一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置的制作方法

本实用新型属于油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测技术领域，尤其涉及一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置。

背景技术：

油水井管柱井下腐蚀损伤将严重降低管柱的结构强度、承受能力和可靠性，缩短管柱的使用寿命，增大运行风险，威胁油水井安全。油水井管柱井下腐蚀以外壁腐蚀为主,阴极保护是公认的控制外部腐蚀行之有效的技术，合理的阴极保护设计将有效地延长油水井管柱井下使用寿命。阴极保护是最为经济合理、十分有效的技术措施。阴极保护是一项安全成熟的防腐技术，它具有保护能力强、施工简便且投资较少，且保护效果好的特点。目前阴极保护设备都放在地面上，距离保护油水井井下管柱远，占地面积大，设备重，需建专门的配电房，成本高，运行效率低，同时不能监测油水井井下管柱腐蚀情况，常规的阴极保护已经不能满足现场需求。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，目的之一在于提供一种耗电量小，保护距离长、效果好、初期投入费用低的油水井管柱保护与检测的装置及方法；目的之二在于提供一种可靠性、稳定性和准确性的油水井管柱保护与检测的装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，包括

壳体；

井下阴极保护模块，井下阴极保护模块连接在壳体内，用于给油水井管柱提供阴极保护电流；

井下腐蚀在线检测模块，井下腐蚀在线检测模块连接在壳体内，用于在线监测管柱腐蚀速率；

地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块，地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块与井下阴极保护模块、井下腐蚀在线检测模块电信号连接。

所述的井下阴极保护模块包括交流供电电源单元、直流供电电源单元、可充电电池单元、可调电压单元、阴极保护电压监测单元和阴极保护电流监测单元；所述交流供电电源单元电连接直流供电电源单元，直流供电电源单元电连接可调电压单元和可充电电池单元，可充电电池单元负极和油水井井下管柱连接，阴极保护电压监测单元、阴极保护电流监测单元与地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块电连接。

所述的交流供电电源单元采用的是ac220v交流供电电源、所述的直流供电电源单元采用的是dc30v直流供电电源、所述的可充电电池单元采用的是24v可充电电池、可调电压单元采用的是0～24v可调电压；所述的直流供电电源单元采用的是可调式脉宽调制直流电源。

所述的可调电压单元采用的脉宽调制电子直流分压器；脉宽调制电子直流分压器包括单片机、场效应管、显示电压器、电流控制输出大小触摸屏和外接电位器组成；所述单片机与显示电压器、电流控制输出大小触摸屏电连接，单片机输出端和大功率场效应管驱动输入端电连接，单片机产生pwm脉宽端和外接电位器电连接，场效应管源极端和直流供电电源电正极电连接，场效应管漏极端和地面阳极井电连接。

所述的壳体两端开有螺纹。

所述的井下腐蚀在线检测模块包括传感器与探头一体化单元、防腐监测数据采集器单元；所述传感器与探头一体化单元连接在井下管柱外壁上并与防腐监测数据采集器单元电信号连接，防腐监测数据采集器单元与地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块电线连接。

所述的传感器与探头一体化单元采用的是传感器与电阻探针一体化设计的电阻探针传感器；所述电阻探针传感器是一个装有金属试片的探头。

所述的地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块包括plc控制器和人机界面触摸屏；plc控制器与井下阴极保护模块和井下在线腐蚀监测模块电信号连接。

有益效果：

(1)本实用新型通过将油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测两者组合安装在一起，方便地安装在油水井管柱井下管泵和气锚之间，管柱阴极保护就地阴极保护方法独特，耗电量小，保护距离长效果好，初期投入费用低等特点。

(2)本实用新型通过井下在线监测油水井井下管柱腐蚀状况和速率，腐蚀监测速率精度高，可预测油水井管柱的安全使用寿命，为油水井管柱的内外防护技术研究提供了可靠的方法，指导油水井管柱采用强制外加电流阴极保护达到最佳效果，使油水井管柱腐蚀得到有效控制，避免管柱可能发生因腐蚀泄漏的隐患。

(3)本实用新型建立了油水井管柱腐蚀在线监测体系，为油水井管柱的更换、维修及维护提供了科学依据。

(4)本实用新型确保了油水井管柱安全、高效、平稳运行且环保，对保障油田可持续开发具有重要意义。

(5)本实用新型安装方便，且保障了油水井管柱阴极保护和腐蚀效果监测系统的可靠性、稳定性和准确性。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型在井下管柱中安装位置示意图；

图2是本实用新型工作原理示意图。

图中：1-油补距；2-油管；3-管泵；4-内部连接有油水井管柱井下阴极保护模块和腐蚀在线监测模块的壳体；5-气锚；6-导锥；7-油层顶；8-油层底；9-人工井底。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

