CN107991356A - 一种油田注水管道在线结垢监测装置 - Google Patents

一种油田注水管道在线结垢监测装置 Download PDF

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Abstract

一种油田注水管道在线结垢监测装置，包括结垢监测控制器和在线结垢监测传感器，结垢监测控制器包括电流放大器、功率放大器、主极化电路、二个正弦波发生器，二个电位电流信号数据采集器，通信接口、电源模块、和MCU控制器，在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器和电流放大器相连。在线结垢监测传感器主要由二个金属丝电极、不锈钢支撑柱、素烧陶瓷管、电热丝、聚四氟乙烯防油罩、聚四氟乙烯防油壳体和6芯航插22装配成。在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器和电流放大器相连。本发明具有实时在线监测的功效，能及时调整阻垢剂的配方和浓度，防止管道结垢，且抗电磁干扰和交流干扰能力，提高了测量结果的稳定性和重现性。

Description

一种油田注水管道在线结垢监测装置
技术领域
本发明涉及一种在线监测系统，特别涉及一种油田注水管道在线结垢监测装置。
背景技术
随着我国东部各油田逐步进入开采后期，采出液的综合含水率逐年升高，甚至超过90％。由于回注污水的高矿化度(>10000mg/L)、高Cl-含量以及高水温(>60℃)等特性，再加H2S、CO2、SRB等协同作用，往往造成地面管线及井下管柱的严重腐蚀或者结垢。管线结垢不仅增加了注水压力和能耗，还为垢下微生物腐蚀或浓差腐蚀提供了有利条件。与腐蚀监测不同，结垢趋势监测尤其是在线监测十分困难，相关文献报道较少。
目前，目前关于如何防止结垢的专利较多但关于现场结垢监测的报道很少。如中国专利CN103111446结合化学方法、电化学方法和物理方法设计的一种海上采油平台管线设备内部结垢问题处理方法。其中利用化学方法，添加阻垢剂来阻垢；电化学方法除垢，同时该专利中还提出使用镁合金来防腐阻垢，除垢的同时减缓管道腐蚀；但该方法利用Mg2+的存在缓解垢的生成存在一定的不确定性，且镁盐存在可能还会诱导污水中碳酸盐沉积。中国专利CN105659075提出了一种用于监测沉积物的方法，利用电极测量流体的复数阻抗来确定流体中可能包含的成分，并且根据一系列的实验得到溶液中各成分分别对阻抗的影响关系，确定流体具体成分，从而监测沉积物的形成和化学抑制剂的含量。但该技术并不能直接监测流体在管道表面的结垢趋势，只能测量流体的电导率。在专利CN201740749U中，武汉钢铁公司组装了一种对工业水运行系统中腐蚀结垢状况的监测装置，通过监测探头污垢监测装置分别在结垢与非结垢状态下蒸馏水储存器内温度的温升值和时间之间的关系得到在不同时间的腐蚀结垢情况。该装置能够实现循环水系统在不停产的情况下在线监测结构状态。但根据传热效率作为依据存在一些不确定因素，当垢层比较疏松的时候，局部传热面积增大，温升值与实际值之间出现误差，导致判断失效，而且装置过于复杂，难以现场应用。中国专利CN204941518U中，设计一套适用于井口管柱及坐挂器的腐蚀结垢监测试片，将金属试片固定在坐挂器上，通过试片取出观测来掌握真实的结垢及腐蚀状况，该技术使用时需将试片通过工具放入工作筒，一段时间将其取出进行分析，过程复杂，进行腐蚀结垢分析试需要停止生产。
油田地面管网系统的结垢监测传统上采用热阻法进行监测，利用传热面传热效率降低导致的流体前后温差的变化来监测垢层生长状态。但对于不存在传热的输送管，该方法并不合适；此外，利用石英晶体微天平对沉积质量的敏感性，也可以实现结垢监测，但这种方法无法区分松散沉积物和致密垢层，且成本会相对较高。目前，基于电化学导纳法的快速在线结垢监测的相关专利未见报道。
发明内容
本发明的目的，是提供一种油田注水管道在线结垢监测装置，本发明能实时监测管道内的垢层生长情况，实现注水水质达标的精细化管理，从而降低管线腐蚀结垢趋势和水处理成本，大幅度提高了油田注水管道的使用寿命。
采用的技术方案是：
一种油田注水管道在线结垢监测装置，包括在线结垢监测传感器和测量控制器，其特征在于：
所述在线结垢监测传感器，包括结垢监测探头。结垢监测探头采用双电极设计，相比传统三电极电化学测量，避免了参比回路高阻抗和参比电极污染造成的影响，由于采用正弦波激励，具有更高的抗电磁干扰能力。具体是：
