CN105568295B - 一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属防腐的阳极材料检测领域，提供了一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，主要内容包括井下锌阳极检测、原始数据处理以及寿命计算：首先设置测井仪运行参数，进行井下套管外锌阳极测量；其次对测量值进行数据处理，消除阳极异常值，得到二次测量值；最后运用锌阳极二次测量值与剩余寿命关系式，计算套管外锌阳极的防腐剩余寿命，实现对井下套管外锌阳极的消耗速度进行定量化判断。本评价方法具有较高的准确度，能够在线评价锌阳极的防腐效果，为防腐设计优化和套管安全评估提供依据，具有井筒安全生产的预警管理价值。

Description

一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法

技术领域

本发明涉及腐蚀与防护领域，尤其涉及一种井下金属套管外锌阳极剩余量的检测评价方法。

背景技术

为了防止油田井下套管的外腐蚀，国内外普遍采用了外加电流阴极保护和涂层加牺牲阳极的保护技术，其中长庆油田采用套管外环氧冷缠带和外挂牺牲阳极套管防腐工艺的油水井达4万口。为了及时跟踪套管防腐效果和优化防腐设计参数，以及套管安全评估，消除井筒套管腐蚀破损隐患，对保护套管的牺牲阳极的消耗量进行检测是十分重要的基础工作。

地面管道外牺牲阳极的检测方法，是开挖管道地表土壤来直接观察测量牺牲阳极，专利201410563302X“一种辨别管道防腐层破损点是否牺牲阳极的检测方法”公开了一种在地面安装参比电极定性检测管道外有无阳极的方法，目前没有在管道内检测管道外阳极的仪器方法。

对于井下套管外阳极的检测尚无直接有效的方法，针对油水井套管外阳极只能采用传统的拔套机拔出套管进行直观定量检测。文献“腐蚀与防护”2009年率30卷12期的《舟山某码头钢管桩牺牲阳极阴极保护系统检测》中，第928、929页叙述了“码头钢桩的牺牲阳极检测由潜水员到水下观察验证，实地测量阳极的周长和长度，计算出阳极重量和剩余使用年限”的方法。专利ZL201010263113.2“一种检测热水器阳极棒消耗并报警指示的方法”公布了通过水质检测间接计算阳极消耗量的方法。由于油田油水井的套管垂直于地面，下深至地下上千至数千米，套管周围采用水泥封固，无法采集水样或下入仪器人员检测。

目前在套管下入仪器检测套管状况的工程测井技术比较成熟，如机械井径+测井+井温、超声波、井下鹰眼电视、英国MIT+MTT等技术，只能测单层套管，如文献“MIT和MTT套管腐蚀检测技术在苏里格气田的应用”(《石油化工应用》2013年第32卷第五期)公布了典型的MIT+MTT仪的测井应用；能够检测的多层管柱(油管或套管)主要是基于电磁技术，如俄罗斯的套管电磁探伤仪能够实现多层管柱测试，斯伦贝谢公司的多频电磁厚度检测仪(METT)；文献“套管检测技术研究进展”(《石油机械》2013年第41卷第8期，P17-22)综述了套管检测技术现状。

目前不论单层套管或多层管柱检测，均是针对油田用碳钢材质，对于不同金属组成的复合管柱，由于不同金属的电磁特性差异性，特别是碳钢与锌阳极的双层管柱，尚无定量解释模板或方法。

发明内容

本发明目的是针对缺乏套管外锌阳极定量检测和评价锌阳极剩余量的现状，提供一种基于金属壁厚与电磁信号相位差关系原理技术的套管外锌阳极剩余寿命的检测评价方法，以解决目前检测套管外锌阳极时缺乏消耗量定量解释描述的问题。

为此，本发明提供了一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，其技术方案是：一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，包括如下步骤：