根据图1-2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，包括

壳体；

井下阴极保护模块，井下阴极保护模块连接在壳体内，用于给油水井管柱提供阴极保护电流；

井下腐蚀在线检测模块，井下腐蚀在线检测模块连接在壳体内，用于在线监测管柱腐蚀速率；

地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块，地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块与井下阴极保护模块、井下腐蚀在线检测模块电信号连接。

在实际使用时，将井下阴极保护模块和井下腐蚀在线检测模块连接在壳体内，并安装在直径为73mm，长度为800mm管柱里，两头进行密封，管柱耐压等级为25mpa。使管柱中从上至下的设置为：油补距1、油管2、管泵3、内部连接有油水井管柱井下阴极保护模块和腐蚀在线监测模块的壳体4、气锚5、导锥6、油层顶7、油层底8、人工井底9。

井下阴极保护模块用于给油水井井下管柱提供合理的阴极保护电流,使油水井管柱井下长期得到保护不被发生腐蚀；井下腐蚀在线监测模块，用于在线监测管柱腐蚀速率。地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块与井下阴极保护模块、井下在线腐蚀监测模块电连接，用于在线监控油水井管柱阴极保护电流值、电位值和管柱腐蚀速率数据，便于查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井管柱井下达到最佳阴极保护状态。本实用新型有效延长了油水井管柱腐蚀穿孔年限，保障了油水井正常生产。

实施例二：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的井下阴极保护模块包括交流供电电源单元、直流供电电源单元、可充电电池单元、可调电压单元、阴极保护电压监测单元和阴极保护电流监测单元；所述交流供电电源单元电连接直流供电电源单元，直流供电电源单元电连接可调电压单元和可充电电池单元，可充电电池单元负极和油水井井下管柱连接，阴极保护电压监测单元、阴极保护电流监测单元与地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块电连接。

在实际使用时，本技术方案能够保证井下相关数据的获取和传输过程能够稳定、安全、高效的进行。

实施例三：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的交流供电电源单元采用的是ac220v交流供电电源、所述的直流供电电源单元采用的是dc30v直流供电电源、所述的可充电电池单元采用的是24v可充电电池、可调电压单元采用的是0～24v可调电压；所述的直流供电电源单元采用的是可调式脉宽调制直流电源。

在实际使用时，所述的交流供电电源单元通入220v交流电压，经过直流供电电源变成直流30v，一方面给可充电电池24v供电，另一方面给可调直流装置供电输出0～24v给阳极井供电，通过地面阴极保护电压监测单元和阴极保护电流监测单元监测出电压、电流，送入地面阴极保护监测和腐蚀监测单元，用于阴极保护电压、电流显示和控制。

实施例四：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的可调电压单元采用的脉宽调制电子直流分压器；脉宽调制电子直流分压器包括单片机、场效应管、显示电压器、电流控制输出大小触摸屏和外接电位器组成；所述单片机与显示电压器、电流控制输出大小触摸屏电连接，单片机输出端和大功率场效应管驱动输入端电连接，单片机产生pwm脉宽端和外接电位器电连接，场效应管源极端和直流供电电源电正极电连接，场效应管漏极端和地面阳极井电连接。

在实际使用时，通过外接电位器调节，可以改变电流和电压采样信号，达到改变单片机输出pwm脉宽，从而可以改变功率场效应管极基漏电流导通角大小。由于场效应管是电压控制器件，调整功率场效应管极基漏电流导通角大小，可以改变大功率效应管源极和漏极间电压大小值，从而改变输出电压值，该变电压大小调节的方式为pwm脉宽调节方式。直流供电电源单元采用的是可调式脉宽调制直流电源的技术方案，使得本实用新型的调压范围宽，精度高，效率高且本身消耗功率小。

本实施例中场效应管采用的是功率为2000w-3000w场效应管。场效应管源极端和直流供电电源电正极电连接，漏极端和地面阳极井电连接，控制基极和单片机的输出端脉冲电连接。

本实施例中单片机采用的型号为80c196kc、场效应管采用的型号为nmos96c、显示电压器采用的型号为mc12、外接电位器采用的型号为wrj-10k组成，显示电压器采用的型号为mc12、触摸屏采用的型号为cmp-2。

实施例五：

根据图1所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的壳体两端开有螺纹。

在实际使用时，壳体两端开有螺纹，使得本实用新型与管泵3、气锚5的连接和拆卸便利。

实施例六：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的井下腐蚀在线检测模块包括传感器与探头一体化单元、防腐监测数据采集器单元；所述传感器与探头一体化单元连接在井下管柱外壁上并与防腐监测数据采集器单元电信号连接，防腐监测数据采集器单元与地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块电线连接。

