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阴极保护论文
从式井组套管阴极保护应用评价
编写：
孙晓琼白红艳
审核：
李永长
审定：
吴宗福
采油工艺研究所采油室
二00二年十二月二十四日
从式井组套管阴极保护应用评价
摘要：
陇东油田油水井的套管腐蚀问题是制约油田老井稳产及影响井下作业质量和效益的一大难题。
本文就阴极保护的基本原理、系统建立、运行管理及经济效益进行了阐述，并就阴极保护在陇东油田的应用进行了评价，目的在于加强套管阴极保护的管理力度，提高油水井套损井阴极保护的管理水平，从而减缓陇东油田套损井的损坏。
主题词：
从式井组阴极保护应用效益评价
一、概况
陇东油田近年来每年新增套损井40口左右，损失产能6-8万吨，相当于陇东油田年新建产能的1/3-1/4（历年套损井数见图1）。
截止目前，陇东油田套损井总数已达到458口，其中油井394口，水井64口，占油水井总井数的23.8%，直接用于套损井维护和治理的费用每年近千万元，增加了油田开采的成本和井下作业的难度，同时由于套管破损后对油田开发造成严重的危害表现在一是直接造成产能损失;二是注采井网失调，水驱动用程度低，对油层的控制能力大大降低;三是动态监测资料录取困难;四是套管破损后井筒状况进一步恶化，措施作业难度加大。
严重影响了油田的稳产上产和油田开发的整体效益。
从式井组外加电流阴极保护系统是预防套管外壁腐蚀的有效途径。
二、阴极保护的基本原理
套管处在以地层水为介质的溶液中,由于套管表面存在一些杂质及不同套管所处的地层电位的不同而形成许多腐蚀原电池.原电池的阳极区发生腐蚀,不断输出电子,同时金属离子溶入电解质溶液中,阴极区发生阴极反应,电解质溶液中的氢离子、氧分子,或其他能吸收电子的物质在其上进行阴极还原反应,从而最终导致套管的腐蚀，其反应如下:
阳极反应：
Fe-2e→Fe2+
阴极反应：
2H++2e→H2↑
如果在套管上通以阴极电流,金属电位会向负的方向变化,即由于外加电流与原来的阳极电流方向相反,而与原来的阴极电流方向相同,故原来的阳极电流减小而阴极电流增加,金属的腐蚀速度就下降,当金属表面阴极极化到一定程度时,阴阳极达到等电位,原电池的腐蚀就被迫停止,此时,外加电流值等于阴极电流值,即阳极电流值为0,套管的腐蚀就停止,见图2。
这一过程也可用极化曲线来说明，见图3，未通电保护时，金属在电解质溶液中腐蚀电池阳极的平衡电位为E0a，阴极的平衡电位为E0c，短路时的腐蚀电位为E自腐，自腐蚀电流为I自腐。
当给金属通以阴极极化电流，电流达到Il时，腐蚀系统的电位向负移至El，阳极腐蚀电流降低到I腐，当阴极极化电流达到阴极的Ip，腐蚀系统的电位继续负移至E0a时，阳极的腐蚀电流变为零，从而使电池的腐蚀电流也变为零，即达到完全保护。
三、从式井组阴极保护系统的构成
从式井组阴极保护系统主要由阳极地床、阴极站、被保护油水井及附助排流装置组成。
如图4所示。
（一）、阳极地床
阳极地床的建立必须考虑两个方面的问题，即阳极材料的消耗和阳极气体产物的逸放，其目的是延长阳极的使用寿命，等效增大阳极体积，降低阳极接地电阻。
陇东阳极地床主要由深井阳极，导气管，填充物，下井电缆组成如图5所示。
具体施工是将1001500高硅铸铁多支并联成深井阳极，通过下井电缆与阴极站直流配电柜的阳极连接，并以立式深埋方式，整体吊装下入井内，周围以Ф0.3-0.4MM焦碳粉填充，且阳极上部与40mm无缝钢管相连至地面，保证气体产物的逸出，降低电阻，同时在必要的时候可以往里面注水。
其余部分以水泥封固。
