氣井套管陰極保護問題的分析及解決

劉海祿 張國虎 馬含悅

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

油氣井套管的腐蝕破壞既直接影響到油氣田的開采，也會帶來重大的經濟損失。因此，在油氣田開采年限內，有效防止套管的腐蝕破壞，對保證油氣田正常生產具有重要的意義。

20 世紀40 年代，美國及中東產油國，在單井上相繼開始應用陰極保護技術，防止套管的腐蝕破壞，取得令人滿意的效果，實踐證明了對井套管實施陰極保護，是減緩和防止其外壁腐蝕破壞的有效措施［1］。

20 世紀70 年代末，我國部分油田對油氣井套管逐漸應用了陰極保護，取得了較好效果。

1 套管陰極保護

土庫曼斯坦某氣田某單井站井套管陰極保護設施布置見圖1。

該單井站陰極保護設備采用1 臺5 路輸出的整流器，并用整流器的第1 路（50 V/40 A）對井套管進行陰極保護，第2 路（50 V/40 A）對單井站內埋地管道及放空管道埋地部分進行陰極保護，第3 路（50 V/5 A）對采氣管道進行陰極保護，第4 路（50 V/5 A）對緩蝕劑管道進行陰極保護，第5 路（50 V/5 A）為備用。

圖1 井套管陰極保護設施布置圖

2 陰極保護運行問題

設備投運1 周以后記錄的數據見表1。

表1 設備運行數據

從表1 的數據看出井套管和單井站內的埋地管道都未達到理想的保護電位。將設備第1 路的輸出電壓和電流調大，即使將第1路的輸出電流調到設備輸出上限40 A時，第1 路的保護電位仍然上漲很小，始終無法達到要求的保護電位。將第1 路的輸出電流調大，第2 路的輸出電流會有所減小。

3 問題分析

由于單井站內的井下套管和站內埋地管道之間未安裝絕緣設施，井下套管和站內埋地管道是電連接的，因此，整流器設備的第1 路和第2 路，可以看作具有相同保護對象，所以第1 路和第2 路的設備輸出會相互影響，造成第1 路的輸出電流增大，第2 路的輸出電流減小的情況。 保護電位達不到保護要求，可能是由于保護電流量不夠造成的。因此，有必要對井套管需要的保護電流量進行計算。

裸鋼的平均電流密度的典型范圍在10.76 ～21.5 mA/m2，北美井套管的標稱電流密度是5.4 mA / m2，中東地區適當的平均電流密度是8.2 mA /m2［2］。

按8.2 mA / m2的電流密度值對井套管需要的保護電流量進行計算，結果見表2。

表2 井套管陰極保護電流計算

從表2 計算結果可以看出，該井套管需要的電流量為40.1 A，表1 中整流器第1 路和第2 路的輸出電流之和為43.5 A，再考慮上單井站其它埋地管道（量很少）的消耗，從需要的電流量來看，43.5 A 的電流量可以滿足該單井站井套管達到極化電位的需求量。

現場測試中發現，采用便攜式硫酸銅參比電極，在陰極保護電源設備附近測得的井套管的保護電位和設備顯示的數據不一致。測試的具體數據見表3。

表3 井套管保護電位

根據表3 的數據可以看出，在電源設備附近測得的井套管的保護電位是符合保護要求的，而井套管附近測得的通電電位和斷電電位都要比電源設備附近的電位正。 《陰極保護手冊》［3］指出，保護電流自陽極地床流入周圍土壤時，會在陽極區形成陽極電壓錐，由此造成該土壤中的電位升高超過遠方土壤中的電位。保護電流在管子防腐層缺陷處產生陰極電壓錐，在此土壤電位相對于遠方大地而降低了［4～5］。

由于井套管外壁沒有防腐層，陰極保護電流就會在整個井套管周圍產生陰極電壓錐，井套管周圍土壤的電位就會低于遠方土壤中的電位。放置在井套管附近的參比電極，因受到井套管周圍陰極電壓錐的影響，陰極保護設備顯示的井套管的保護電位值比實際的保護電位值要正。因此，應將井套管附近的參比電極移至井套管陰極電壓錐影響范圍之外。

4 結論

通過對單井站井套管陰極保護運行問題的分析，得出：

a）單井站井套管的陰極保護設計時，不但應考慮陽極地床的陽極干擾，還應考慮井套管的陰極干擾。

b）參比電極的位置對陰極保護的保護結果的判斷至關重要，應將參比電極設置在不受干擾的區域。

c）進行井套管陰極保護設計時，井套管的電流密度的取值在8～10 mA/m2的范圍是適宜的。

［1］常守文，趙培然.井套管陰極保護電位地面測量方法的進展［J］. 腐蝕科學與防護技術，1990, 2(4): 184-190. Chang Shouwen, Zhao Peiran. Progress of Ground Measurement Method for Well Casing Cathodic Protection Potential［J］. Corrosion Science and Protection Technology, 1990, 2(4): 184-190.

［2］Oliphant S. Well Casing Corrosion and Cathodic Protection［R］. Calgary: Northern Area Western Conference, 2010.

［3］劉海祿，張國虎，宋凌燕. 深井陽極地床干擾范圍影響因素分析［J］ . 天然氣與石油, 2013, 31(6): 76-78.Liu Hailu, Zhang Guohu, Song Lingyan. The Analysis of Influence Factors of Deep Well Anode Groundbed Interference Range［J］, Natural Gas and Oil, 2013, 31(6): 76-78.

［4］貝克曼 WV，施文克 W，普林滋 W.陰極保護手冊［M］ . 胡士信，王向農等譯.北京：化學工業出版社, 2005, 161-164 .Baeckman WV, Schwenk W, Prinz W. Handbook of Cathodic Protection［M］. Hu Shixin，Wang Xiangnong, et al. Trans. Beijing: Chemical Industry Press，2005. 161-164 .

［5］趙 健，張莉華，趙 泉，等，油井套管井下陰級保護電位計算方法研究［J］. 中國腐蝕與防護學報，2001，21(6): 363-367.Zhao Jian, Zhang Lihua, Zhao Quan, et al. A New Method for Calculating the Downhole Cathodic Protection Potentials Well Casings［J］. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2001, 21(6): 363-367.