套管防腐扶正器的防腐性能评价

陈鹏伟， 赵密锋， 郭 亮

(1川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2低渗透油气田勘探开发国家工程试验室 3塔里木油田公司油气工程技术研究院)

塔里木油田油气藏埋藏深度深，地层温度高，腐蚀环境复杂，套管损坏现象严重[1-3]。自1998年以来，部分开发井简化井身结构，大段生产套管外固井水泥不连续或存在未封固段，导致套损非常严重。调研分析认为，油井套管腐蚀以外腐蚀为主，而高温、高压条件下，CO2、Cl-、高矿化度地层水是导致套损的重要原因[4-10]。

套管扶正器是一种固井工具，可以使套管顺利下到预定井深，并促使套管在井眼内居中，确保水泥浆顶替干净环空钻井液，获得较均匀水泥环，从而有效地提高固井水泥封固质量[11-16]。完井作业后，套管扶正器不再具备其他用途。套管防腐扶正器技术可以使固井后的扶正器“变废为宝”。其结合了套管扶正器和牺牲阳极阴极保护两种技术手段，通过有效导电连接，将牺牲阳极材料和扶正器进行结合，既能发挥扶正器基本功能，又能在地层水侵入时充当起套管外壁的“保护伞”，对套管外壁进行保护，有效降低套管外壁腐蚀。

一、防腐扶正器的研制

防腐扶正器的主要用途体现在以下两个方面：首先满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。其研制过程充分考虑了固井扶正器和阴极保护的技术特点和应用条件，通过对设计不同类型扶正器进行数值模拟、参数比较、制造工艺调研和成本核算，最终选定刚性分体型防腐扶正器为最优结果。其特点在于：

(1)优选带锥度ACME(爱克姆)螺纹扣，梯形牙型强度高，公差大，3.175°的锥度角在紧扣过程中为阳极筒(牺牲阳极材料)提供持续的沿径向收缩的力，保证加持效果、螺纹自锁，不会因振动退扣。

(2)通过螺旋导流加持端头产生的径向力使牺牲阳极阴极保护体的内表面与套管外表面大面积紧密贴合，从而达到良好的导电效果。

(3)预套紧，可实现快速夹持，便捷施工，零部件少，可靠性高。

防腐扶正器结构见图1。

图1 防腐扶正器

1螺旋扶正体 2限位螺钉 3阳极筒(牺牲阳极材料)

二、牺牲阳极材料评价

目前研制成功并被广泛用于钢铁设施阴极保护的牺牲阳极材料有3大类：镁阳极、锌阳极和铝阳极[17-19]。镁阳极电负性强，电流效率低，铝阳极表面极易钝化，综合考虑防腐扶正器应用介质的条件，优先选用锌合金牺牲阳极。

依据《牺牲阳极电化学性能试验方法》(GBT 17848-1999)对阳极材料的电化学性能进行测定。在25℃人造海水中，进行96 h的加速试验，调节可调电阻使阳极电流密度保持在1.5 mA/cm2，每天测量一次阳极试验的工作电位。人造海水的化学成分见表1。

表1 人造海水化学成分

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

实际电容量和电流效率检测结果见表2。

表2 锌阳极材料电化学性能

所用典型Zn-Al-Cd阳极材料的化学成分符合《锌-铝-镉合金牺牲阳极》(GB/T 4950-2002)中的化学成分要求，试验方法为《锌-铝-镉系合金牺牲阳极化学分析方法》(GB/T4951-2007)。

2.3 早期肾功能损伤检测阳性率比较 轻度组、重度组孕妇血清Cys-C、Hcy及尿mALB联合检测早期肾功能损伤阳性率均高于单独检测，差异有统计学意义(χ2=34.072、27.651，P<0.05)。见表3。

三、保护电位测试

1. 试验条件

1.1 腐蚀介质

1.2 试验装置

由于试验套管尺寸较大，需制作专用试验装置。试验装置由试验池、电开水器、增压泵、换热管及接头等组成。设计试验池壁和池底用10 mm PP(聚丙烯)塑料板焊接而成，试验池尺寸：2 400 mm×1 800 mm×400 mm(长×宽×高)，放置试验池的地面需进行找平处理，试验池底进行加厚处理，防止试验过程中池底破裂。设立套管支架，用于支撑套管，套管支架采用10 mm塑料板焊接而成。三根套管间隔为300 mm，套管两端距试验池壁200 mm，套管顶端距离试验池顶部100 mm。

试验用套管:选用哈得4油田套管常用材质BG110-3Cr，外径139.7 mm。截取2 m长套管用于模拟评价试验，套管两端使用堵头进行密封。

套管腐蚀试验装置示意图见图2。

图2 套管腐蚀试验装置

1试验装置和介质 2套管 3套管防腐扶正器

根据模拟水水质参数，确定出模拟洛河地层水中各种无机盐的加量。共配置模拟洛河地层水1.2 m3，所用化学添加剂均为工业品。

表3 模拟地层水所需化剂质量

按照表3中各种化剂的质量，将药剂均匀抛洒在防腐池中，通过搅拌和加热的方式，使药剂溶解充分,并加入1%盐酸溶液调节腐蚀介质pH值至6.5。

2. 保护电位测试

2.1 测试方法

目前阴极保护保护电位测量的方法主要包括地表参比法和近参比法两种[20]。该试验采用近参比法进行套管保护电位测量，测量示意图见图3。

2.2 数据分析

根据BG110-3Cr材质的套管外壁保护电位试验数据制作出保护电位随时间的变化关系曲线，见图4。

由图4可以看出：①加装防腐扶正器的套管在放入试验介质后，套管电位迅速极化，在100 h后达到-0.85 V；②套管保护电位持续极化，逐步趋于稳定，最终达到-0.95～-1.00 V；③三种材质的套管均达到最小保护电位-0.85 V要求，套管保护电位为-0.95 V；④以防腐扶正器为中心，套管两端保护电位呈中心对称，保护电位曲线高度重合，保护面积达100%。

图3 近参比法测量套管保护电位

1高阻电压表 2参比电极 3试验池和腐蚀介质 4套管

图4 保护电位随时间变化

四、结论

(1)套管防腐扶正器不仅可以作为固井工具使用，在地层水入侵后，还可以发挥阴极保护作用，对套管外壁进行有效防护。

(2)防腐扶正器所用的阳极材料，经测试，电容量为784.56 A·h/kg，电流效率为95.68%，达到标准中的技术要求。

(3)经过模拟试验证明，套管防腐扶正器对BG110-3Cr材质套管有很好的保护效果，保护电位均小于-0.85 V。