井筒防腐外加电流阴极保护技术在延长油田的应用

安亚峰 张军连 刘艳梅（延长油田股份有限公司开发部， 陕西 延安 716000）

井筒防腐外加电流阴极保护技术在延长油田的应用

安亚峰 张军连 刘艳梅（延长油田股份有限公司开发部， 陕西 延安 716000）

针对延长油田井筒腐蚀状况，试验采用外加电流阴极保护技术解决井下套管的腐蚀问题。详细论述了井下套管的外加电流阴极保护技术的研究应用情况，把一个井场区域内所属油水井井下套管作为一个保护整体来统筹考虑，在井组阴极保护前期馈电试验、数值模拟计算的基础上，优化了技术方案，实施后达到预期目的，成功实现了井组油水井套管保护， 为油田油水井井下套管实施阴极保护提供了新的方法。关键词：套管；腐蚀；外加电流；阴极保护

在油田开发过程中，随着注水开发时间的延长，油水井套管腐蚀破损越来越突出，严重者会影响油田的正常开发，因此积极开展套管腐蚀治理方法的研究，寻求井筒防腐防垢新技术的应用，从而保护油水井套管，使其减少腐蚀，延长使用寿命显得尤为重要。

1 延长油田套管腐蚀现状

延长油田油水井完井多采用套管完井方式，目前油田开发进入中高含水期，平均采出液含水65%，部分油区含水达到80%以上，含油污水矿化度30000～120000mg/l以上，pH值在5.5～6.5之间，根据油田生产情况反映油水井套管腐蚀受损情况极为严重，部分区域腐蚀速率达到0.36mm/a，超过标准的4倍以上。虽然在生产中采用投加缓蚀剂、套管内防腐、使用耐腐蚀材质井下管柱等方法，但由于管理不到位及技术本身存在的缺陷，使用效果较差。

根据对油水井套管腐蚀情况的调查发现，由于产出水具有pH值低、矿化度高、多价金属离子含量高、HCO3-、Cl-含量高等特点，电化学腐蚀是造成油水井套管腐蚀严重的主要因素。

表1 延长油田区域产出水组分分析数据表

2 井筒外加电流阴极保护技术机理

井筒外加电流阴极保护技术是对油水井井下套管施加阴极电流，强行抑制阴极表面的腐蚀化学反应。当阴极电流达到套管自腐蚀电位时，套管表面开始极化，阴极区消失，金属氧化溶解过程停止，腐蚀得到控制，套管得到保护。

无阴极保护时：

阴极部分反应为：O2+2H2O+4e-4OH-

阳极（套管表层破损处）：Fe Fe2++2e-

施加阴极保护后：

阴极（套管表层破损处）反应为：

O2+2H2O+4e-4OH-（电位在-0.85V～-1.15V之间）

H2O+2e-H2+2OH-（电位比-1.15V更负）

阳极反应：2H2O-4e-+4Cl-O2+4HCl

3 现场应用情况及评价

2013年11月对西区采油厂3306和正171两个井场进行前期馈电试验与数值模拟计算的基础上，先后实施了外加电流阴极保护技术。

（1）系统技术指标及工艺参数 ①技术指标。套管阴极保护系统设计保护范围12口生产井；保护率100%；保护度≥85%；在有效保护期间井口和测试点的保护电位负于-0.85V，最负点保护电位控制在-1.3V；对被保护油井套管的防腐层不产生任何有害影响；对外界不产生干扰作用；有效保护期不小于20年。②工艺参数。a.保护电流。保护电流密度为10mA/m2，井场生产套管、表层套管、水井套管、输油管路等保护面积为6164m2，测算保护电流为62A。b.阳极安装位置。根据电化学线性极化测试结果及阳极埋深100m、200m、300m数值模拟计算，并综合考虑阴极保护效果和地下介质条件，确定3306井组阳极安装在井组中间位置，埋深100米，距离井口至储油罐管线距离为12米。电化学线性极化测试曲线及模拟油水井阴极保护电位分布（图1、图2）。

图1 J55钢试样在土样中30天的动电位极化曲线

图2 油井阴极保护电位分布（阳极埋深100m）

3306井场优化后的阴极保护系统如下图布置（图3），将电源引至井场阴极保护站连接到恒电位仪。从恒电位仪接出一根阳极电缆到阳极井，向阳极井中的阳极提供电流。从阴极通电点再接一根电缆回到恒电位仪，形成一个回路。储油罐位置输油管线作为均压连线。注水井从阴极通电点另用均压线分别连接。控制参比电极分别埋设在井场中央和阴极保护站旁边，控制点选择离保护站最近的生产井套管。

图3 3306井场阴极保护系统布置图

（2）现场实施技术要点 井筒外加电流阴极保护技术现场实施技术要点主要包含以下三点：①外加电流阴极保护站由站内设备和站外设施两部分组成，其中站内由阴极保护间、阴极保护电源设备和配电盘组成；站外设施由辅助阳极地床、阳极接线箱电流分配器和连接电缆等构成。保护对象为油井套管和水井套管，但是由于施加保护后，电流的流过可能对井场其他钢质构建产生杂散电流，所以井场内、临时储油罐、输油管线一并包含在保护范围内。②阴极保护工程中，为确保套管始终处于良好的保护状态，阴极保护电源设备采用70A/70V的恒电位仪，将参比电极提供的信号反馈回设备，恒电位仪自动调节设备输出，使控制点电位维持恒定。优点是能使极化电位始终处在设定的保护电位上，缺点是一旦参比电极出现问题，恒电位仪停止工作。③采用深井阳极地床，辅助阳极安装在地下深处。使用广泛用于土壤环境中的低消耗、高稳定性、高输出电流的MMO金属氧化物阳极。规格是Φ377×4000mm，输出电流密度8A/m2，电阻率0.000056 ohm·cm。3306井组的阳极井内装Ф377×4000分段预制式阳极井体4组，每组的电流发生量为16安培，可提供64A保护电流。

（3）效果评价 外加电流阴极保护技术现场应用近一年，系统运行平稳，各井保护电位一直低于自腐蚀电位，各井未发生套管腐蚀现象，防腐蚀效果明显，可有效提高套管的使用年限。保护后各井电位变化情况见表2。

表2 3306号井场施加电流后的点位变化情况

4 结语

外加电流阴极保护技术可以有效地抑制油水井井下套管电化学腐蚀，明显降低井下管柱的腐蚀速率。通过外加电流阴极保护技术可对井场内多个油水井套管及一定范围内的输油、注水管线及附属设施进行保护，降低系统维护保养成本。使用恒电位仪、测试桩及参比电极可实现电位自动调控、系统电位变化检测方便。

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安亚峰（1969- ），男，高级工程师，1993年毕业于西安石油大学石油工程专业，工程硕士学位，从事油田开发相关工作。