叢式井組套管陰極保護數字化監測儀研制與應用*

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院,陜西 西安 710018)

叢式井組套管陰極保護數字化監測儀研制與應用*

高寶元

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院,陜西 西安 710018)

叢式井組套管陰極保護數字化檢測儀，主要由監測陰極保護電流和電壓的儀表、直流供電電源及遠程控制終端RTU模塊組成，能對叢式井組套管進行陰極保護，實現數字化遠程實時監控，具有運行效率高、調壓安全、體積小、質量輕、不需要專門配電房和初期投入費用低等特點。2015年至2016年在長慶油田30多個叢式井組進行了現場應用，效果良好。

叢式井組套管陰極保護數字化

叢式井組套管處于多層土壤巖石地下水中，由于土壤巖石底層中含有多種腐蝕性物質，對地層套管產生電化學腐蝕。鋼鐵表面各部分電位不完全相同，電位較高的部分形成陰極區，發生的是陰極反應；電位較低的部分形成陽極區，發生的是陽極反應。陽極區發生金屬電離后產生的電子轉移到陰極區發生陰極反應，離子在電解質溶液中的流動構成了局部腐蝕電池。對于整個井身套管，由于地下各層水質礦化度、酸堿度、微生物等含量不同，將形成不同的陰極區和陽極區。由于套管表面的細微差別形成的無數微腐蝕電池和套管所處地層不同而形成的宏觀腐蝕電池雙重作用，套管壁表面鐵原子失去電子成為鐵離子而發生腐蝕。隨著腐蝕電池的形成，使得套管壁減薄、穿孔，嚴重時油水井出現套管壁大面積腐蝕穿孔，采油注水井報廢，使得油田注采失控，嚴重影響了原油產量和經濟效益。

隨著油田開發時間延長,叢式井組套管腐蝕也日益嚴重, 長慶油田每年新增套管損失井100多口，并且近年來還有加快的趨勢，直接影響著油田的進一步開采。叢式井組套管腐蝕主要為外壁腐蝕,陰極保護是公認的控制腐蝕行之有效的技術，合理的陰極保護設計將有效地延長叢式井組套管的使用壽命[1]。陰極保護是一項安全成熟的防腐技術，它具有保護能力強、施工簡便且投資較少且保護效果好的特點[2]。

1 套管陰極保護工藝原理

陰極保護采用直流電源給被保護金屬通以陰極極化電流，使金屬表面陰極極化，當極化電位大于腐蝕電池的開路電位時，被保護金屬停止腐蝕。通常情況下，最小保護電位為-0.85 V(用銅飽和硫酸銅參比電極測定)時，可使金屬停止腐蝕；在有硫酸鹽還原菌參與腐蝕的環境中，硫酸根質量分數大于0.5%時，陰極保護電位應為-0.95 V或更負[3]。

為適應油田外部惡劣環境，增加運行可靠性并降低成本，叢式井組陰極保護采取以井組為單元，以套管為重點建立陰極保護系統。叢式井組陰極保護是直流電源負極與各單井套管連接，直流電源正極與深井接地陽極連接，從而構成保護回路[4]。

叢式井組套管數字化陰極保護監測儀是經過數字化監測儀正極輸出電流，經深井陽極、叢式井組套管、數字化監測儀里直流分配器回到數字化監測儀負極。直流分配器作用主要控制各單井輸出電流，平衡井間電位差。絕緣法蘭作用主要防止另一側未保護管線受到陰極保護系統雜散電流的干擾腐蝕[5]。

2 數字化監測儀組成

叢式井組套管陰極保護數字化監測儀主要由監測陰極保護電流電壓儀表、直流電源供電電源和遠程控制終端(RTU)模塊三部分組成(見圖1)。用可調式直流開關電源供電電源，代替傳統的硅整流直流供電系統，調壓安全，運行效率高，不需要專門配電房，減少初期投入費用；陰極保護監測電流電壓儀表，用于顯示陰極保護直流電壓和電流，并通過RS485接口將采集的電壓和電流數據上傳至遠程控制終端RTU模塊；RTU模塊將接收到的電壓、電流和遠程啟停信號數據通過無線方式傳輸到井場已建的數字化網絡中，通過專網傳送到監控站內，實現數字化遠程監控[6]，達到叢式井組套管長期安全高效運行的目標。

圖1 叢式井組套管數字化監測儀組成

3 數字化監測儀設計

3.1直流電源部分

直流電源由4個功率為1 kW的獨立可調式開關電源并聯組成，在開關電源外接可調電位器，通過外接電位器可以調節直流電壓輸出0～60 V，額定電流60 A。監測儀里瓷盤電阻器可以改變保護回路電流值，可以對叢式井組1至12口單井套管提供合理的電流進行陰極保護，單井套管一般需要4～5 A電流進行陰極保護。陰極保護電位越負，保護程度越高，保護距離也越長。過負的電位將使陰極保護管道外防腐涂層與管道金屬的粘接力破壞，產生陰極剝離，或可能出現金屬析氫剝離。同時過負的電位也將消耗過多的保護電流，形成能源的浪費。當電位負于-1.5 V時鋼鐵發生氫脆。一般陰極保護合理保護電位為-0.85～-1.4 V。