优选的是所述的传感器与探头一体化单元采用的是传感器与电阻探针一体化设计的电阻探针传感器；所述电阻探针传感器是一个装有金属试片的探头。

在实际使用时，井下传感器与探头一体化单元，用于电阻探针测量腐蚀速率；传感器与探头一体化单元将采集的腐蚀信号送到在线腐监测数据采集器单元，经过处理变成标准rs485信号后，送入地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块进行腐蚀显示和监测。本技术方案较好的实现了其探测及数据传输的功能。

电阻探针传感器是一个装有金属试片的探头，在腐蚀介质中，金属试片的横截面积因腐蚀而减小，从而电阻增大，通过周期性地测量其电阻，便可计算出该段时间的总腐蚀量以及腐蚀速率。该法优于挂片法之处在于，电阻探针传感器能够对瞬时腐蚀速率进行监测与记录。

本实施例中防腐监测数据采集器单元采用的型号为cq-fj。

实施例七：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的井下腐蚀在线检测模块包括传感器与探头一体化单元、防腐监测数据采集器单元；传感器与探头一体化单元与防腐监测数据采集器单元电信号连接，防腐监测数据采集器单元与远程控制模块电线连接。

优选的是所述的传感器与探头一体化单元采用的是传感器与电阻探针一体化设计的电阻探针传感器。

在实际使用时，传感器与探头一体化单元电连接防腐监测数据采集器单元，感器与探头一体化单元将采集的腐蚀信号送到腐监测数据采集器单元，经过处理变成标准rs485信号后，送入地面送入地面阴极保护监测和腐蚀监测单元进行腐蚀显示和监测，较好的实现了其功能。

实施例八：

根据图2所示的一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置，与实施例一不同之处在于：所述的地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块包括plc控制器和人机界面触摸屏；plc控制器与井下阴极保护模块和井下在线腐蚀监测模块电信号连接。

在实际使用时，远程控制模块实时监测管柱阴极保护电压、电流和腐蚀腐蚀速率，查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井管柱井下阴极保护达到最佳阴极保护状态，延长油水井管柱腐蚀穿孔年限，保障油水井正常生产。

实施例九：

一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测方法，包括如下步骤：

步骤一：配置地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块

步骤二：安装井下腐蚀在线检测模块和井下阴极保护模块

将油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置连接在外径为73mm，长度为800mm管柱中的管泵3和气锚5之间，在装有油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测装置的管柱一侧打一个ф8mmm孔，把电阻探针传感器插入孔中，用密封胶封好，并将传感器通过静电跨接导线与油水井管柱本体接地；

步骤三：进行井下腐蚀在线检测模块和阴极保护模块调试

当步骤二完成后，通电，然后进行井下阴极保护模块和在线腐蚀监测模块调试，井下阴极保护模块和在线腐蚀监测模块将阴极保护电压数值、电流数值和腐蚀速率数据，上传到地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块，进行分析处理和显示；

步骤四：地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块巡检

开启地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块，接收步骤三传输的管柱井下阴极保护电压、电流和腐蚀速率数据，通过地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块，对接受的数据进行腐蚀速率及腐蚀状况计算，并根据获取的位置数据进行分析、处理，来判断管柱腐蚀层的老化状态。

在实际使用时，本实用新型通过配置地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块、安装井下腐蚀在线检测模块和井下阴极保护模块、进行进行井下腐蚀在线检测模块和阴极保护模块调试及地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块巡检四个步骤，方便地降本实用新型安装在油水井管柱中管泵3和气锚5之间，井下不间断给油水井管柱提供合理的阴极保护电流,保护距离长效果好，使油水井管柱长期得到保护不被发生腐蚀；同时井下能在线监测管柱腐蚀速率数据，测量响应速度快，精度高。地面远程控制模块，能够在线监控油水井管柱阴极保护电流、电位和管柱腐蚀速率数据，便于查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井管柱达到最佳阴极保护状态，延长油水井管柱腐蚀穿孔年限，保障油水井正常生产。

实施例十：

一种油水井管柱井下阴极保护和腐蚀在线监测方法，所述的步骤四中的油水井管柱腐蚀速率及腐蚀深度计算并对油水井管柱井下腐蚀层老化定位是采用如下方法得到；

根据电阻探针传感器的状况，采用如下公式计算得到油水井管柱腐蚀速率：

电阻探针传感器中金属试片腐蚀深度h为：

h＝r0*{1.0-[1.0-(rt-ro)/rt]^1/2}，

式中：r0-为金属试片原始半径；

r0-为腐蚀前电阻值；

rt-为腐蚀后电阻值；

金属试片腐蚀率计算公式：

v＝8760*(h2-h1)/(t2-t1)

