一种深井井筒管柱腐蚀监测装置及多级中继传输方法与流程

本发明涉及石油完井生产的配套装置，更具体地说涉及一种深井井筒管柱腐蚀监测装置及多级中继传输方法。

背景技术：

1、随着油气开采向深层、超深层领域拓展，深井、超深井已成为我国油气增产的主力井型。井筒管柱（包括生产管柱、套管）是井下油气通道与井筒完整性屏障的核心组成部分，长期处于高温、高压、高含腐蚀性介质的复杂井下环境中，极易发生管壁腐蚀减薄、穿孔、开裂等失效问题，轻则导致油气井减产、停产，重则引发井筒泄漏、井喷等重大安全环保事故，造成巨大的经济损失与安全风险。因此，对井筒管柱的腐蚀状态进行长期、精准、连续的监测，是保障油气井安全高效开采的关键环节。

2、目前，井下管柱腐蚀监测技术主要分为定期动管柱测井监测与固定式井下腐蚀监测两大类。定期测井技术需在油气井停产状态下下入专用仪器完成检测，存在作业成本高、施工周期长、无法实现连续监测的缺陷；而现有固定式腐蚀监测装置及配套方法，在实际工程应用中仍存在诸多技术局限，相关现有专利技术如下：

3、现有中国专利文献cn202511306409.0公开了一种封存井中的注入管柱腐蚀监测方法，其通过在注入管柱表面设置带同材质腐蚀测试区的监测壳，通过监测壳内气体压力变化判定腐蚀穿孔情况。但该方案在实施过程中仍存在以下缺陷：其一，监测原理为压力突变监测，仅能在腐蚀发生穿孔后实现失效预警，无法对管柱壁厚减薄过程、实时腐蚀速率进行定量监测，预警严重滞后，无法满足井筒完整性提前管控的需求；其二，仅能针对注入管柱本体进行腐蚀监测，无法实现对同井段套管腐蚀状态的同步等效监测，监测维度单一；其三，未配套适配深井场景的井下数据传输方案，无法实现监测数据的实时远程上传，难以满足全井段分布式监测的应用需求。

4、现有中国专利文献cn110836950b公开了一种腐蚀监测装置及用于注水井腐蚀监测的管柱，其通过投捞式监测芯子配合固定件实现腐蚀监测，监测芯子上设置有与井下流体接触的腐蚀监测件。但该方案在实施过程中仍存在以下缺陷：其一，采用投捞式间断监测模式，必须在停产状态下通过井下作业完成监测芯子的投放与打捞，无法实现管柱腐蚀状态的长期连续在线监测，难以及时发现突发腐蚀风险；其二，监测件仅能通过与流体接触实现间接腐蚀监测，无法对生产管柱本体的壁厚进行直接、精准的定量检测，监测精度低，无法真实反映管柱本体的剩余强度；其三，无配套的井下数据传输与中继机制，必须打捞监测芯子才能获取历史监测数据，数据时效性极差，无法完全满足生产井常态化腐蚀管控的需求。

5、现有中国专利文献cn202411576774.9公开了一种高温高压井筒管柱腐蚀监测系统及监测方法，其采用电阻探针与补偿试片配合的方式，通过电阻变化换算管柱腐蚀速率。但该方案在实施过程中仍存在以下缺陷：其一，采用电阻法间接监测腐蚀，监测结果受井下高温、高矿化度流体等环境因素干扰极大，监测精度与稳定性远低于超声波直接测厚技术，无法精准反映管柱壁厚的真实变化；其二，未针对深井长距离传输场景设计配套的多级中继传输方案，无法解决深井环境下无线信号衰减快、传输距离受限的核心问题；其三，无系统化的低功耗控制设计，装置长期井下服役的续航能力不足，无法满足3-5年以上的免维护监测需求；其四，仅能实现对管柱本体的腐蚀监测，无法覆盖套管的腐蚀状态监测，难以实现全井筒完整性的全面评估。

6、综上，现有井筒管柱腐蚀监测及配套传输技术，无法同时兼顾监测全面性、检测精准性、传输可靠性、低功耗长续航、安装适配性的核心工程需求，难以满足深井、超深井油气开采中，井筒管柱长期腐蚀监测的现场应用需求，亟需研发一种全新的井筒管柱腐蚀监测方案，解决现有技术的诸多缺陷。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种深井井筒管柱腐蚀监测装置及多级中继传输方法。

