KXY-2型铝-锌合金阴极保护器的应用

吴立滨，孙亚云，杨宗霞，李大钦

(中国石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮阳 457532)

KXY-2型铝-锌合金阴极保护器的应用

吴立滨，孙亚云，杨宗霞，李大钦

(中国石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮阳 457532)

介绍了KXY-2型铝-锌合金阴极保护器的结构及原理。实际应用表明，该项技术有效地减缓了生产井的电化学腐蚀程度，延长了生产井的作业周期，达到了预期效果，并且取得了较好的经济效益。

濮城油田 电化学腐蚀 阴极保护器 效果

牺牲阳极保护技术是目前较为普遍使用且行之有效的防腐措施之一［1］，主要原理是给被保护体补充大量电子，使被保护体始终处于电子过剩的状态，使金属原子不容易失去电子而变成离子溶解到电解质中去，从而达到防腐蚀的目的。

1 影响油田电化学腐蚀因素［2－3］

濮城油田属于复杂断块油气田，开发生产中，常伴有二氧化碳、硫化氢等腐蚀性气体，产出液中含有大量的溶解盐等，这些都是引起油田电化学腐蚀的重要因素。

(1)二氧化碳的影响:二氧化碳溶于水后，水呈弱酸性，产生碳酸根离子和氢离子，从而引起氢的去极化腐蚀，氢得到电子被还原，铁失去电子被氧化，造成金属表面不断腐蚀。

(2)硫化氢的影响:硫化氢在溶液中，产生游离的硫离子和氢离子，金属与硫离子接触发生反应产生硫化铁沉淀，从而引起金属的应力腐蚀。

(3)溶解氧的影响:当产出液中的氧质量浓度达到0.1 mg/L时，就会引起严重的腐蚀。溶解氧与碳钢中的铁元素发生反应，铁被氧化失去电子，成为带电离子Fe2+与水中的OH－发生反应生成Fe(OH)2，进一步被氧化成Fe(OH)3，脱水后生成Fe2O3沉淀，碳钢表面不断剥蚀，导致油管杆腐蚀穿孔。

(4)pH值的影响:金属在pH值为4～10受氧控制，不受pH值的影响;pH值小于4时，液体呈酸性，金属被腐蚀，pH值为10～13，液体呈碱性，使得金属表面产生钝化性，腐蚀速率下降，但是pH值过高时，腐蚀速率又会上升。濮城油田的水质为氯化钙型，氯离子质量浓度为1 300-100 000 mg/L，管、杆结盐结垢相当严重。

(5)溶解盐的影响:溶解盐中的氯离子和硫酸根离子具有较强的腐蚀性，氯离子容易造成碳钢的应力腐蚀，使得管杆断裂，而且氯离子含量越高，腐蚀越大。濮城油田卫42-43区块油管结盐问题相当严重，油管的表面上盐垢有10 mm左右。

(6)SRB(硫酸盐还原菌)的影响:SRB在无氧环境下将水中的无机硫酸盐还原成硫化氢，硫化氢与铁发生反应，造成管线的腐蚀。

2 KXY-2型铝-锌合金阴极保护器开发

2.1 开发依据

根据电化学腐蚀的原理，以及其影响因素分析认为，不同材质的金属，其电势电位也不同，在同一电解质溶液中，发生氧化还原反应，较活泼的金属由于失去电子而发生腐蚀。根据这一原理，研制开发了KXY-2型铝-锌合金阴极保护器。

2.2 阴极保护器工作原理

在油水井的油管柱上安装阳极合金体，该阳极合金体与油管处于同一电解质环境下构成一个新的宏观电池体系，由于浇铸合金体的材质为铝－锌合金，而油管的材质为碳钢，在同一电解液中，不同材质，电极电位也不同，这样就产生了电位差。由于阳极合金体的电极电位较负，这一负的电极是新电池的阳极，而油管则为阴极，从阳极体上通过电解质向油管提供一个阴极电流，使油管阴极极化，其中铝-锌合金阳极溶解(Al2O3·H2O)形成一种高电阻膜，在管柱表面起到井液和管柱的隔离作用，减缓电化学作用，从而实现阴极保护。随着电流的不断流动，阳极材料也不断地消耗，同时也延长了油管的使用寿命。

2.3 阴极保护器结构

KXY-2型铝-锌合金阴极保护器由上接头、油管阳极合金体、油管阴极支撑体和下接头组成，见图1。上接头为φ73.0 mm标准油管母扣、下接头为φ73.0 mm标准油管公扣，其主要作用是连接油管柱;浇铸合金体主要成分为铝－锌合金，其次还有铟、钛等稀有金属，以提高其导电能力，其主要作用是放出电子，并供给被保护体充足的自由电子;合金支撑体主要作用是把上下接头及浇铸合金体连接为一体。