式中：t2-t1为两次测量时间间隔，

h2-h1为两次测量的腐蚀深度的差值，

金属试片腐蚀率即为油水井管柱腐蚀速率；

所述油水井管柱腐蚀层定位通过如下方法得到：

油水井管柱平均厚度：tt＝(b1t1-b2t2)/bt

其中：tt-管柱平均厚度；

bt-管柱中平均磁感应强度；

t1-腐蚀前管柱厚度；

b1-腐蚀前平均磁感应强度；

t2-腐蚀后管柱厚度；

b1-腐蚀后平均磁感应强度；

当管柱平均厚度和原管柱厚度差值小于1/10，判断为油水井管柱腐蚀不严重，当管柱平均厚度和原管柱厚度差值1/5～1/10，判断为油水井管柱腐蚀比较严重；当管柱平均厚度和原管柱厚度差值大于1/5，判断为油水井管柱腐蚀十分严重。

金属试片腐蚀率即为油水井管柱腐蚀速率，有效的反应了油水井管柱腐蚀的快慢程度。

实施例十一：

如图1所示，本实施例提供本实用新型的安装方法。在新油水井投产或修井时，将内部连接有阴极保护模块和腐蚀在线监测模块的壳体，安装在管泵3和气锚5之间。阴极保护装置就地不间断给油水井管柱井下提供合理的阴极保护电流,保护距离长效果好，使油水井管柱长期得到保护不被发生腐蚀；就地监测管柱腐蚀速率数据，测量响应速度快，精度高。地面管柱阴极保护和腐蚀速率在线监测单元，能够在线监控油水井管柱井下阴极保护电流、电位和管柱腐蚀速率数据，查找腐蚀因素，调整阴极保护参数，使油水井井下管柱达到最佳阴极保护状态，延长油水井井下管柱腐蚀穿孔年限，保障油水井正常生产。

油水井进行管柱阴极保护和腐蚀在线监测方法包括如下步骤：

1)进行地面管柱阴极保护电压、电流和腐蚀在线监测单元配置地面管柱阴极保护和腐蚀在线监测单元主要由plc控制器，人机界面触摸屏等组成。能实时监测管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率情况，进行管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率数据显示、存储及报告、数据计算、事故追忆、事件顺序记录和参数预警等功能，为油水井管柱井下的长期稳定运行提供技术支持。

2)安装油水井管柱井下阴极保护装置和腐蚀在线监测装置

将外型为直径为73mm，长度为800mm管柱的阴极保护装置和腐蚀在线监测装置安装在油水井管柱井下管泵和气锚之间，在装有阴极保护装置和腐蚀在线监测装置管柱一侧打一个ф8mm孔，把在线电阻探针传感器插入中，用密封胶封好，本实施例的密封胶采用的是环氧树脂。为保证测试结果的稳定性和可靠性，电阻探针传感器必须通过静电跨接导线与油水井管柱本体接地。

3)进行油水井井下管柱腐蚀在线监测装置调试

将腐蚀数据通过无线方法上传到地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块中，进行油水井井下管柱腐蚀监测调试，电阻探针传感器的测量精度最小可达30nm,能够在几分钟或几小时内测量油水井管柱井下金属的腐蚀速率,并对油水井管柱井下金属腐蚀速率的变化做出快速反应。

4)进行油水井管柱井下阴极保护装置调试

根据油水井管柱井下保护电流要求，阴极保护电流为4a～5a，调整可调电压0～24v单元，保证管柱的最小保护电位至少为-0.85伏，可达到使金属停止腐蚀；在有硫酸盐还原菌参与腐蚀的环境中，硫酸根含量大于0.5％时，阴极极化电位应达到-0.95v或更负。通过地面阴极保护电流和电压监测单元，经过有线传入地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块中，进行分析处理。

5)地面阴极保护监测和在线腐蚀监测模块巡检开始工作

开启地面管柱阴极保护和腐蚀在线监测单元工作，通过阴极保护和腐蚀在线监测单元可以监测出井下管柱阴极保护电压、电流和腐蚀速率，通过腐蚀速率能够进行油水井管柱井下腐蚀计算和分析，进行油水井管柱井下腐蚀层定位，评估腐蚀层的老化状态，判识管柱运行参数，在线参数预警等。阴极保护和腐蚀在线监测单元具有油水井管柱井下检测腐蚀点结果快速，监测数据准确，无人值守等特点。有效防范管柱泄漏风险，避免了油水井管柱可能发生因腐蚀泄漏的隐患，使油水井管柱腐蚀得到有效控制，延长油水井管柱的服役年限，确保了油水井管柱安全生产运行，为探寻腐蚀原因制定防护措施提供科学依据，评估油水井管柱强制外加电流阴极保护效果，实现了控制油水井管柱的腐蚀进程，延长了油水井管柱的服役年限，提高了油水井管柱腐蚀与防护评价及运行管理水平。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。