套管防腐扶正器的防腐性能評價(jià)

陳鵬偉， 趙密鋒， 郭 亮

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程試驗(yàn)室 3塔里木油田公司油氣工程技術(shù)研究院)

塔里木油田油氣藏埋藏深度深，地層溫度高，腐蝕環(huán)境復(fù)雜，套管損壞現(xiàn)象嚴(yán)重[1-3]。自1998年以來，部分開發(fā)井簡化井身結(jié)構(gòu)，大段生產(chǎn)套管外固井水泥不連續(xù)或存在未封固段，導(dǎo)致套損非常嚴(yán)重。調(diào)研分析認(rèn)為，油井套管腐蝕以外腐蝕為主，而高溫、高壓條件下，CO2、Cl-、高礦化度地層水是導(dǎo)致套損的重要原因[4-10]。

套管扶正器是一種固井工具，可以使套管順利下到預(yù)定井深，并促使套管在井眼內(nèi)居中，確保水泥漿頂替干凈環(huán)空鉆井液，獲得較均勻水泥環(huán)，從而有效地提高固井水泥封固質(zhì)量[11-16]。完井作業(yè)后，套管扶正器不再具備其他用途。套管防腐扶正器技術(shù)可以使固井后的扶正器“變廢為寶”。其結(jié)合了套管扶正器和犧牲陽極陰極保護(hù)兩種技術(shù)手段，通過有效導(dǎo)電連接，將犧牲陽極材料和扶正器進(jìn)行結(jié)合，既能發(fā)揮扶正器基本功能，又能在地層水侵入時(shí)充當(dāng)起套管外壁的“保護(hù)傘”，對套管外壁進(jìn)行保護(hù)，有效降低套管外壁腐蝕。

一、防腐扶正器的研制

防腐扶正器的主要用途體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先滿足套管固井扶正器的扶正居中功能[14]，其次用于套管外壁的防腐。其研制過程充分考慮了固井扶正器和陰極保護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用條件，通過對設(shè)計(jì)不同類型扶正器進(jìn)行數(shù)值模擬、參數(shù)比較、制造工藝調(diào)研和成本核算，最終選定剛性分體型防腐扶正器為最優(yōu)結(jié)果。其特點(diǎn)在于：

(1)優(yōu)選帶錐度ACME(愛克姆)螺紋扣，梯形牙型強(qiáng)度高，公差大，3.175°的錐度角在緊扣過程中為陽極筒(犧牲陽極材料)提供持續(xù)的沿徑向收縮的力，保證加持效果、螺紋自鎖，不會因振動退扣。

(2)通過螺旋導(dǎo)流加持端頭產(chǎn)生的徑向力使?fàn)奚枠O陰極保護(hù)體的內(nèi)表面與套管外表面大面積緊密貼合，從而達(dá)到良好的導(dǎo)電效果。

(3)預(yù)套緊，可實(shí)現(xiàn)快速夾持，便捷施工，零部件少，可靠性高。

防腐扶正器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防腐扶正器

1螺旋扶正體 2限位螺釘 3陽極筒(犧牲陽極材料)

二、犧牲陽極材料評價(jià)

目前研制成功并被廣泛用于鋼鐵設(shè)施陰極保護(hù)的犧牲陽極材料有3大類：鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極[17-19]。鎂陽極電負(fù)性強(qiáng)，電流效率低，鋁陽極表面極易鈍化，綜合考慮防腐扶正器應(yīng)用介質(zhì)的條件，優(yōu)先選用鋅合金犧牲陽極。

依據(jù)《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBT 17848-1999)對陽極材料的電化學(xué)性能進(jìn)行測定。在25℃人造海水中，進(jìn)行96 h的加速試驗(yàn)，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使陽極電流密度保持在1.5 mA/cm2，每天測量一次陽極試驗(yàn)的工作電位。人造海水的化學(xué)成分見表1。

表1 人造海水化學(xué)成分

成分NaHCO3KBrH3BO3SrCl2濃度/(g·L-1)0.2010.1010.0270.025

實(shí)際電容量和電流效率檢測結(jié)果見表2。

表2 鋅陽極材料電化學(xué)性能

所用典型Zn-Al-Cd陽極材料的化學(xué)成分符合《鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極》(GB/T 4950-2002)中的化學(xué)成分要求，試驗(yàn)方法為《鋅-鋁-鎘系合金犧牲陽極化學(xué)分析方法》(GB/T4951-2007)。

