KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器的應(yīng)用

吳立濱，孫亞云，楊宗霞，李大欽

(中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮陽(yáng) 457532)

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器的應(yīng)用

吳立濱，孫亞云，楊宗霞，李大欽

(中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮陽(yáng) 457532)

介紹了KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器的結(jié)構(gòu)及原理。實(shí)際應(yīng)用表明，該項(xiàng)技術(shù)有效地減緩了生產(chǎn)井的電化學(xué)腐蝕程度，延長(zhǎng)了生產(chǎn)井的作業(yè)周期，達(dá)到了預(yù)期效果，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

濮城油田 電化學(xué)腐蝕 陰極保護(hù)器 效果

犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)是目前較為普遍使用且行之有效的防腐措施之一［1］，主要原理是給被保護(hù)體補(bǔ)充大量電子，使被保護(hù)體始終處于電子過(guò)剩的狀態(tài)，使金屬原子不容易失去電子而變成離子溶解到電解質(zhì)中去，從而達(dá)到防腐蝕的目的。

1 影響油田電化學(xué)腐蝕因素［2－3］

濮城油田屬于復(fù)雜斷塊油氣田，開發(fā)生產(chǎn)中，常伴有二氧化碳、硫化氫等腐蝕性氣體，產(chǎn)出液中含有大量的溶解鹽等，這些都是引起油田電化學(xué)腐蝕的重要因素。

(1)二氧化碳的影響:二氧化碳溶于水后，水呈弱酸性，產(chǎn)生碳酸根離子和氫離子，從而引起氫的去極化腐蝕，氫得到電子被還原，鐵失去電子被氧化，造成金屬表面不斷腐蝕。

(2)硫化氫的影響:硫化氫在溶液中，產(chǎn)生游離的硫離子和氫離子，金屬與硫離子接觸發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硫化鐵沉淀，從而引起金屬的應(yīng)力腐蝕。

(3)溶解氧的影響:當(dāng)產(chǎn)出液中的氧質(zhì)量濃度達(dá)到0.1 mg/L時(shí)，就會(huì)引起嚴(yán)重的腐蝕。溶解氧與碳鋼中的鐵元素發(fā)生反應(yīng)，鐵被氧化失去電子，成為帶電離子Fe2+與水中的OH－發(fā)生反應(yīng)生成Fe(OH)2，進(jìn)一步被氧化成Fe(OH)3，脫水后生成Fe2O3沉淀，碳鋼表面不斷剝蝕，導(dǎo)致油管桿腐蝕穿孔。

(4)pH值的影響:金屬在pH值為4～10受氧控制，不受pH值的影響;pH值小于4時(shí)，液體呈酸性，金屬被腐蝕，pH值為10～13，液體呈堿性，使得金屬表面產(chǎn)生鈍化性，腐蝕速率下降，但是pH值過(guò)高時(shí)，腐蝕速率又會(huì)上升。濮城油田的水質(zhì)為氯化鈣型，氯離子質(zhì)量濃度為1 300-100 000 mg/L，管、桿結(jié)鹽結(jié)垢相當(dāng)嚴(yán)重。

(5)溶解鹽的影響:溶解鹽中的氯離子和硫酸根離子具有較強(qiáng)的腐蝕性，氯離子容易造成碳鋼的應(yīng)力腐蝕，使得管桿斷裂，而且氯離子含量越高，腐蝕越大。濮城油田衛(wèi)42-43區(qū)塊油管結(jié)鹽問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重，油管的表面上鹽垢有10 mm左右。

(6)SRB(硫酸鹽還原菌)的影響:SRB在無(wú)氧環(huán)境下將水中的無(wú)機(jī)硫酸鹽還原成硫化氫，硫化氫與鐵發(fā)生反應(yīng)，造成管線的腐蝕。

2 KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器開發(fā)

2.1 開發(fā)依據(jù)

根據(jù)電化學(xué)腐蝕的原理，以及其影響因素分析認(rèn)為，不同材質(zhì)的金屬，其電勢(shì)電位也不同，在同一電解質(zhì)溶液中，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，較活潑的金屬由于失去電子而發(fā)生腐蝕。根據(jù)這一原理，研制開發(fā)了KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器。

2.2 陰極保護(hù)器工作原理

在油水井的油管柱上安裝陽(yáng)極合金體，該陽(yáng)極合金體與油管處于同一電解質(zhì)環(huán)境下構(gòu)成一個(gè)新的宏觀電池體系，由于澆鑄合金體的材質(zhì)為鋁－鋅合金，而油管的材質(zhì)為碳鋼，在同一電解液中，不同材質(zhì)，電極電位也不同，這樣就產(chǎn)生了電位差。由于陽(yáng)極合金體的電極電位較負(fù)，這一負(fù)的電極是新電池的陽(yáng)極，而油管則為陰極，從陽(yáng)極體上通過(guò)電解質(zhì)向油管提供一個(gè)陰極電流，使油管陰極極化，其中鋁-鋅合金陽(yáng)極溶解(Al2O3·H2O)形成一種高電阻膜，在管柱表面起到井液和管柱的隔離作用，減緩電化學(xué)作用，從而實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)。隨著電流的不斷流動(dòng)，陽(yáng)極材料也不斷地消耗，同時(shí)也延長(zhǎng)了油管的使用壽命。

