聲波在試件中的實際傳播時間tT。由于井口裝置溫度變化引起的試件變形較小，壁厚變化可忽略不計，h0始終為80.46 mm。最終，可獲得不同溫度下聲速變化計算公式：

VT = 2h0/tT = 2h0/ (2hT/V30) = h0/hT·V30         (1)

式中：T為試件溫度；VT為T溫度下聲速；h0為試件實際厚度；hT為T溫度下的測量厚度；tT為T溫度下聲波傳播時間。

根據(jù)井口裝置的實際溫度工況，測試溫度設(shè)定為-30~80 ℃，利用式(1)計算不同溫度下鋼中的縱波聲速，可知溫度從-10 ℃變化到75 ℃時，試塊厚度從80.14 mm變化到80.81 mm，即溫度每升高85 ℃，測量厚度增大0.67 mm。因此，溫度每升高100 ℃，聲速變化導(dǎo)致的厚度測量值約增大1%。基于此建立不同溫度下鋼中聲速變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同溫度下鋼中聲速變化曲線

由圖4可以看出，隨著溫度的增加，聲速近似成線性降低，可構(gòu)建如下式所示的聲速-溫度關(guān)系：

VT = V30+ [(30-T)/100] ×60      (2)

在實際工作過程中，可利用溫度傳感器測量井口裝置被測點的當(dāng)前溫度T，根據(jù)式(2)計算獲得當(dāng)前溫度下的準(zhǔn)確聲速，最后實現(xiàn)井口裝置厚度的精確測量。

溫度變化對干耦合劑材料性能的影響

當(dāng)壓裂井口裝置溫度發(fā)生變化時，與鋼管緊密貼合的干耦合材料中的聲速與性能會發(fā)生變化，影響以始波-回波測量方式的壁厚測量精度。

為此，開展了不同溫度下不同厚度耦合材料的檢測試驗。利用不同厚度的干耦合材料，在不同溫度下以始波-回波測量方式測量試件厚度，測量溫度變化引起的測量值與信號幅值變化。

干耦合劑厚度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm；鋼板試件厚度為7.0 mm；檢測溫度為20~100 ℃，測量溫度間隔為10 ℃，每種溫度狀態(tài)保持10 min，以保證探頭和耦合劑溫度與檢測溫度相同，測量獲得不同溫度以及不同干耦合材料厚度下的鋼板試件厚度。

試驗發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加信號幅值不斷降低，為對比溫度造成的檢測幅值變化規(guī)律，每次測量時調(diào)整增益使得信號峰值始終處于顯示范圍80%處，干耦合壓電傳感的始波-回波測量界面如圖5所示，由不同溫度及不同干耦合材料厚度下的鋼板試件厚度測量結(jié)果可以看出，當(dāng)溫度從20 ℃逐漸增加到100 ℃，5種厚度干耦合材料所需的增益波動較小，說明干耦合材料在不同溫度條件下具有穩(wěn)定的耦合性能。

圖5 干耦合壓電傳感的始波-回波測量界面

進(jìn)一步分析利用不同厚度干耦合材料進(jìn)行耦合時，在不同溫度下測量的鋼板厚度變化規(guī)律，干耦合壓電傳感時始波-回波測量厚度曲線如圖6所示。

圖6 干耦合壓電傳感時始波-回波

測量厚度曲線

可以看出，一方面，干耦合材料會引起一定的零位偏差，并且隨著耦合劑厚度增加，偏差逐漸增大；另一方面，厚度測量值均存在隨著溫度增加而增大的現(xiàn)象，這是由碳鋼材料和干耦合材料中聲速隨溫度變化的疊加效應(yīng)引起的，且耦合材料厚度越大，差異越大，這表明干耦合材料中的聲速受溫度影響較大。

另外，0.1 mm干耦合材料引起的測厚值總體增加了0.2 mm，減去碳鋼件受溫度影響的測厚值變化(約為0.1 mm)，即干耦合材料受溫度影響的測厚數(shù)據(jù)變化約為0.1 mm。

上述結(jié)論在采用始波-回波測量模式進(jìn)行測量時需要加以考慮。此外，如采用回波-回波測量模式，則干耦合材料不會影響測厚精度，只會影響信號增益。

03 現(xiàn)場試驗

采用干耦合壓電腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在新疆克拉瑪依油田、塔里木油田等多個井場進(jìn)行了井口裝置腐蝕監(jiān)測試驗，其現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 井口裝置腐蝕監(jiān)測現(xiàn)場

腐蝕監(jiān)測傳感器布置在直角彎和三通等易發(fā)生腐蝕的位置，利用回波-回波方式對管道壁厚進(jìn)行測量，并利用鉑熱敏電阻吸附在管道表面進(jìn)行測溫。測厚數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)經(jīng)4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺進(jìn)行處理，并按照式(2)對測量壁厚進(jìn)行校準(zhǔn)。

某井口裝置壁厚監(jiān)測曲線如圖8所示。經(jīng)過周期為1年的持續(xù)測試，進(jìn)行溫度補償后，該變化溫度條件下的井口裝置腐蝕在線監(jiān)測方法測量精度較高，穩(wěn)定性較好，可消除溫度對壁厚測量結(jié)果的影響。

圖8 某井口裝置壁厚監(jiān)測曲線

04 結(jié)論

1 井口裝置溫度變化會影響鋼材料中的聲速，造成測量值產(chǎn)生偏差。因此，需要布置溫度傳感器測量監(jiān)測點位的溫度，進(jìn)一步對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行聲速校準(zhǔn)與厚度補償。

2 利用回波-回波模式，可消除干耦合劑造成的測量誤差；利用始波-回波模式需考慮干耦合劑造成的測量誤差；溫度變化會影響信號幅值，檢測時需要根據(jù)溫度變化調(diào)整增益，進(jìn)而達(dá)到最佳的測量效果。