叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井設(shè)計(jì)及應(yīng)用

高寶元

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710018)

隨著油田開采時(shí)間的延長(zhǎng)，叢式井組套管的腐蝕也日益嚴(yán)重，某油田每年新增加套管損壞的油水井100多口，并且近年來(lái)有加快的趨勢(shì)，直接影響著該油田的進(jìn)一步開采，對(duì)油田的穩(wěn)產(chǎn)造成了威脅，同時(shí)也給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)有叢式井組套管陰極保護(hù)技術(shù)陽(yáng)極井是裸眼完井，通過深黃土層打到崖石層見到水層為止，深度一般為200～300 m。該類油井運(yùn)行一段時(shí)間后井壁易坍塌，導(dǎo)致陽(yáng)極體及管線被埋，陽(yáng)極井故障后很難修復(fù)，需要重建陽(yáng)極井；陽(yáng)極井的陽(yáng)極本體消耗完后不能直接更換，需要重建陽(yáng)極井，因此造成一定的浪費(fèi)，增加了維護(hù)成本；同時(shí)出現(xiàn)故障后不能及時(shí)維護(hù)，給管理和維護(hù)造成一定的滯后，削弱了陰極保護(hù)的效果[1]。

針對(duì)上述實(shí)際情況進(jìn)行了叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使大陽(yáng)極本體消耗完后，再消耗內(nèi)部小陽(yáng)極本體，延長(zhǎng)了陽(yáng)極井使用壽命。當(dāng)在線監(jiān)測(cè)陽(yáng)極井故障時(shí)，可通過排氣管和陽(yáng)極獨(dú)芯電纜一同將舊陽(yáng)極本體拔出，再下放新的陽(yáng)極本體、陽(yáng)極獨(dú)芯電纜及排氣管，使系統(tǒng)正常工作，達(dá)到重復(fù)利用陽(yáng)極地床的目的，避免了重復(fù)打井的工作，且更換簡(jiǎn)單，工期短，確保了叢式井組套管陰極保護(hù)工作的正常進(jìn)行，節(jié)約了重新打陽(yáng)極井費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益增加明顯，同時(shí)也有利于井場(chǎng)環(huán)境保護(hù)，滿足了油田發(fā)展的需求[2]。

1 叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井構(gòu)成

叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井構(gòu)成如圖1所示，包括叢式井組套管陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)和在線深陽(yáng)極井兩部分。叢式井組套管陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)部分包括： 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備、陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置，可控制叢式井組套管陰極保護(hù)電流大小，遠(yuǎn)程監(jiān)控陰極保護(hù)工況。在線深陽(yáng)極井包括： 陽(yáng)極井排氣管、陽(yáng)極體獨(dú)芯電纜、陽(yáng)極井井筒、高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體、高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體、填包料等。在線深陽(yáng)極井消耗本體，給叢式井組套管提供陰極保護(hù)電流。高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體設(shè)計(jì)在高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體內(nèi)部，高溫鋁合金輔陽(yáng)極作為備用陽(yáng)極本體，一主一備工作，運(yùn)行初期高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體工作，當(dāng)高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體釋放能力衰減到不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求時(shí)，再接入高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體工作，所述一主一備2個(gè)陽(yáng)極體的引出線與陽(yáng)極體獨(dú)芯電纜并聯(lián)方式連接[2]。

2 在線深陽(yáng)極井設(shè)計(jì)

該油田現(xiàn)有深陽(yáng)極井是裸眼完井，運(yùn)行一段時(shí)間后井壁容易坍塌，導(dǎo)致陽(yáng)極體及管線被埋，深陽(yáng)極井故障后很難修復(fù)，需要重建深陽(yáng)極井。深陽(yáng)極井的深度直接影響著陽(yáng)極接地電阻，該電阻一般小于4 Ω，必須通過黃土層打到崖石層見到水層為止，實(shí)際情況下，深度一般為150～300 m。用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)打深陽(yáng)極井，井眼直徑為300 mm，深陽(yáng)極井井筒中全井段采用φ215 mmPVC套管固井，陽(yáng)極套管底部采用PVC套管固封，套管四周有均勻的圓形φ10 mm透孔，每?jī)晒?jié)間采用PVC硬塑專用膠密封后用鉚釘加固，直至井口。深陽(yáng)極井的深度是影響陽(yáng)極接地電阻的主要因素，在確定陽(yáng)極井的直徑時(shí)，應(yīng)充分考慮排氣管和電纜所占的空間，深陽(yáng)極井的直徑選φ215 mm，應(yīng)對(duì)陽(yáng)極體的安裝進(jìn)行嚴(yán)格控制，輸出電流較大時(shí)應(yīng)增大陽(yáng)極井的直徑。PVC套管不僅為深陽(yáng)極井提供支撐作用，而且方便鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極串安裝和抽出，同時(shí)可以限制陰極保護(hù)電流從近地表釋放。陽(yáng)極溝回填料采用冶金焦炭或者煅燒石油焦炭，回填料要在低于陽(yáng)極體底部3 m[4]。