2、一种深井井筒管柱腐蚀监测装置，包括：沿生产管柱轴向设置的多个监测单节，监测单节的外壳内侧与生产管柱外侧间形成密封空腔，外壳在密封空腔对应的位置上设置有检测口，检测口上设有腐蚀检测盖板对检测口进行密封，密封空腔中设有第一超声波测厚头和第二超声波测厚头，第一超声波测厚头、第二超声波测厚头分别与生产管柱和腐蚀检测盖板配合设置。

3、外壳包括：上壳体和下壳体，上壳体内设有上行天线，下壳体内设有下行天线，密封空腔中的控制模块和电池组，上行天线、下行天线、第一超声波测厚头和第二超声波测厚头分别与控制模块和电池组电路连接，控制模块内设置有定时唤醒单元和中继通信单元。

4、上行天线的信号辐射端朝向井口方向，下行天线的信号辐射端朝向井底方向，上行天线和下行天线与对应壳体之间均设有绝缘隔离层。

5、上壳体与下壳体螺纹连接，下壳体内壁与生产管柱外壁间形成密封空腔。

6、密封空腔为环形空腔。

7、腐蚀检测盖板采用与监测单节所在井深处生产管柱相同的材质与壁厚制成，腐蚀检测盖板通过螺栓与外壳固定连接，螺栓上设置有垫片，垫片设置在腐蚀检测盖板和外壳之间。

8、螺栓和垫片均采用聚醚醚酮材质。

9、一种深井井筒管柱腐蚀监测装置的多级中继传输方法，具体步骤包括：

10、s1、将多个监测单节沿生产管柱由井底至井口依次等间距布设，布设完成后形成链式多级中继拓扑结构；依据各监测单节沿生产管柱的布设先后顺序进行编号，分别划分为井底末级节点、中间中继节点和井口节点；

11、s2、全部监测单节常态下保持深度休眠状态，依靠设置于控制模块内部的定时唤醒单元，按照预先设定的固定周期，同步唤醒井筒内部所有监测单节；

12、s3、全部监测单节完成同步唤醒操作后，每一个监测单节通过第一超声波测厚头采集生产管柱的壁厚检测数据，同时通过第二超声波测厚头采集腐蚀检测盖板的壁厚检测数据；各监测单节对采集得到的两类壁厚原始检测数据依次进行温度补偿和数字滤波预处理，再添加节点地址标识与循环冗余校验码，完成数据编码与数据包封装；

13、s4、以井底末级节点作为数据传输起始端启动数据上传流程；各个中间中继节点依靠下行天线接收下位监测单节发送的封装完成的数据包，再依靠上行天线将自身采集的壁厚检测数据包与下级节点传输的数据包合并后，向上位监测单节完成数据包转发；经由逐级接力转发后，井筒全井段全部监测单节采集的腐蚀相关壁厚检测数据统一汇聚至井口节点；

14、s5、井口节点将汇聚完成的全井段腐蚀壁厚检测数据无线传输至地面监控系统；地面监控系统完整接收全部数据后，井口节点向井筒内所有监测单节下发休眠指令，全部监测单节同步切换至深度休眠状态，持续保持休眠直至抵达下一次预先设定的唤醒周期。

15、s2中，预设固定周期为180天，单次唤醒后采集与传输的总工作时长≤10秒。

16、s4中，若某一中间中继节点出现通信故障，其相邻的下级节点自动调整发射参数，向跨一级的上级节点直接传输数据包，完成跨跳中继。

17、本发明的有益效果为：

18、1、本发明装置采用双超声波测厚头协同设计，可同步实现生产管柱壁厚直接定量检测与套管腐蚀状态等效监测，检测精度高、可实时计算腐蚀速率，解决了现有技术监测维度单一、精度不足、预警滞后的核心问题。

19、2、配套链式多级中继传输方法，有效解决深井场景下无线信号衰减快的难题，兼具重传纠错与故障自愈能力，传输可靠性强；通过定时唤醒与深度休眠的低功耗控制，依托内置电池即可实现3-5年免维护长期服役。

20、3、采用箍装式结构，可直接套设固定于现有生产管柱，无需改造原有井筒结构，安装便捷，能适配井下高温高压、振动冲击的复杂工况；可灵活布设多节点实现全井段分布式监测，无需停产动管柱即可完成数据采集传输，适配现场井筒完整性常态化管控需求。