第一步，确定测井仪运行的激励信号参数，即发射的激励信号通过钢质套管和锌阳极后产生包含钢质套管与锌阳极两种金属壁厚信息的响应信号；

第二步，采用测井仪进行井下套管阳极测井，得到含钢质套管与锌阳极壁厚信息的一次测量值；

第三步，对一次测量值数据过滤，得到消除钢质套管不同壁厚和阳极异常值干扰因素后的二次测量值；

第四步，通过二次测量值计算锌阳极剩余壁厚。计算公式为经实验模拟确定的锌阳极壁厚y与二次测量值x拟合公式：

y＝0.0396x^3.9247

第五步，作为可选项，通过锌阳极壁厚计算锌阳极剩余寿命；计算公式为依据套管外锌阳极壁厚y与寿命L关系：

L＝k₁y²+k₂y

式中，

k₁、k₂为常数。

第六步，通过二次测量值计算锌阳极剩余寿命。计算公式为经实验模拟确定的阳极剩余寿命L与二次测量值x的拟合公式：

L＝0.0059e^1.182x。

上述第三步中所述的对一次测量值数据过滤，其过滤方法是将套管壁厚归一化，消除锌阳极非正常溶解产生的阳极异常值，保留局部腐蚀和均匀腐蚀后产生的正常有效值。

上述测井仪是英国Sondex公司的MTT磁壁厚测井仪。

其中油水井套管为各油田所普遍采用的H40、J55、K55、N80和M65、L80、P110、Q125这些符合API 5CT标准要求的无缝碳钢套管。

上述锌阳极的外径≤168mm。

本发明的有益效果：1、本发明提供检测油水井套管外锌阳极的评价方法，以金属对激励信号与响应电磁信号间的相位差原理为基础，对测井仪进行运行参数设置后，在不影响测井仪进行钢质套管测井的同时，完成套管外锌阳极的测试。

2、本发明克服或回避了碳钢与锌材质电磁特性如磁导率的巨大差异，针对锌阳极测试的原始数据背景噪声波动大、阳极配套的铁质卡箍、顶丝的异常信号等干扰因素，依据锌阳极溶解后的结构特征，进行数据过滤，提取了较真实反映锌阳极剩余壁厚的感应信息。

3、本发明提供了电讯号通过锌阳极时产生的发射响应讯号间相位差与阳极厚度，以及与剩余寿命之间的函数关系式，这是定量化检测锌阳极的基础。

4、本发明原理可靠，工艺可行，井下检测操作与数据处理简便，解决了在役油水井的油套管外挂锌阳极消耗状态的问题，填补锌阳极材料检测领域在井下套管服役状态下在线检测的空白。为井下套管外锌阳极的剩余壁厚或剩余寿命评价提供了手段，对进行不拔出套管来检测锌阳极、评价套管“涂层+锌阳极”联合防腐效果具有指导意义，具有井筒安全生产的预警管理价值。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的锌阳极检测与剩余寿命评价的流程示意图；

图2为锌阳极的实际壁厚与MTT测量值关系图；

图3为锌阳极的剩余寿命与MTT测量值关系图。

具体实施方式

金属的厚度y与电磁信号感应的相位差φ存在以下关系：

式中，f：电信号频率，Hz；

μ：磁导率，亨利/米(H/m)；

σ：电导率，西门子(S)。

通过在套管内的测井仪发射探头对钢套管外锌阳极发射交变电流激励信号，接收探头获得与激励信号不同相位差的感应电信号，根据已知相位差与金属厚度的线性关系，获得包含钢质套管和锌阳极厚度信号的综合感应信息，对原始数据统计处理，去除钢质套管信号差异和噪声等非锌阳极信号因素，根据理论计算与实验拟合得到的锌阳极厚度与相位差关系式，得到阳极壁厚，进而评价阳极工作的剩余寿命。

参照图1，本发明提供了一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，包括如下步骤：

第一步，确定测井仪运行的激励信号参数，即发射的激励信号通过钢质套管和锌阳极后产生包含钢质套管与锌阳极两种金属壁厚信息的响应信号，防止响应信号过饱和或者过微弱。其中测井仪采用英国Sondex公司的MTT磁壁厚测井仪(Megnetic ThicknessTool)。

第二步，采用测井仪进行井下套管阳极测井，得到含钢质套管与锌阳极壁厚信息的一次测量值。

第三步，对一次测量值数据过滤，得到消除钢质套管不同壁厚和阳极异常值干扰因素后的二次测量值。过滤方法是将套管壁厚归一化，消除锌阳极非正常溶解产生的阳极异常值，保留局部腐蚀和均匀腐蚀后产生的正常有效值。

