井筒防腐外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在延長油田的應(yīng)用

安亞峰 張軍連 劉艷梅（延長油田股份有限公司開發(fā)部， 陜西 延安 716000）

井筒防腐外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在延長油田的應(yīng)用

安亞峰 張軍連 劉艷梅（延長油田股份有限公司開發(fā)部， 陜西 延安 716000）

針對延長油田井筒腐蝕狀況，試驗(yàn)采用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)解決井下套管的腐蝕問題。詳細(xì)論述了井下套管的外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的研究應(yīng)用情況，把一個(gè)井場區(qū)域內(nèi)所屬油水井井下套管作為一個(gè)保護(hù)整體來統(tǒng)籌考慮，在井組陰極保護(hù)前期饋電試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了技術(shù)方案，實(shí)施后達(dá)到預(yù)期目的，成功實(shí)現(xiàn)了井組油水井套管保護(hù)， 為油田油水井井下套管實(shí)施陰極保護(hù)提供了新的方法。關(guān)鍵詞：套管；腐蝕；外加電流；陰極保護(hù)

在油田開發(fā)過程中，隨著注水開發(fā)時(shí)間的延長，油水井套管腐蝕破損越來越突出，嚴(yán)重者會(huì)影響油田的正常開發(fā)，因此積極開展套管腐蝕治理方法的研究，尋求井筒防腐防垢新技術(shù)的應(yīng)用，從而保護(hù)油水井套管，使其減少腐蝕，延長使用壽命顯得尤為重要。

1 延長油田套管腐蝕現(xiàn)狀

延長油田油水井完井多采用套管完井方式，目前油田開發(fā)進(jìn)入中高含水期，平均采出液含水65%，部分油區(qū)含水達(dá)到80%以上，含油污水礦化度30000～120000mg/l以上，pH值在5.5～6.5之間，根據(jù)油田生產(chǎn)情況反映油水井套管腐蝕受損情況極為嚴(yán)重，部分區(qū)域腐蝕速率達(dá)到0.36mm/a，超過標(biāo)準(zhǔn)的4倍以上。雖然在生產(chǎn)中采用投加緩蝕劑、套管內(nèi)防腐、使用耐腐蝕材質(zhì)井下管柱等方法，但由于管理不到位及技術(shù)本身存在的缺陷，使用效果較差。

根據(jù)對油水井套管腐蝕情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)出水具有pH值低、礦化度高、多價(jià)金屬離子含量高、HCO3-、Cl-含量高等特點(diǎn)，電化學(xué)腐蝕是造成油水井套管腐蝕嚴(yán)重的主要因素。

表1 延長油田區(qū)域產(chǎn)出水組分分析數(shù)據(jù)表

2 井筒外加電流陰極保護(hù)技術(shù)機(jī)理

井筒外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是對油水井井下套管施加陰極電流，強(qiáng)行抑制陰極表面的腐蝕化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)陰極電流達(dá)到套管自腐蝕電位時(shí)，套管表面開始極化，陰極區(qū)消失，金屬氧化溶解過程停止，腐蝕得到控制，套管得到保護(hù)。

無陰極保護(hù)時(shí)：

陰極部分反應(yīng)為：O2+2H2O+4e-4OH-

陽極（套管表層破損處）：Fe Fe2++2e-

施加陰極保護(hù)后：

陰極（套管表層破損處）反應(yīng)為：

O2+2H2O+4e-4OH-（電位在-0.85V～-1.15V之間）

H2O+2e-H2+2OH-（電位比-1.15V更負(fù)）

陽極反應(yīng)：2H2O-4e-+4Cl-O2+4HCl

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況及評價(jià)

2013年11月對西區(qū)采油廠3306和正171兩個(gè)井場進(jìn)行前期饋電試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，先后實(shí)施了外加電流陰極保護(hù)技術(shù)。