2.3 早期腎功能損傷檢測陽性率比較 輕度組、重度組孕婦血清Cys-C、Hcy及尿mALB聯(lián)合檢測早期腎功能損傷陽性率均高于單獨(dú)檢測，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=34.072、27.651，P<0.05)。見表3。

三、保護(hù)電位測試

1. 試驗(yàn)條件

1.1 腐蝕介質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

由于試驗(yàn)套管尺寸較大，需制作專用試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)池、電開水器、增壓泵、換熱管及接頭等組成。設(shè)計(jì)試驗(yàn)池壁和池底用10 mm PP(聚丙烯)塑料板焊接而成，試驗(yàn)池尺寸：2 400 mm×1 800 mm×400 mm(長×寬×高)，放置試驗(yàn)池的地面需進(jìn)行找平處理，試驗(yàn)池底進(jìn)行加厚處理，防止試驗(yàn)過程中池底破裂。設(shè)立套管支架，用于支撐套管，套管支架采用10 mm塑料板焊接而成。三根套管間隔為300 mm，套管兩端距試驗(yàn)池壁200 mm，套管頂端距離試驗(yàn)池頂部100 mm。

試驗(yàn)用套管:選用哈得4油田套管常用材質(zhì)BG110-3Cr，外徑139.7 mm。截取2 m長套管用于模擬評價(jià)試驗(yàn)，套管兩端使用堵頭進(jìn)行密封。

套管腐蝕試驗(yàn)裝置示意圖見圖2。

圖2 套管腐蝕試驗(yàn)裝置

1試驗(yàn)裝置和介質(zhì) 2套管 3套管防腐扶正器

根據(jù)模擬水水質(zhì)參數(shù)，確定出模擬洛河地層水中各種無機(jī)鹽的加量。共配置模擬洛河地層水1.2 m3，所用化學(xué)添加劑均為工業(yè)品。

表3 模擬地層水所需化劑質(zhì)量

按照表3中各種化劑的質(zhì)量，將藥劑均勻拋灑在防腐池中，通過攪拌和加熱的方式，使藥劑溶解充分,并加入1%鹽酸溶液調(diào)節(jié)腐蝕介質(zhì)pH值至6.5。

2. 保護(hù)電位測試

2.1 測試方法

目前陰極保護(hù)保護(hù)電位測量的方法主要包括地表參比法和近參比法兩種[20]。該試驗(yàn)采用近參比法進(jìn)行套管保護(hù)電位測量，測量示意圖見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)BG110-3Cr材質(zhì)的套管外壁保護(hù)電位試驗(yàn)數(shù)據(jù)制作出保護(hù)電位隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，見圖4。

由圖4可以看出：①加裝防腐扶正器的套管在放入試驗(yàn)介質(zhì)后，套管電位迅速極化，在100 h后達(dá)到-0.85 V；②套管保護(hù)電位持續(xù)極化，逐步趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到-0.95～-1.00 V；③三種材質(zhì)的套管均達(dá)到最小保護(hù)電位-0.85 V要求，套管保護(hù)電位為-0.95 V；④以防腐扶正器為中心，套管兩端保護(hù)電位呈中心對稱，保護(hù)電位曲線高度重合，保護(hù)面積達(dá)100%。

圖3 近參比法測量套管保護(hù)電位

1高阻電壓表 2參比電極 3試驗(yàn)池和腐蝕介質(zhì) 4套管

圖4 保護(hù)電位隨時(shí)間變化

四、結(jié)論

(1)套管防腐扶正器不僅可以作為固井工具使用，在地層水入侵后，還可以發(fā)揮陰極保護(hù)作用，對套管外壁進(jìn)行有效防護(hù)。

(2)防腐扶正器所用的陽極材料，經(jīng)測試，電容量為784.56 A·h/kg，電流效率為95.68%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求。

(3)經(jīng)過模擬試驗(yàn)證明，套管防腐扶正器對BG110-3Cr材質(zhì)套管有很好的保護(hù)效果，保護(hù)電位均小于-0.85 V。