结垢监测探头主要由二个金属丝电极、不锈钢支撑柱、素烧陶瓷管、电热丝、螺纹面、底部密封聚四氟乙烯防油罩、聚四氟乙烯防油管体、3/4”螺纹管和6芯航插装配成。不锈钢支撑柱上的对称位置竖直开设有沟槽，二个金属丝电极套装上素烧陶瓷管后，二个金属丝电极分别镶嵌在二个沟槽内。芯航插固定设置在不锈钢支撑柱的上端，两根金属丝电极分别与芯航插的对应接线端子连接，这保证了与电化学工作站接通的稳定性。不锈钢支撑柱上套装有聚四氟乙烯防油管体，聚四氟乙烯防油管体的底部密封套装有聚四氟乙烯防油罩，并在聚四氟乙烯防油管体上的中部套装上3/4”螺纹管以确保带压条件下的密封性。电热丝设置在素烧陶瓷管内后，装设在不锈钢支撑柱的内腔。
利用316L不锈钢半圆槽诱导结垢堵塞，然后通过测量陶瓷管内的金属丝电极的中频阻抗(10～100Hz)的变化来监测管内的结垢堵塞程度。随着水流的进入，通过阴极极化或者传热面温度差在金属端面诱导结垢，采用素烧陶瓷套管，可以使金属表面更容易结垢。
所述结垢监测控制器，包括壳体、电流放大器、功率放大器、主极化电路、二个正弦波发生器、二个电位电流信号采集器、通信接口、数据存储器、电源模块、实时时钟和MCU控制器，在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器和电流放大器相连。
MCU控制器指令信号输出端分别通过导线与第一正弦波发生器和第二正弦波发生器的信号输入端连接。第一正弦波发生器和第二正弦波发生器分别经电阻R1和电阻R2接主极化电路的负压输入端，同时经电阻RF返馈接于主极化电路的信号负压输入端，主极化电路的正压端接地。主极化电路的信号输出端接功率放大器的正压输入端，功率放大器的输出端接于在线结垢监测传感器的电极1，即WE1端子，同时WE1端子接第一数据采集器的信号输入端，第一数据采集器的信号输出端接MCU控制器的第一信号输入端。功率放大器的负压端接在线结垢监测传感器的电极2，即WE2，WE2接电流放大器的电压负输入端，电流放大器的电压正端接地，电流放大器的信号输出端接第二数据采集器的信号输入端，第二数据采集器的信号输出端接MCU控制器的第二信号输入端。MCU控制器为高性能8位、16位或32位单片机，由电源模块输出的3.0V～3.6V直流供电。
在线检测获得的信息数据存储在存储器中，也可通过通信接口传送到PC机或者无线收发器，实现腐蚀数据的远程监控。
传感器采用双电极WE1与WE2固定在不锈钢支撑柱内，且其外侧头有陶瓷环，WE1和WE2为直径0.1～1mm的不锈钢丝或者钛丝。
本发明相对现有腐蚀结垢监测方案具有如下优点：
1、基于交流阻抗技术显著提高了高频阻抗监测仪的抗电磁干扰和交流干扰能力，提高了测量结果的稳定性和重现性；
结垢监测探头采用环状对称双电极设计，双电极WE1与WE2固定在不锈钢支撑柱内，且其外侧头有陶瓷环，且分别通过单芯导线引出，最后焊接到防水接头，能止防水分渗入不锈钢支撑柱内。
2、中心壳体材料采用疏油疏水型聚四氟乙烯，防止了导电性腐蚀产物粘附导致的电极短路，以及油污粘附造成的腐蚀测量值的剧烈跳变。
3、采用电化学方法，具有实时在线监测的功效，防止管道结垢，及时调整阻垢剂的配方和浓度。
工作原理：
MCU控制器发出指令到二个正弦波发生器，由其产生不同频率的正弦波信号加载到主极化电路上，主极化电路输出的电压信号加载到功率放大器。功率放大器将正弦波信号加载到结垢监测传感器的电极一(WE1)，同时结垢监测传感器中的电极二(WE2)输出的电压信号反馈到主极化电路，用于维持结垢监测传感器的WE1与WE2之间的电压恒定。二个数据采集器的两个通道则分别对来自传感器的电压与电流信号进行同步采样，并将采样结果送入到MCU控制器，最后由MCU控制器对测量的电压与电流信号进行相关积分，计算出油田注水管道在设定正弦波频率下的阻抗值以及垢层电阻率。
附图说明
图1是本发明的结垢监测探头结构示意图。
图2是图一的下部局部剖视图。
图3是金属丝电极、不锈钢支撑柱、素烧陶瓷管、电热丝装配示意图。
图4是结垢监测控制器的电路原理示意图。
图5是双电极电化学等效电路图。式中Rct：电荷传递电阻，Rs：垢层电阻，Cdl：双电层电容。
具体实施方式
实施例一
一种油田注水管道在线结垢监测装置，包括结垢监测控制器和在线结垢监测传感器，其特征在于：