（1）系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及工藝參數(shù) ①技術(shù)指標(biāo)。套管陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保護(hù)范圍12口生產(chǎn)井；保護(hù)率100%；保護(hù)度≥85%；在有效保護(hù)期間井口和測試點(diǎn)的保護(hù)電位負(fù)于-0.85V，最負(fù)點(diǎn)保護(hù)電位控制在-1.3V；對被保護(hù)油井套管的防腐層不產(chǎn)生任何有害影響；對外界不產(chǎn)生干擾作用；有效保護(hù)期不小于20年。②工藝參數(shù)。a.保護(hù)電流。保護(hù)電流密度為10mA/m2，井場生產(chǎn)套管、表層套管、水井套管、輸油管路等保護(hù)面積為6164m2，測算保護(hù)電流為62A。b.陽極安裝位置。根據(jù)電化學(xué)線性極化測試結(jié)果及陽極埋深100m、200m、300m數(shù)值模擬計(jì)算，并綜合考慮陰極保護(hù)效果和地下介質(zhì)條件，確定3306井組陽極安裝在井組中間位置，埋深100米，距離井口至儲(chǔ)油罐管線距離為12米。電化學(xué)線性極化測試曲線及模擬油水井陰極保護(hù)電位分布（圖1、圖2）。

圖1 J55鋼試樣在土樣中30天的動(dòng)電位極化曲線

圖2 油井陰極保護(hù)電位分布（陽極埋深100m）

3306井場優(yōu)化后的陰極保護(hù)系統(tǒng)如下圖布置（圖3），將電源引至井場陰極保護(hù)站連接到恒電位儀。從恒電位儀接出一根陽極電纜到陽極井，向陽極井中的陽極提供電流。從陰極通電點(diǎn)再接一根電纜回到恒電位儀，形成一個(gè)回路。儲(chǔ)油罐位置輸油管線作為均壓連線。注水井從陰極通電點(diǎn)另用均壓線分別連接。控制參比電極分別埋設(shè)在井場中央和陰極保護(hù)站旁邊，控制點(diǎn)選擇離保護(hù)站最近的生產(chǎn)井套管。

圖3 3306井場陰極保護(hù)系統(tǒng)布置圖

（2）現(xiàn)場實(shí)施技術(shù)要點(diǎn) 井筒外加電流陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)主要包含以下三點(diǎn)：①外加電流陰極保護(hù)站由站內(nèi)設(shè)備和站外設(shè)施兩部分組成，其中站內(nèi)由陰極保護(hù)間、陰極保護(hù)電源設(shè)備和配電盤組成；站外設(shè)施由輔助陽極地床、陽極接線箱電流分配器和連接電纜等構(gòu)成。保護(hù)對象為油井套管和水井套管，但是由于施加保護(hù)后，電流的流過可能對井場其他鋼質(zhì)構(gòu)建產(chǎn)生雜散電流，所以井場內(nèi)、臨時(shí)儲(chǔ)油罐、輸油管線一并包含在保護(hù)范圍內(nèi)。②陰極保護(hù)工程中，為確保套管始終處于良好的保護(hù)狀態(tài)，陰極保護(hù)電源設(shè)備采用70A/70V的恒電位儀，將參比電極提供的信號反饋回設(shè)備，恒電位儀自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備輸出，使控制點(diǎn)電位維持恒定。優(yōu)點(diǎn)是能使極化電位始終處在設(shè)定的保護(hù)電位上，缺點(diǎn)是一旦參比電極出現(xiàn)問題，恒電位儀停止工作。③采用深井陽極地床，輔助陽極安裝在地下深處。使用廣泛用于土壤環(huán)境中的低消耗、高穩(wěn)定性、高輸出電流的MMO金屬氧化物陽極。規(guī)格是Φ377×4000mm，輸出電流密度8A/m2，電阻率0.000056 ohm·cm。3306井組的陽極井內(nèi)裝Ф377×4000分段預(yù)制式陽極井體4組，每組的電流發(fā)生量為16安培，可提供64A保護(hù)電流。

（3）效果評價(jià) 外加電流陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用近一年，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各井保護(hù)電位一直低于自腐蝕電位，各井未發(fā)生套管腐蝕現(xiàn)象，防腐蝕效果明顯，可有效提高套管的使用年限。保護(hù)后各井電位變化情況見表2。

表2 3306號井場施加電流后的點(diǎn)位變化情況

4 結(jié)語

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)可以有效地抑制油水井井下套管電化學(xué)腐蝕，明顯降低井下管柱的腐蝕速率。通過外加電流陰極保護(hù)技術(shù)可對井場內(nèi)多個(gè)油水井套管及一定范圍內(nèi)的輸油、注水管線及附屬設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，降低系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)成本。使用恒電位儀、測試樁及參比電極可實(shí)現(xiàn)電位自動(dòng)調(diào)控、系統(tǒng)電位變化檢測方便。

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安亞峰（1969- ），男，高級工程師，1993年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，工程碩士學(xué)位，從事油田開發(fā)相關(guān)工作。