平面上阳极井的位置选择在被保护油水井的中心部位，与被保护油水井的地面距离达到50m以上。
深度是20-150m的低电阻深部水层，保证整个阴极保护回路电阻最小。
阳极地床的用途是通过它把保护电流送入地层，再经地层进入套管，使套管表面发生阴极极化，防止套管在地层中的电化学腐蚀。
（二）、阴极站
阴极站是设于值班房的专用仪器间，主要由动力配电柜、硅整流防蚀仪、直流分配柜组成。
动力电引入动力电源柜，可有效控制动力电源，监测交流输入电压、交流输入电流，记录运行仪器的电能消耗。
硅整流防蚀仪将输入的380V交流电压送入调压器进行手动调压后降压，以桥式整流器整流后，得到稳定的脉冲直流电压，直流电源“+”接阳极井，直流电源“-”通过直流分配柜分配至几个油井，并通过埋地电缆与油井套管相连，使油井套管得到阴极保护电流，油井套管电位降低，当套管电位降至一定值后，套管外腐蚀停止。
（三）、被保护油水井
被保护油水井以井组为单元，通常一个井组有3口以上的油水井，其套管与阴极站直流分电柜的阴极相连，从而使电流形成回路，达到套管保护的目的。
同时通过绝缘法兰将套管与油水井外接管线隔开，防止阴极保护电流沿管线流失，提高套管的保护效果。
（四）、排流装置
在阴极保护时，有部分电流进入地层散失至绝缘法兰的外接管线上，导致管地电位正向偏移，当偏移值达到100毫伏以上时，管线的腐蚀速度将增大数十倍以上，因此必须对外接管线加装排流装置，恢复外接管线的自然管地电位，保护外接管线不受杂散电流的影响。
现场采用镁阳极接地装置保护外接管线阵图6所示，其原理是利用阳极对地电位较负的特性，阳极与管线是位差较大的特点，使镁阳极向管线给电子，提供负电，一方面中和管线上的正向杂散电流，另一方面对外接管道起保护作用。
四、阴极保护系统参数的确定
1、保护电流的确定
在阴极保护中判断油水井套管是否达到完全保护，要借助参比电极测量套管的保护电位，为了达到需要的保护电位，都是通过改变保护电流密度来实现，因此，保护电位和保护电流密度是阴极保护的两大参数。
一口井的保护电流通常可以通过利用E-LOGI法来确定。
这种方法的原理是把套管看成一个电极，给套管提供保护电流，当保护电流不断增加但没使套管完全极化时，其电位上升（指绝对值）
缓慢，当保护电流增加到使套管完全极化时，其电位将随电流的对数而变化。
这两条直线的交点所对应的电流值就可认为是该井套管所需的保护电流如图7所示。
2、保护电位的确定
在实际运行过程中,并不是对每口井的保护电流进行测定,而是根据一定的原则对保护电位进行规定。
图8是金属铁的电位—PH图，从图可看出，当溶液的PH值等于7时，铁的腐蚀电位等于-0.50～-0.60V（vsCu/CuSO4）处于活化腐蚀状态，若使其电位下降到-0.94V（Cu/CuSO4）以下，则铁从腐蚀区即进入免蚀区（见图中黑点及箭头方向）。
陇东油田保护电位的确定通常遵循以下的原则：
①通常情况下，最小保护电位至少-0.94V（Cu/CuSO4）以下，可达到使金属停止腐蚀。
②施加保护电流后，管地阴极保护电位较自然电位向负方向偏移值至少为300mV。
③中断电源后，立即测得管道阴极极化电位较自然电位在负方向偏移值应大于100mV。
④在有硫酸盐还原菌参与腐蚀的环境中，硫酸根含量大于0.5%时，阴极极化电位应达到-0.95V或更负。
⑤最负保护电位。
阴极保护电位愈负，保护程度愈高，保护距离也越长。
但过负的电位将使阴极保护管道外防腐涂层与管道金属的粘接力破坏，产生阴极剥离，在阴极氢离子得到电子后成为氢原子,氢原子渗入金属内部后,使金属变脆,并在应力的作用下发生脆裂.