在线结垢监测传感器的信号输入、输出端分别通过两根电缆线与结垢监测控制器的功率放大器和电流放大器相连。具体是：
所述在线结垢监测传感器，包括一个结垢监测探头，结垢监测探头包括二个金属丝电极WE1和WE21、316不锈钢支撑柱2、素烧陶瓷管3、电热丝4、聚四氟乙烯防油罩6、聚四氟乙烯防油壳体7、6芯航插22。
316不锈钢支撑柱2的直径为20mm，316不锈钢2支撑柱外壁上的对称位置分别纵向开设有沟槽，金属丝电极1和金属丝电极21分别装设在素烧陶瓷管3内，并分别镶嵌在二个纵向开设有沟槽内，金属丝电极的直径为0.8mm。6芯航插封装固定在316不锈钢支撑柱2的上端。聚四氟乙烯防油壳体7套装在316不锈钢2上，过盈配合。在316不锈钢支撑柱2的内腔装设有电加热器，电加热器由装设在素烧陶瓷管内的电热丝构成。
所述结垢监测控制器，包括壳体、电流放大器18、功率放大器17、主极化电路16、第一正弦波发生器15、第二正弦波发生器19、第一电位电流信号采集器14、第二电位电流信号采集器20、通信接口13、数据存储器12、电源模块11、实时时钟10和MCU控制器9，在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器17和电流放大器18相连。
MCU控制器9指令信号输出端分别通过导线与第一正弦波发生器15和第二正弦波发生器19信号输入端连接。第一正弦波发生器15和第二正弦波发生器19信号输出端分别经电阻R1和电阻R2接主极化电路16的负压输入端，同时经电阻RF返馈接于主极化电路16的信号负压输入端，主极化电路16的正压端接地。主极化电路16的信号输出端接功率放大器17的正压输入端，功率放大器17的输出端接于在线结垢监测传感器的电极1，即WE1端子，同时WE1端子接第一电位电流信号采集器14的信号输入端，第一电位电流信号采集器14的信号输出端接MCU控制器9的第一信号输入端。功率放大器17的负压端接在线结垢监测传感器的电极2，即WE2。在线结垢监测传感器的电极2，即WE2接电流放大器18的电压负输入端，电流放大器18的电压正端接地，电流放大器18的信号输出端接第二数据采集器20的信号输入端，第二数据采集器20的信号输出端接MCU控制器9的第二信号输入端。MCU控制器9为高性能8位、16位或32位单片机，由电源模块11输出的3.0V～3.6V直流供电。
上述对称设置的金属双电极是确保垢层能在金属丝或者金属板表面持续生产的关键，再测量电极表面高频阻抗钱，先对两个工作电极进行阴极极化，通过恒电位极化电路给两个WE1和WE2电极施加-100mV～-400mV的阴极极化过电位，促进电极表面碱化，从而诱导电极表面发生垢层沉积。然后启动高频阻抗测试，将一定频率的正弦波电位信号加载到两个工作电极WE1和WE2之间，并测量器同步响应电流信号，然后通过相应的积分算法(见公式1-12)计算结垢层的电阻与电容值。
本发明中的水质结垢监测装置采用交流阻抗原理进行结垢层阻抗的计算，其计算是根据相关分析算法原理推导而来。
设：被测电压中V(t)信号为：
V(t)＝V0sin(ωt+θ1) (1)
被测电流信号I(t)为：
I(t)＝I0Rcsin(ωt+θ2) (2)
其中t为时间，V0,I0为交流电压与交流电流信号幅值，Rc为取样电阻，ω＝2πf，f为信号频率，θ1和θ2分别为电压与电流信号的相位角。
将式(1)、(2)展开，得：
V(t)＝asinωt+bcosωt (3)
I(t)＝csinωt+dcosωt (4)
其中a＝V0cosθ1，b＝V0sinθ1，c＝I0Rccosθ2，d＝I0Rcsinθ2。
将式(3),(4)两端都乘以同频率的参考信号cosωt后，进行积分得：
式中t为任意值，T为信号周期。由三角函数定理可推得：
同理可得：
设N＝T/ΔT,将式(6)、(7)进行离散化可得：
可以得到电压的幅值为：
同理可得到采样电流量的幅值为：
可推得最后测量结果,电阻R为：
当ω较大(>1000Hz)时，计算的R值为垢层电阻Rs。
通过Rs的大小即可判断垢层在电极表面的生长状态，如果垢层致密，则Rs较大，Cs较小，如果表面不发生结垢。
实施例二
实施例二所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置与实施例一在结构上基本相同，其不同之处在于：在线结垢监测传感的聚四氟乙烯防油壳体7的中部依次套装有螺纹面管5和3/4”螺纹管8。