3.2數字化遠程監控部分

數字化遠程控制終端設計,是將CPU、模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出和通訊口等高度集成的模塊,用特制的電壓、電流監測儀表顯示出控制直流電壓和電流，并通過標準RS485接口將采集數據上傳RTU模塊，RTU模塊再將上傳數據和啟停信號通過無線方式傳輸到井場數字化建設好的網絡交換機位置，網絡交換機位置增加1套無線接收裝置，數據通過接收裝置RJ45接口傳輸到交換機，然后通過油田已有專用網絡傳輸回站內，實現數字化遠程監控。可對陰極保護單元中總電流、分支電流、運行工況進行實時監控，做到無人值守，保證了陰極保護系統控制參數的真實性[7]。

3.3陽極井(陽極地床)

陽極井是外加電流陰極保護中不可缺少的重要組成部分。通過陽極井把保護電流送入地層，再經地層進入套管，使套管表面發生陰極極化，防止套管在地層中的電化學腐蝕,見圖2。

圖2 陽極井設計示意

為了給叢式井套管供陰極電流，針對黃土高原環境，必須采用深陽極方式使陽極能穿過上部干燥的黃土層，進入下面石板層。為了易于管理，減少人為破壞，保證系統安全可靠運行，陰極深井布置在叢式井場，陰、陽極電纜及動力電纜全部采用深埋的方式進行保護，不能將電纜裸露在地表，電纜埋深大于1.2 m。陽極井原材料采用高硅鑄鐵，要求井口保護電位-1.4～-0.85 V，井間電位差小于250 mV[8]。

4 數字化監測儀主要技術參數

(1)冷卻方式：風機溫控型風冷，電源內部溫度高于60 ℃時，風扇開始運轉降溫；

(2)環境條件：溫度范圍-30～60 ℃，空氣相對濕度≤85%；

(3)輸入電壓：200～240 V,50 Hz；

(4)輸出電壓(直流)：0～60 V；

(5)輸出額定電流：60 A；

(6)接口通訊：RS485通訊，MODBUS-RTU協議。

5 現場應用

2015年至2016年在長慶油田進行了30多個叢式井組套管陰極保護現場應用，實現了叢式井組套管陰極保護和數字化遠程監控。

6 結束語

(1)叢式井組套管陰極保護數字化監測儀采用直流開關電源供電，克服了傳統型硅整流防蝕監測儀運行效率低、有振動噪聲和發熱浪費電能等缺點。

(2)叢式井組套管陰極保護數字化監測儀與油田現場生產數字化運行平臺對接后，可遠程實時監控叢式井組套管陰極保護運行工況，使被保護叢式井組套管通電電位恒定在控制范圍內，達到最佳保護效果。能連續記錄一個多月歷史數據，實現了無人值守，解決了現場管理的難題。

[1] 楊全安，李瓊偉，何志武.長慶油田叢式井組套管的陰極保護[J].腐蝕與防護，2000，21(8):370-372.

[2] 武烈.我國陰極保護技術的發展及高新技術化的探索[J].腐蝕與防護，2006，27(3):136-139.

[3] 金海峰.陰極保護技術在石油化工設施中的設計與應用[J].油氣田地面工程，2009，28(9):37-38.

[4] 王艷俠.油水井陰極保護技術在采油廠的應用[J].工業，2016，1(1)：121.

[5] 倪瑛，邵守彬，于建軍.防腐與檢測技術在油田中的應用[J].油氣田地面工程，2007，26(8):51-61.

[6] 張新華，王燕.陰極保護監測系統在油田站場的應用[J].石油化工腐蝕與防護，2008,25(2)：59-61.

[7] 楊永剛，王寶明，楊孝剛,等.叢式井組套管陰極保護新技術研究與應用[J].石油化工應用，2013，13(3):69-72.

[8] 楊海恩，楊全安，程碧海.長慶油田戶外可更換深井陰極套管陰極保護試驗[J].腐蝕與防護，2008，29(2):89-91.

(編輯 王菁輝)

DevelopmentandApplicationofDigitalMonitorforCathodicProtectionofClusterWellCasing

GaoBaoyuan
(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute,CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo.,Ltd.,Xi’an710018,China)

Digital monitor for cathodic protection of cluster well casing is mainly composed of instrument for monitoring current and voltage, DC power supply and remote control terminal RTU module, which uses for cathodic protection and realizing digital remote real-time monitoring. It has the advantages of high operation efficiency, safe voltage regulation, small size, light weight, no special power distribution room and low initial investment cost, etc. From 2015 to 2016, more than 30 cluster wells were applied in Changqing oilfield and achieved good results.

cluster well, casing, cathodic protection, digitization

2017-02-22；修改稿收到日期：2017-05-22。

高寶元(1963—)，工程師，2008年畢業于西安交通大學電氣工程及自動化專業，從事石油自動化儀器儀表研發。E-mail：gbaoyuan_gcy@cnpc.com.cn

2016—2017年度陜西省科學研究發展重點新產品計劃項目(2016XCP-09)。