五、外加电流阴极保护系统在陇东油田的应用
外加电流阴极保护首先于2000年在北三区木16-10、14-11、13-12三个高产井组共10口油井、2口水井进行了实验，确定出了陇东油田的保护电流及电位等参数，为后期阴极保护的大面积推广提供了经验。
至2004年底计划在陇东油田的11个区块共243口油水井实施阴极保护（见陇东油田从式井组阴极保护规划分布图），至2002年11月份共对17个井组66口油水井及1口水源井实施了该项技术。
目前阴极保护系统运行良好，保护井组中未发现一口油水井发生套破现象（阴极保护效果见附表1）。
六、阴极保护运行的管理
丛式井组阴极保护是保证油水井地下套管不受腐蚀，延长套管寿命的重要措施，因此在使用中必须精心维护和管理。
1、保护参数
井口电位测试，最小保护电位：
-0.95V（CuSO4参比电极）：
最大保护电位：
-1.50V。
2、套管保护的评价
由于套管纵深地下几百米以至上千米，穿越土层、岩层、水层等多种地质结构，除了井口套管外，套管的其它部位很难利用参比电极测量各深度处的保护电位，导致深部套管因达不到保护电位而影响整井的阴极保护效果，针对此种情况，可以利用油井套管井下阴极保护电位的地面原位计算方法确定套管不同深度处的保护电位，该方法在胜利油田运行过种中，其计算出的电位值与实测的电位值误差通常在5%以下，最大值不超过6%。
明显优于其它方法。
该方法是假设油井套管由内层的长为L1的油层套管和外层的长度为L2的表层套管组成，在已建立的油井套管井下阴极保护电位的地成原位计重点项目方法中，将整个套管分为这样两段，第一段从井口至外层套管末端深度从0到L2，这一部分由长度为L2的双层套管组成，第二段从外层套管端到内层套管端深度从L2至L1，这一部分由长度为L1-L2的单根套管组成，然后分辊推导出各段套管阴极保护电位的计算方法
对于双层套管
EP（X）=EC（0）+△E×EXP[-1000XγS1×I1（0）/△E（0）]（0≤X≤L2
其中：
I1（0）=IA（0）×γ2S2/（γ2S1+γ2S2）
△E（0）=EP（0）-EC（0）
对于单层套管
EP（X）=EC（0）+△E（L2）×EXP{-1582（X-L2）×γS1[IA（L2）/△E（L2）/（L1-L2）]}（L2≤X≤L1）
式中：
△E（L2）=△E（0）×EXP[-1000L2γS1×I1（0）/△E（0）]
EP（X）：
在X深度处的套管阴极保护电位（MV）；
EP（0）：
在井口处的套管阴极保护电位；
EC（0）：
在井口处的套管自然腐蚀电位；（-0.84V）
△E（0）：
施加阴极保护后套管在井口处的电位改变值；
IA（0）：
内、外层套管在井口处的阴极保护电流的总和（A）；
I1（0）：
内层套管在井口处的阴极保护电流；
γS1：
内层套管单位长电阻（Ω/M）；（50.43×10-6Ω/M）
γS2：
外层套管单位长电阻（Ω/M）；（24.07×10-6Ω/M）
L1：
油层套管长长（M）
L2：
表层套管长度（M）
△E（L2）：
施加阴极保护后套管在轼深度处的电位改变值；
IA（L2）：
施加阴极保护后套管在轼深度处的总电流。
通过以上的公式，我们在测得套管的自然电位EC（0），阴极保护电位EP（0），阴极保护电流IA（0），以及γS1、γS2、L1、L2的值后，就可以计算出套管某一深度处的保护电位。
3、日常操作管理：
①起动前检查线路，然后合上动力配电柜总空气开关，检查三相交流电压是否正常，有无缺相，检查完好后，在合上GCA硅整器空气开关，平稳缓慢调节设备调压器（在后门轻转调压器手轮），单井按5A供电，总电流为总井数×5A。
②调整单井电流前，先将总供电流调至所需井数电流值，调节各单井供电流达到5A即可，此时井口保护电位为-1.00V～-1.25V。
③阴极保护设备长期运行，如检修等需停止运行时，先将硅整流器输出电流调至为零，断开设备电源开关，最后断开配电柜总开关。
④当电网供电出现故障停电时，应立即断开总电源空器开关，平常不准随意调接设备。
⑤五口井以上有两台防蚀电源，正常工作一台，备用一台，当出现故障时，应立即起动备用设备，检修故障。
⑥搞好室内设备的清洁卫生，注意保持室内干燥，通风良好，防止仪器发热。
⑦每班记录一次设备输出电压、输出电流，单井供应电流。
每月检查测试一次各井口保护电位，每年测试一次管线的管地电位。
4、故障处理
①设备无电流输出，检查电源是否正常，设备内各保险是否烧坏，阳极外线是否断开。
②整流器工作中嗡嗡发响，无直流输出，可能整流器半导体元件被击穿，需更换同规格的半导体元件。
如发生其它较大故障破坏请专业人员检修，运行参数不得随意改变。
5、井口电位测试方法
（1）准备固体硫酸铜参比电极一只，TD830数字万用表一只，铁锹一把。
（2）测量前先将电极极化，即将参比电极在硫酸铜溶液中浸泡一昼夜。
（3）参比电极放置位置见示意图，在该点挖开无油泥填方，挖至潮湿土壤中，将参比电极放入，埋土至盖上电极，必要可倒水使土潮湿。
（4）万用表打至直流2伏档，参比电极接线至万用表正极，负极接套管，接点用砂纸除锈并除油，待读数稳定后记录。
（5）测试完后，垫好参比电极坑，洗干净参比电极放室内固定处待留下次使用。
七、效益评价
1、每年套损井治理费用
（1）隔采费用：
从历年的油井套破情况统计，每年套破井数以30口井的速度递增，每口井平均每年以隔采2.5次计算，每隔采一井次的费用为1.6万元，则全年隔采费用为：