实施例三
实施例三所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置在结构上与实施例二基本相同，其不同之处在于：在线结垢监测传感的聚四氟乙烯防油壳体7的底部密封套装有聚四氟乙烯防油罩6。
本发明并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种油田注水管道在线结垢监测装置，包括结垢监测控制器和在线结垢监测传感器，其特征在于：
在线结垢监测传感器的信号输入、输出端分别通过两根电缆线与结垢监测控制器的功率放大器和电流放大器相连。
2.根据权利要求1所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
在线结垢监测传感器，包括一个结垢监测探头，结垢监测探头包括第一金属丝电极（1）、第一金属丝电极（21）、不锈钢支撑柱（2）、素烧陶瓷管（3）、电热丝（4）、螺纹面管（5）、聚四氟乙烯防油罩（6）、聚四氟乙烯防油壳体（7）、3/4螺纹管（8）、6芯航插（9）；
不锈钢支撑柱（2）外壁上的对称位置分别纵向开设有沟槽，金属丝电极(1)和金属丝电极（21）分别装设在素烧陶瓷管(3)内，并分别镶嵌在二个纵向开设有沟槽内，(6)芯航插封装固定在不锈钢支撑柱(2)的上端；聚四氟乙烯防油壳体(7)套装在不锈钢支撑柱(2)上，过盈配合；聚四氟乙烯防油壳体(7)的中部依次套装有螺纹面管(5)和3/4螺纹管(8)；聚四氟乙烯防油壳体(7)的底部密封套装有聚四氟乙烯防油罩(6)；不锈钢支撑柱(2)的内腔装设有电加热器。
3.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述结垢监测控制器，包括壳体、电流放大器(18)、功率放大器(17)、主极化电路(16)、第一正弦波发生器(15)、第二正弦波发生器(19)、第一电位电流信号采集器(14)、第二电位电流信号采集器(20)、通信接口(13)、数据存储器(12)、电源模块(11)、实时时钟(10)和MCU控制器(9)，在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器(17)和电流放大器(17)相连；
MCU控制器(9)指令信号输出端分别通过导线与第一正弦波发生器(15)和第二正弦波发生器(19)信号输入端连接；第一正弦波发生器(15)和第二正弦波发生器(19)信号输出端分别经电阻R1和电阻R2接主极化电路(16)的负压输入端，同时经电阻RF返馈接于主极化电路(16)的信号负压输入端，主极化电路(16)的正压端接地；主极化电路(16)的信号输出端接功率放大器(17)的正压输入端，功率放大器(17)的输出端接于在线结垢监测传感器的电极(1)，即WE1端子，同时WE1端子接第一数据采集器(14)的信号输入端，第一数据采集器(14)的信号输出端接MCU控制器(9)的第一信号输入端；功率放大器(17)的负压端接在线结垢监测传感器的电极(2)，即WE2；在线结垢监测传感器的电极(2)，即WE2接电流放大器(18)的电压负输入端，电流放大器(18)的电压正端接地，电流放大器(18)的信号输出端接第二数据采集器(20)的信号输入端，第二数据采集器(20)的信号输出端接MCU控制器(9)的第二信号输入端；MCU控制器(9)由电源模块(11)供电。
4.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述不锈钢支撑柱(2)为316不锈钢支撑柱。
5.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述MCU控制器(9)为高性能8位、16位或32位单片机。
6.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述不锈钢支撑柱(2)的直径为20 mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述金属丝电极的直径0.1--1mm。
8.根据权利要求1或2所述的一种油田注水管道在线结垢监测装置，其特征在于：
所述电加热器由装设在素烧陶瓷管内的电热丝构成。
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