圖1 叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井構(gòu)成示意

3 鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極體設(shè)計(jì)

鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極體，由電纜穿管、獨(dú)芯電纜、氣室空腔、導(dǎo)氣管、高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體、高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體等組成，高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體設(shè)計(jì)在高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體內(nèi)部，高溫鋁合金輔陽(yáng)極作為備用陽(yáng)極本體，一主一備工作，2個(gè)陽(yáng)極體引出線與陽(yáng)極獨(dú)芯電纜并聯(lián)連接。鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極筒狀外徑規(guī)格為φ180 mm×6 000 mm，內(nèi)徑規(guī)格為φ160 mm×6 000 mm，兩端有管狀絕緣法蘭，管狀絕緣法蘭單極連接，便于鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極之間的連接，或電焊接，內(nèi)充填焦碳粉拌以化學(xué)吸水劑，附設(shè)內(nèi)導(dǎo)氣裝置，分配合理，接地電阻小。可抽芯雙陽(yáng)極深井和被保護(hù)的油水井地面距離設(shè)計(jì)為100～300 m。當(dāng)陽(yáng)極體釋放能力衰減到不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，即保護(hù)電位不能達(dá)到要求時(shí)，用吊車將鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極體、排氣管、陽(yáng)極體獨(dú)芯電纜一同拔出，更換新的鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極體及排氣管，使系統(tǒng)正常工作，達(dá)到重復(fù)利用陽(yáng)極地床的目的。上述結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極體具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體本身接地電阻小、輸出電流大、電流分配均勻、保護(hù)距離長(zhǎng)，使用壽命長(zhǎng)，需用吸水性強(qiáng)的材料軟布纏繞在鋼套管組合可抽芯雙陽(yáng)極外壁周圍，便于長(zhǎng)期充分均勻供水。

2)高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體，設(shè)計(jì)在高硅鑄鐵主陽(yáng)極本體內(nèi)部，采用3個(gè)高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體串為1組，并固定在1根電纜上，外部需纏繞吸水性極強(qiáng)的材料。高溫鋁合金犧牲陽(yáng)極在50～80 ℃高溫水介質(zhì)中能均勻地活化溶解且電化學(xué)性能優(yōu)良，產(chǎn)生電流的自調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，對(duì)于油水井套管在高溫環(huán)境中的腐蝕保護(hù)和延長(zhǎng)使用壽命、減少腐蝕造成的損失都將產(chǎn)生顯著的效果。高溫鋁合金輔陽(yáng)極本體具有消耗小、電流輸出大、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。

4 叢式井組套管陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

叢式井組套管陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置包括： 給井組套管陰極保護(hù)提供電流的直流電源；用以采集和傳輸井組套管陰極保護(hù)的電流和電壓數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控電流表和電壓表；用以控制各單井輸出電流，平衡井間電位差的瓷盤電阻器分流器[5-6]。深陽(yáng)極井正常工作時(shí)，可給單井套管提供4～5 A陰極保護(hù)電流，陰極保護(hù)監(jiān)控的電流和電壓信號(hào)可通過RS-485接口上傳至數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端RTU模塊，再由RTU模塊將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)字化監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)工況遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和遠(yuǎn)程啟停陰極保護(hù)單元等工作[7-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

叢式井組套管陰極保護(hù)在線深陽(yáng)極井技術(shù)目前在該油田5個(gè)叢式井組進(jìn)行了應(yīng)用，延長(zhǎng)了陽(yáng)極井使用壽命，當(dāng)深陽(yáng)極井出現(xiàn)故障時(shí)，可通過排氣管和獨(dú)芯電纜一同將舊雙陽(yáng)極本體拔出，更換新的雙陽(yáng)極本體、獨(dú)芯電纜及排氣管，使系統(tǒng)正常工作，達(dá)到重復(fù)利用陽(yáng)極地床的目的，避免了重復(fù)打井的工作，增效明顯，同時(shí)也有利于井場(chǎng)環(huán)境保護(hù)，有著廣泛的推廣應(yīng)用前景[11]。