30×1.6万元×2.5=120万元
（2）下小套费用：
2002年共下小套井16井次，每井次费用为32.5万元，处理井筒17井次，每井次6万元，合计下小套费用为：
16×32.5万元+17×6万元=622万元
（3）更新井费用：
2002年更新井11口，每井次160万元。
11×140万元=1540万元
2002年套损井治理费用合计为：
2282万元
2、效益评价
目前为止，共建立阴极保护井组17个井组计66口油水井，阴极保护每个井组的投入为20万元，投入费用为17×20万元=340万元。
至2004年可以达到对65个井组共计204口油井、38口水井及1口水源井进行保护，其投入费用为65×20万元=1300万元，即仅需投入套损井治理一年费用的一半，即可完成对15%的油水井套管20年的保护，具有很好的推广价值。
八、认识及建议
1、从式井组套管阴极保护系统的建立是保护油水井套管的有效措施，同时具有管理方便，一次性投入，长期获利的优点。
2、从式井组套管阴极保护系统建立后，必须要加强日常管理。
每年定期对保护电位及电流密度、自然电位进行测定，从而随时调整保护电位是保证阴极保护系统高效运行的有力保障。
3、目前套管阴极保护井数仅占总开井数的4.8%，不可能迅速遏止陇东油田套损井增加的趋势，必须加大阴极保护的面积，增加投入，实现油水井的正常生产。
4、阴极保护仅仅是套损井治理的一项有效措施，要实现阴极保护与日常油水井防腐相结合，才能保证油水井的正常生产。
5、在加阴极保护的同时，研究引用环氧冷缠带、牺牲阳极阴极保护及其它一些预防措施有实行阴极保护的有效补充，从而形成防止油水井套损系列技术，提高套损井损坏预防的整体水平。
采油二厂阴极保护效果统计表附表1
2002.11.28
序号
井组
单井井号
输入电压
直流电压
直流电流
单井电流值
检测电位
备注
（V）
（V）
（A）
（A）
（V）
1
木11-9
木11-9
370
24
21
4.1
-1.1
2
木13-11
5.5
-1.23
3
木14-11
5
-1.07
4
木12-10
5.2
-1.1
5
大14-10
木14-10
375
370
18
4.5
-1.12
6
木13-9
4.2
-0.87
7
木11-8
4.2
-0.77
8
木18-9
木18-9
380
13
22
5
-1.41
9
木18-11
4
-1.62
10
木17-8
5.2
-1.63
11
木17-7
5
水井
12
木14-6
木14-6
360
25
21
4
13
木16-8
4.1
14
木14-7
4.1
15
木13-6
4.1
-1.5
16
木14-8
木14-8
380
25
21
4
水井
17
木16-9
4
18
木15-9
4
-1.24
19
木14-9
4.1
-1.51
20
中78-2
中75-2
380
48
14
5
-1.24
21
中75-3
5
-1.18
22
中78-2
5
-1.07
23
南74-19
南74-19
400
27
19
4.1
-1.25
24
南73-20
4.2
-1.24
25
南74-20
4.2
-1.29
26
南73-21
4
27
南73-19
南73-19
395
45
16
5.1
-1.12
28
南72-19
5.2
-1.11
29
南72-20
4.8
-1.13
30
华78-4
华78-4
400
50
15
4
-1.08
31
华78-5
4
-1.06
32
华78-2
4
-1.07
33
华104
华104
405
35
20
4
-1.1
34
华78-6
4
-1.3
35
华78-7
4
-1.11
36
华78-3
4
-1.11
37
华79-5
华79-5
400
25
20
3
-1.3
38
华80-5
3
-1.44
39
华78-31
2
-1.4
40
华79-6
3
1.36
41
华78-101
3
1.4
42
华78-91
2
-1.33
43
华77-7
华77-7
400
20
15
4
-1.43
44
华78-9
4
45
华78-10
4
-1.45
46
华76-81
华76-81
380
60
20
4
-1.12
47
华77-81
4
-1.07
48
华77-71
6
-1.01
49
华76-82
4
-1.08
50
南174-4
南174-4
400
50
35
6
-1.13
51
南10-121
6
-1.1
52
南10-122
4
-1.33
53
南10-123
4
54
南10-131
6
-1.22
55
南10-133
4
-1.24
56
南11-133
4
-1.12
57
南9-153
南9-153
340
25
15
5
-1.15
58
南9-154
5
-1.12
59
南8-142
5
-1.14
60
南9-121
南9-121
375
25
20
5
-1.12
61
南9-123
4
-1.1
62
南11-134
南8-133
380
35
15
4
-1.28
63
南11-134
4
-1.25
64
南11-135
5
-1.04
65
南11-14
5
-1.1
66
南9-122
4
-1.25
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