叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀研制與應(yīng)用*

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

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀研制與應(yīng)用*

高寶元

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

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化檢測(cè)儀，主要由監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)電流和電壓的儀表、直流供電電源及遠(yuǎn)程控制終端RTU模塊組成，能對(duì)叢式井組套管進(jìn)行陰極保護(hù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有運(yùn)行效率高、調(diào)壓安全、體積小、質(zhì)量輕、不需要專門配電房和初期投入費(fèi)用低等特點(diǎn)。2015年至2016年在長(zhǎng)慶油田30多個(gè)叢式井組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好。

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)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(zhì)，對(duì)地層套管產(chǎn)生電化學(xué)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(qū)，發(fā)生的是陰極反應(yīng)；電位較低的部分形成陽(yáng)極區(qū)，發(fā)生的是陽(yáng)極反應(yīng)。陽(yáng)極區(qū)發(fā)生金屬電離后產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)發(fā)生陰極反應(yīng)，離子在電解質(zhì)溶液中的流動(dòng)構(gòu)成了局部腐蝕電池。對(duì)于整個(gè)井身套管，由于地下各層水質(zhì)礦化度、酸堿度、微生物等含量不同，將形成不同的陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)。由于套管表面的細(xì)微差別形成的無(wú)數(shù)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(fā)生腐蝕。隨著腐蝕電池的形成，使得套管壁減薄、穿孔，嚴(yán)重時(shí)油水井出現(xiàn)套管壁大面積腐蝕穿孔，采油注水井報(bào)廢，使得油田注采失控，嚴(yán)重影響了原油產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著油田開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng),叢式井組套管腐蝕也日益嚴(yán)重, 長(zhǎng)慶油田每年新增套管損失井100多口，并且近年來(lái)還有加快的趨勢(shì)，直接影響著油田的進(jìn)一步開(kāi)采。叢式井組套管腐蝕主要為外壁腐蝕,陰極保護(hù)是公認(rèn)的控制腐蝕行之有效的技術(shù)，合理的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)將有效地延長(zhǎng)叢式井組套管的使用壽命[1]。陰極保護(hù)是一項(xiàng)安全成熟的防腐技術(shù)，它具有保護(hù)能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便且投資較少且保護(hù)效果好的特點(diǎn)[2]。

1 套管陰極保護(hù)工藝原理

陰極保護(hù)采用直流電源給被保護(hù)金屬通以陰極極化電流，使金屬表面陰極極化，當(dāng)極化電位大于腐蝕電池的開(kāi)路電位時(shí)，被保護(hù)金屬停止腐蝕。通常情況下，最小保護(hù)電位為-0.85 V(用銅飽和硫酸銅參比電極測(cè)定)時(shí)，可使金屬停止腐蝕；在有硫酸鹽還原菌參與腐蝕的環(huán)境中，硫酸根質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí)，陰極保護(hù)電位應(yīng)為-0.95 V或更負(fù)[3]。

為適應(yīng)油田外部惡劣環(huán)境，增加運(yùn)行可靠性并降低成本，叢式井組陰極保護(hù)采取以井組為單元，以套管為重點(diǎn)建立陰極保護(hù)系統(tǒng)。叢式井組陰極保護(hù)是直流電源負(fù)極與各單井套管連接，直流電源正極與深井接地陽(yáng)極連接，從而構(gòu)成保護(hù)回路[4]。

叢式井組套管數(shù)字化陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)儀是經(jīng)過(guò)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀正極輸出電流，經(jīng)深井陽(yáng)極、叢式井組套管、數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀里直流分配器回到數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀負(fù)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(cè)未保護(hù)管線受到陰極保護(hù)系統(tǒng)雜散電流的干擾腐蝕[5]。

2 數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀組成

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀主要由監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)電流電壓儀表、直流電源供電電源和遠(yuǎn)程控制終端(RTU)模塊三部分組成(見(jiàn)圖1)。用可調(diào)式直流開(kāi)關(guān)電源供電電源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅整流直流供電系統(tǒng)，調(diào)壓安全，運(yùn)行效率高，不需要專門配電房，減少初期投入費(fèi)用；陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)電流電壓儀表，用于顯示陰極保護(hù)直流電壓和電流，并通過(guò)RS485接口將采集的電壓和電流數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程控制終端RTU模塊；RTU模塊將接收到的電壓、電流和遠(yuǎn)程啟停信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)骄畧?chǎng)已建的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)專網(wǎng)傳送到監(jiān)控站內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控[6]，達(dá)到叢式井組套管長(zhǎng)期安全高效運(yùn)行的目標(biāo)。

