油井犧牲陽極保護技術應用研究

毛冠華　張恒　張桴

摘要：犧牲陽極保護技術是抑制油井管桿腐蝕較為有效的方法，具有保護效果優異，實施工藝簡單，成本低廉等優勢。本文闡述了油井犧牲陽極保護機理，分析了陽極材料的保護性能，以及現場應用情況，為該技術在油田的推廣應用提供了參考依據。

關鍵詞：有井腐蝕;犧牲陽極保護;電流效率

在油氣開發領域，金屬的腐蝕問題廣泛存在，其中最具代表性的就是油井的油、套管腐蝕，造成管桿腐蝕失效，嚴重影響了日常的正常生產作業。油田腐蝕大部分發生在油田水介質和含水介質中，主要發生電化學腐蝕。油田水介質礦化度較高，同時常溶有O₂、CO₂、H₂S和細菌等多種腐蝕性物質，在金屬表面形成數個腐蝕電池，產生氧化物或氫氧化物，造成設備腐蝕。陰極保護技術是控制金屬電化學腐蝕的最為有效的保護方法，由于犧牲陽極保護成本低廉，不需要對油井進行改造，保護效果可控且實施方便，因此在油井管桿腐蝕防護方向有良好的發展前景^[1]。本文通過對犧牲陽極保護機理、陽極材料電化學性能和犧牲陽極保護工具現場應用等方面的研究，總結了該技術的應用效果，以期為油井管桿的犧牲陽極防腐蝕設計提供參考依據。

1 油井犧牲陽極保護機理

油井陽極保護依據電化學陰極保護原理，使油管與更活潑的金屬相連，直接固定在特制的油管基管短節上，在作業下油管的同時，把油管陽極保護器連接在油管上，下入油井或注水井中，在井筒的電解質溶液中，合金與油管原腐蝕電池成了一個新的宏觀電池，合金作為新電池的陽極，油管即為陰極，陽極不斷向被保護的油管提供陰極電流，對油管進行陰極極化，原油管的腐蝕電池作用被迫停止，從根本上抵制了油管的電化學腐蝕^[2]。隨著電流的不斷流動，陽極合金不斷被消耗掉，成為粉末后沉降于井底。當陽極合金消耗完后油管才會發生電化學腐蝕，從而達到延緩油管腐蝕，保護油管的目的。

同時隨著陽極材料的腐蝕，腐蝕介質中的腐蝕離子不算消耗，介質腐蝕性不斷減少。鋁陽極的二次反應生成物，氫氧化鋁也具有這種特性，氫氧化鋁可以與碳酸和硫化氫發生中和反應生成鹽和水。如碳酸、硫化氫和氫氧化鋁的反應為：H₂CO₃+Al（OH）₃→Al₂（CO₃）₂+H₂O;H₂S+Al（OH）₃→Al₂S₃+H₂O;陽極材料的中和作用顯然也大大降低了二氧化碳和硫化氫腐蝕。

2 陽極材料性能評價

陽極材料選擇應考慮材料電化學參性能、工況條件和使用成本。通常選用Al-Zn-In-Cd系列合金，該系列合金電位穩定，電流效率高，腐蝕均勻且產物容易脫落，價格低廉，固選用該系列合金進行測試。

測試依據GB/T17848-1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》進行，對Al-Zn-In-Cd陽極在采出水介質中進行測試，實驗溫度為60℃，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。實驗結果如表1和圖1所示，Al-Zn-In-Cd陽極開路電位為-1.051V，實際電容量為1462.4A·h/kg，電流效率高達53.37%，實驗后試樣表面溶解情況良好，無點蝕和腐蝕產物堆積。材料工作電位穩定，試驗120h后較開路電位無明顯變化，材料處于活化狀態，無鈍化現象出現，表面溶解均勻。

3 現場應用評價

現場試驗在長慶油田某區塊進行，該區塊油井腐蝕嚴重，篩管和抽油泵附近常出現腐蝕漏失，平均檢泵周期約為150天。為解決油井腐蝕問題，在動液面下每隔100m下入一根油井陽極保護，直至篩管。措施后油管腐蝕情況如圖2所示，油管表面光潔無明顯腐蝕情況，保護效果優異，平均檢泵周期延長至320天左右。經測量，犧牲陽極材料剩余約40%，因此保護周期可達500天左右，經濟效益顯著。

4 結論

1. 犧牲陽極保護技術通過電化學保護作用和降低油水介質腐蝕性來起到對油管、桿的保護作用。
2. 在工況條件下通常Al-Zn-In-Cd系列合金，該系列合金電位穩定，腐蝕產物易脫落，電流效率高，可達53.37%，抑制腐蝕效果優異。

（3）現場應用表明，措施后油管桿腐蝕輕微，平均檢泵周期延長至320天左右，有效保護周期可達500天左右，經濟效益顯著。

參考文獻：

[1]穆哈拜，楊新明，戶貴華，等.油井管桿犧牲陽極防腐蝕裝置的研制與應用[J].腐蝕與防護，2000（07）：309-310+312.

[2]周勇，周攀虎，任秋潔，等.犧牲陽極保護前后污水儲罐的腐蝕行為演變及機理研究[J].材料保護，2019，52（11）：28-32+43.