第四步，通过二次测量值计算锌阳极剩余壁厚。计算公式为经实验模拟确定的锌阳极壁厚y与二次测量值x拟合公式：

y＝0.0396x^3.9247

第五步，作为可选项，通过锌阳极壁厚计算锌阳极剩余寿命。计算公式为依据套管外锌阳极壁厚y与寿命L关系：

L＝k₁y²+k₂y

式中，

k₁、k₂为常数。

第六步，通过二次测量值计算锌阳极剩余寿命。以锌阳极起始服役时外径168mm、壁厚12.75mm的剩余寿命是100％为例(其余外径、壁厚时采用以下相同公式可按比例折算剩余寿命)，计算公式为经实验模拟确定的阳极剩余寿命L与二次测量值x的拟合公式：

L＝0.0059e^1.182x

本发明所涉及的油水井套管为各油田所普遍采用的H40、J55、K55、N80和M65、L80、P110、Q125这些符合API 5CT标准要求的无缝碳钢套管，壁厚7.72mm。所述锌阳极的外径≤168mm。

下面结合附图对套管外锌阳极的检测评价方法进一步说明。

以应用普遍的5¹/₂″套管外挂最大外径12.75mm锌阳极为例进行说明，本实施例的方法实施流程包括：

第一步，确定测井仪的激励信号参数，即发射的激励信号通过套管外锌阳极后产生良好的包含钢质套管与锌阳极两种金属壁厚信息的响应信号。

仪器激励电压14V，激励电流100mA(发射关)、350mA(发射开)，激励频率为8Hz。

第二步，采用测井仪进行井下套管壁厚测井，得到含不同钢质套管壁厚的一次测量值。

首先通井，连接好测井仪器串后，下入井底，然后以小于550m/h的速率上提，测井仪采集油水井套管锌阳极的测量原始数据，即含钢质套管壁厚的一次测量值。

因为测井仪有12个检测线圈传感器，对应检测手镯阳极周向上12个壁厚值，在锌阳极长度度方向上每隔0.005m测量一次壁厚即有12个测量值。一只长度为b的阳极的一次测量值数量N为：

N＝12×b/0.005…………………………(1)

第三步，对一次测量值数据过滤，得到消除不同钢质套管壁厚干扰因素和阳极壁厚阳极异常值后的二次测量值。

因为每根套管壁厚不完全相同、阳极两端铁质卡箍结构、阳极段中固定铁质顶丝和仪器噪声，以及地层磁性物质等因素干扰，将造成一次测量值失真。处理方法是将套管壁厚归一化，消除锌阳极非正常溶解产生的阳极异常值，保留局部腐蚀和均匀腐蚀后产生的正常有效值。具体步骤如下：

一、套管壁厚归一化处理：对含不同套管壁厚的一次测量值做相应增减，使每根套管上的锌阳极一次测量值含有的套管壁厚因素的影响相同。如，一口油井中纯套管壁厚的测量值有1.75、1.68、1.78、1.81、1.66和1.89等，则统一到1.7，一次测量值的增减值为-0.05、+0.02、-0.08、-0.11、+0.04和-0.19。

二、消除阳极异常值：先将取N个归一化值平均，若某点的原始值偏离该平均数±70％以上，并且偏离均值的数量低于原始值总数量的10％，则以平均数替代该点归一化值后重新计算平均数，再核对每个值，以此类推，直至处理完所有的阳极异常值。

第四步，通过二次测量值计算阳极的剩余壁厚。

将二次测量值代入下式(2)得到锌阳极的剩余壁厚，锌阳极壁厚y与二次测量值x公式：

y＝0.0396x^3.9247…………………………(2)

第五步，为可选项，可以通过阳极剩余壁厚计算锌阳极剩余寿命。

将计算得到的锌阳极壁厚值y代入下式(3)，计算锌阳极的剩余寿命L。

L＝(πρby²+2πρry)×U/(EI)＝k₁y²+k₂y…………(3)