圖1 叢式井組套管數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀組成

3 數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

3.1直流電源部分

直流電源由4個(gè)功率為1 kW的獨(dú)立可調(diào)式開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)組成，在開(kāi)關(guān)電源外接可調(diào)電位器，通過(guò)外接電位器可以調(diào)節(jié)直流電壓輸出0～60 V，額定電流60 A。監(jiān)測(cè)儀里瓷盤電阻器可以改變保護(hù)回路電流值，可以對(duì)叢式井組1至12口單井套管提供合理的電流進(jìn)行陰極保護(hù)，單井套管一般需要4～5 A電流進(jìn)行陰極保護(hù)。陰極保護(hù)電位越負(fù)，保護(hù)程度越高，保護(hù)距離也越長(zhǎng)。過(guò)負(fù)的電位將使陰極保護(hù)管道外防腐涂層與管道金屬的粘接力破壞，產(chǎn)生陰極剝離，或可能出現(xiàn)金屬析氫剝離。同時(shí)過(guò)負(fù)的電位也將消耗過(guò)多的保護(hù)電流，形成能源的浪費(fèi)。當(dāng)電位負(fù)于-1.5 V時(shí)鋼鐵發(fā)生氫脆。一般陰極保護(hù)合理保護(hù)電位為-0.85～-1.4 V。

3.2數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控部分

數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端設(shè)計(jì),是將CPU、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出和通訊口等高度集成的模塊,用特制的電壓、電流監(jiān)測(cè)儀表顯示出控制直流電壓和電流，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS485接口將采集數(shù)據(jù)上傳RTU模塊，RTU模塊再將上傳數(shù)據(jù)和啟停信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)骄畧?chǎng)數(shù)字化建設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)位置，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)位置增加1套無(wú)線接收裝置，數(shù)據(jù)通過(guò)接收裝置RJ45接口傳輸?shù)浇粨Q機(jī)，然后通過(guò)油田已有專用網(wǎng)絡(luò)傳輸回站內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控。可對(duì)陰極保護(hù)單元中總電流、分支電流、運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到無(wú)人值守，保證了陰極保護(hù)系統(tǒng)控制參數(shù)的真實(shí)性[7]。

3.3陽(yáng)極井(陽(yáng)極地床)

陽(yáng)極井是外加電流陰極保護(hù)中不可缺少的重要組成部分。通過(guò)陽(yáng)極井把保護(hù)電流送入地層，再經(jīng)地層進(jìn)入套管，使套管表面發(fā)生陰極極化，防止套管在地層中的電化學(xué)腐蝕,見(jiàn)圖2。

圖2 陽(yáng)極井設(shè)計(jì)示意

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

4 數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀主要技術(shù)參數(shù)

(1)冷卻方式：風(fēng)機(jī)溫控型風(fēng)冷，電源內(nèi)部溫度高于60 ℃時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)降溫；

(2)環(huán)境條件：溫度范圍-30～60 ℃，空氣相對(duì)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(xié)議。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2015年至2016年在長(zhǎng)慶油田進(jìn)行了30多個(gè)叢式井組套管陰極保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了叢式井組套管陰極保護(hù)和數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀采用直流開(kāi)關(guān)電源供電，克服了傳統(tǒng)型硅整流防蝕監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行效率低、有振動(dòng)噪聲和發(fā)熱浪費(fèi)電能等缺點(diǎn)。

(2)叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀與油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)字化運(yùn)行平臺(tái)對(duì)接后，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控叢式井組套管陰極保護(hù)運(yùn)行工況，使被保護(hù)叢式井組套管通電電位恒定在控制范圍內(nèi)，達(dá)到最佳保護(hù)效果。能連續(xù)記錄一個(gè)多月歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，解決了現(xiàn)場(chǎng)管理的難題。

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

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(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(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，從事石油自動(dòng)化儀器儀表研發(fā)。E-mail：gbaoyuan_gcy@cnpc.com.cn

2016—2017年度陜西省科學(xué)研究發(fā)展重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目(2016XCP-09)。