在內部流體介質沖刷與腐蝕作用下，油氣井口裝置易出現腐蝕減薄缺陷，形成潛在的泄漏風險。干耦合壓電傳感方法因具有高穩定性和高可靠性，可應用于井口裝置腐蝕在線監測與評價中。實際作業過程中，流體介質狀態與環境溫度變化會導致被測井口裝置工作溫度發生變化，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。壓裂作業中，井口裝置及注入管線內壁會因承受高速壓裂液中固體顆粒的沖蝕而出現損傷，形成安全隱患。因此，為保證安全生產，需要對井口裝置腐蝕狀況進行監測。

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程、在線、持續、高精度監測，以代替人工定期檢測。

與長輸管道不同，壓裂結構裝置由各種三通、彎頭等連接結構組成，井口裝置空間狹窄，結構復雜。監測方法需適應變形、變徑、狹窄空間等測量與安裝要求；工作過程中因內部輸送高壓液體，整個裝置會發生幅度較大的高頻振動，對傳感器工作的穩定性帶來巨大挑戰。

因此，光纖、導波、場指紋法、聲發射、腐蝕掛片等方法均難以應用于井口裝置腐蝕情況的實時在線監測和預警。

在實際使用過程中，井口裝置一般工作在野外，而在新疆地區等晝夜與季節溫差變化劇烈的環境下，井口裝置溫度會發生劇烈變化；同時，內部流體介質的溫度、流速、摩擦作用也會導致管道溫度發生變化，進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測與評價結果不同，降低腐蝕監測精度。因此，新疆油田分公司實驗檢測研究院和四川大學機械工程學院的技術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律，在此基礎上構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測精度。

01 井口裝置干耦合壓電傳感腐蝕監測方法

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

圖1 壓裂井口裝置腐蝕在線監測系統整體框架

布置于壓裂井口裝置不同腐蝕監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場監測主機內。現場監測主機內包含電源管理模塊、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。根據防爆以及野外電源供電限制工況，設備通過防爆鉛蓄電池供電。腐蝕監測信號在主機內完成處理，然后根據現場網絡條件通過有線或者無線網絡傳輸至云平臺進行存儲與分析。

腐蝕監測系統為BS(瀏覽器/服務器)架構，用戶可在客戶端通過網絡方式對云平臺數據進行查看、調用與操作。軟件可顯示不同監測點的腐蝕實時數據與變化曲線，并可通過設置不同閾值進行預警。

干耦合壓電傳感腐蝕監測方法的核心是干耦合劑。受高低溫變化以及抖動等影響，傳統的液態耦合劑在長期監測過程中容易揮發和流失，無法長期穩定工作。為此，針對液態耦合劑不穩定的問題，開發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，輔以交聯劑、填料、增塑劑、偶聯劑、催化劑等混合而成，在常溫下通過與空氣中的水蒸氣發生反應，從而達到固化的效果。該干耦合劑材料具備安裝施工前為糊狀半液態，施工后轉化成固態的特點，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。經試驗對比，干耦合劑與傳統耦合劑甘油的耦合效果相當。

實際安裝時，首先對管道表面進行處理，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，以保證長期穩定的耦合效果。

02 溫度變化對干耦合壓電監測精度的影響

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測精度的影響規律研究。

圖3 試驗平臺實物

搭建的試驗平臺由標準試塊、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，標準厚度為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律，為溫度補償奠定基礎，進行了不同溫度下的鋼材聲速測量試驗，采用5 MHz單晶探頭進行測量，利用回波-回波模式，消除耦合劑耦合狀態變化對測量結果的影響。

將測厚儀中的聲速設定為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。

根據井口裝置的實際溫度工況，測試溫度設定為-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，可構建如下式所示的聲速-溫度關系：

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前溫度T，根據式(2)計算獲得當前溫度下的準確聲速，最后實現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

當壓裂井口裝置溫度發生變化時，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。

試驗發現，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律，每次測量時調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果可以看出，當溫度從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

進一步分析利用不同厚度干耦合材料進行耦合時，在不同溫度下測量的鋼板厚度變化規律，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據變化約為0.1 mm。

上述結論在采用始波-回波測量模式進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 現場試驗

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

圖7 井口裝置腐蝕監測現場

腐蝕監測傳感器布置在直角彎和三通等易發生腐蝕的位置，利用回波-回波方式對管道壁厚進行測量，并利用鉑熱敏電阻吸附在管道表面進行測溫。測厚數據與溫度數據經4G無線網絡傳輸至云平臺進行處理，并按照式(2)對測量壁厚進行校準。

某井口裝置壁厚監測曲線如圖8所示。經過周期為1年的持續測試，進行溫度補償后，該變化溫度條件下的井口裝置腐蝕在線監測方法測量精度較高，穩定性較好，可消除溫度對壁厚測量結果的影響。

圖8 某井口裝置壁厚監測曲線

04 結論

1 井口裝置溫度變化會影響鋼材料中的聲速，造成測量值產生偏差。因此，需要布置溫度傳感器測量監測點位的溫度，進一步對監測結果進行聲速校準與厚度補償。

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，檢測時需要根據溫度變化調整增益，進而達到最佳的測量效果。