2.4 阴极保护器性能指标

KXY-2型铝-锌合金阴极保护器的性能指标见表1。

表1 铝-锌合金阴极保护器的性能指标

(1)被保护管段所需电流计算:

I—被保护管段所需电流，即牺牲阳极发生的电流A;

D—保护管段的直径，m;

L—保护管段的长度，m;

i最小—最小保护电流密度，mA/m2。

(2)所需阳极总质量计算:

G—所需牺牲阳极总质量，kg;

I—牺牲阳极发生的电流，A;

t—设计使用寿命，a;

R—有效发生电量，A·h/kg;

η—电流效率，%。

(3)所需阳极支数计算:

n—所需阳极支数;

G—牺牲阳极总质量，kg;

g—单个阳极的质量，kg。

3 阴极保护器的使用方法及现场应用

3.1 使用方法

牺牲阳极合金体的接头为φ73.0 mm的标准油管扣，可以直接与φ73.0 mm的油管连接，另外其自然电位可以保护油管柱上下50 m(即100 m左右)，所以针对油井原则上安装时，每隔80～100 m安装一组，每组2支;对于腐蚀严重的井可以适当加密。比如泵深2 300 m，沉没度300 m计算，由于泵下、筛管附近的油管腐蚀比较严重，所以泵上安装3组、泵下安装1组、筛管下安装1组(见图2)。

注水井水质矿化度高，杂质多，加之注水水质不达标，特别是在油层附近以及井口附近的管柱，腐蚀比较严重;若按井深3 000 m计算，平均安装20只左右，其中井口以下10只(每100 m 1只)，喇叭口以上10只(每100 m 1只)见图3。

3.2 现场应用

以濮侧63井为例，该井2006年9月投产，2008年6月检泵时发现部分油管穿孔，到2009年7月连续检泵三次;后下入阴极保护器到2010年9月检泵，起出后油管无腐蚀现象，保护器腐蚀严重，检泵周期达300多天，达到了预期的效果。

3.3 效益评价

截止到2010年12月底，濮城油田共对9口井安装了阴极保护器，其中油井6口、水井3口，有效率达96%以上。若按一口油井安装10只、水井安装20只计算，1只阴极保护器按1600元计算，9口井应用阴极保护器共投入20.16万元，平均单井投入2.24万元。平均检泵周期延长了200天，平均检管周期延长了215天;一口油井检泵费按4万元计算，水井按3万元计算，一年内检泵或检管2次，仅作业维护费用达14万元，这样阶段投入产出比为1∶6.25，参见表2和表3。

表2 牺牲阳极防腐技术在油井中应用的效果

表3 牺牲阳极防腐技术在水井中应用的效果

4 结论

腐蚀是一个相当复杂的过程，种类也很多;生产井的情况比较复杂，一口生产井往往存在多种腐蚀类型，电化学腐蚀可能起着主要的作用，而其它的腐蚀相对来说比较轻，所以因井而异。牺牲阳极的合金要有足够的负电位，且电位稳定。阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落。有高的电流效率，即实际电容量与理论电容量的百分比数大。电化学当量高，即单位质量的电容量大。牺牲阳极保护法只是防腐蚀中的一种方法，对于复杂的生产井的腐蚀情况，采取的不仅仅是一种方法，而应是多种方法同时应用。

［1］马家谦.普通化学［M］.北京:化工工业出版社，2003:126

［2］纪云岭.油田防腐与防护技术［M］.北京:石油工业出版社，2006:175.

［3］张强，李家锋，孙爱平.海上油气田CO2/H2S腐蚀控制［J］.石油化工腐蚀与防护，2010.27(2):103.

Application of KXY-2 Al-Zn Alloy Cathodic Protector

Wu Libin，Sun Yayun，Yang Zongxia，Li Daqin
SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company(Puyang，Henan 457532)

The construction and working mechanism of KXY-2 Al-Zn alloy cathodic protector are described.The application of the protector technology has effectively mitigated electro－chemical corrosion of oil production wells and extended the production of the wells.Good economic benefits have been achieved.

Pucheng oil field，galvanic corrosion，cathodic protector，result

TE985.6

B

1007－015X(2011)04－0046－04

2011－01－ 20;

2011－06－07。

吴立滨(1974－)，助理工程师，1995年毕业于中国石化中原石油学校采油工程专业，现今在中国石化股份有限公司中原油田分公司采油二厂工艺研究所从事油藏管理工作。E-mail:wlbzy7420@sina.com