式中，

L：阳极工作寿命，年；π：3.14；

ρ：阳极极密度，Kg/m³；b：阳极长度，m；

y：阳极剩余厚度，m；r：阳极内径，m；

E：阳极的消耗率，Kg/A·a；I_m：保护电流的需要量，A；

U：利用系数；k₁、k₂：常数。

第六步，通过二次测量值计算锌阳极剩余寿命。

以锌阳极起始服役时外径168mm、壁厚12.75mm的剩余寿命是100％为例(其余外径、壁厚时采用以下相同公式可按比例折算剩余寿命)。

将二次测量值x代入下式(4)，直接计算得到锌阳极剩余寿命L。

L＝0.0059e^1.182x………………………(4)

实施例1

在上述内容的基础上，本实施例给出的基础数据如下：已知套管外径51/2″(139.7mm)，每支锌阳极壁厚2～12.75mm、内径142.5mm、长500mm，每种壁厚的阳极2支，共有6种壁厚。每根套管装同规格阳极2支，共12支阳极。

采用测井仪测量该6种锌阳极的壁厚，每种壁厚的锌阳极对应2×12×500/5＝2400个一次测量值(限于篇幅，不详列，下同)，采用第二步数据过滤方法依次除去套管壁厚干扰因素和锌阳极异常值后得到二次测量值，将每种壁厚锌阳极对应的二次测量值代入公式(2)：y＝0.0396x^3.9247，得到锌阳极的计算剩余壁厚值，最后计算绝对误差和相对误差，如下表1和图2所示。

采用本评价方法的计算公式在标准厚度锌阳极上验证表明，在锌阳极消耗前中期，测量拟合的锌阳极壁厚误差较小(±5％以内)，在锌阳极消耗后期存在±20％以内的一定误差，在牺牲阳极消耗量计算的防腐工程设计中，一般都要考虑阳极多余15％以上的余量，即在锌阳极消耗85％以上后视为达到全部防腐寿命(相当于壁厚2mm)，通过锌阳极消耗的前中期壁厚变化已经较准确判断锌阳极消耗速度，在消耗的后期具有相当参考价值。

表1锌阳极实际值与测量的壁厚值对比

实施例2

在实施例1条件下，已知地面试验锌阳极的剩余寿命(以外径168mm、壁厚12.75mm为100％)，将一次测量值处理后得到的二次测量值代入公式(4)：L＝0.0059e^1.182x，结果如下表2和图3所示。

采用本评价方法的计算公式在标准剩余寿命锌阳极上验证表明，在锌阳极消耗前中期，测量得到的剩余寿命误差较小，在锌阳极消耗后期存在一定误差，规律与实施例1的壁厚测量相似，评价方法的拟合公式准确度较高。

表2锌阳极实际剩余寿命与测量的剩余寿命值比较

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，确定测井仪运行的激励信号参数，即确定发射的激励信号通过钢质套管和锌阳极后产生包含钢质套管与锌阳极两种金属壁厚信息的响应信号；

第二步，采用测井仪进行井下套管阳极测井，得到含钢质套管与锌阳极壁厚信息的一次测量值；

第三步，对一次测量值数据过滤，得到消除钢质套管不同壁厚和阳极异常值干扰因素后的二次测量值；

所述的对一次测量值数据过滤，其过滤方法是将套管壁厚归一化，消除锌阳极非正常溶解产生的阳极异常值，保留局部腐蚀和均匀腐蚀后产生的正常有效值；

第四步，通过二次测量值计算锌阳极剩余壁厚；计算公式为经实验模拟确定的锌阳极壁厚y与二次测量值x拟合公式：

y＝0.0396x^3.9247

第五步，作为可选项，通过锌阳极壁厚计算锌阳极剩余寿命；计算公式为依据套管外锌阳极壁厚y与寿命L关系：

L＝k₁y²+k₂y

式中，

k₁、k₂为常数。

第六步，通过二次测量值计算锌阳极剩余寿命；计算公式为经实验模拟确定的阳极剩余寿命L与二次测量值x的拟合公式：

L＝0.0059e^1.182x。

2.如权利要求1所述的一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，其特征在于，所述测井仪是英国Sondex公司的MTT磁壁厚测井仪。

3.如权利要求1所述的一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，其特征在于，其中油水井套管为各油田所普遍采用的H40、J55、K55、N80和M65、L80、P110、Q125这些符合API 5CT标准要求的无缝碳钢套管。

4.如权利要求1所述的一种油水井套管外锌阳极剩余量的检测评价方法，其特征在于，所述锌阳极的外径≤168mm。