2.3 陰極保護(hù)器結(jié)構(gòu)

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器由上接頭、油管陽(yáng)極合金體、油管陰極支撐體和下接頭組成，見圖1。上接頭為φ73.0 mm標(biāo)準(zhǔn)油管母扣、下接頭為φ73.0 mm標(biāo)準(zhǔn)油管公扣，其主要作用是連接油管柱;澆鑄合金體主要成分為鋁－鋅合金，其次還有銦、鈦等稀有金屬，以提高其導(dǎo)電能力，其主要作用是放出電子，并供給被保護(hù)體充足的自由電子;合金支撐體主要作用是把上下接頭及澆鑄合金體連接為一體。

2.4 陰極保護(hù)器性能指標(biāo)

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護(hù)器的性能指標(biāo)見表1。

表1 鋁-鋅合金陰極保護(hù)器的性能指標(biāo)

(1)被保護(hù)管段所需電流計(jì)算:

I—被保護(hù)管段所需電流，即犧牲陽(yáng)極發(fā)生的電流A;

D—保護(hù)管段的直徑，m;

L—保護(hù)管段的長(zhǎng)度，m;

i最小—最小保護(hù)電流密度，mA/m2。

(2)所需陽(yáng)極總質(zhì)量計(jì)算:

G—所需犧牲陽(yáng)極總質(zhì)量，kg;

I—犧牲陽(yáng)極發(fā)生的電流，A;

t—設(shè)計(jì)使用壽命，a;

R—有效發(fā)生電量，A·h/kg;

η—電流效率，%。

(3)所需陽(yáng)極支數(shù)計(jì)算:

n—所需陽(yáng)極支數(shù);

G—犧牲陽(yáng)極總質(zhì)量，kg;

g—單個(gè)陽(yáng)極的質(zhì)量，kg。

3 陰極保護(hù)器的使用方法及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 使用方法

犧牲陽(yáng)極合金體的接頭為φ73.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)油管扣，可以直接與φ73.0 mm的油管連接，另外其自然電位可以保護(hù)油管柱上下50 m(即100 m左右)，所以針對(duì)油井原則上安裝時(shí)，每隔80～100 m安裝一組，每組2支;對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的井可以適當(dāng)加密。比如泵深2 300 m，沉沒度300 m計(jì)算，由于泵下、篩管附近的油管腐蝕比較嚴(yán)重，所以泵上安裝3組、泵下安裝1組、篩管下安裝1組(見圖2)。

注水井水質(zhì)礦化度高，雜質(zhì)多，加之注水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，特別是在油層附近以及井口附近的管柱，腐蝕比較嚴(yán)重;若按井深3 000 m計(jì)算，平均安裝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)見圖3。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以濮側(cè)63井為例，該井2006年9月投產(chǎn)，2008年6月檢泵時(shí)發(fā)現(xiàn)部分油管穿孔，到2009年7月連續(xù)檢泵三次;后下入陰極保護(hù)器到2010年9月檢泵，起出后油管無(wú)腐蝕現(xiàn)象，保護(hù)器腐蝕嚴(yán)重，檢泵周期達(dá)300多天，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.3 效益評(píng)價(jià)

截止到2010年12月底，濮城油田共對(duì)9口井安裝了陰極保護(hù)器，其中油井6口、水井3口，有效率達(dá)96%以上。若按一口油井安裝10只、水井安裝20只計(jì)算，1只陰極保護(hù)器按1600元計(jì)算，9口井應(yīng)用陰極保護(hù)器共投入20.16萬(wàn)元，平均單井投入2.24萬(wàn)元。平均檢泵周期延長(zhǎng)了200天，平均檢管周期延長(zhǎng)了215天;一口油井檢泵費(fèi)按4萬(wàn)元計(jì)算，水井按3萬(wàn)元計(jì)算，一年內(nèi)檢泵或檢管2次，僅作業(yè)維護(hù)費(fèi)用達(dá)14萬(wàn)元，這樣階段投入產(chǎn)出比為1∶6.25，參見表2和表3。

表2 犧牲陽(yáng)極防腐技術(shù)在油井中應(yīng)用的效果

表3 犧牲陽(yáng)極防腐技術(shù)在水井中應(yīng)用的效果

4 結(jié)論

腐蝕是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，種類也很多;生產(chǎn)井的情況比較復(fù)雜，一口生產(chǎn)井往往存在多種腐蝕類型，電化學(xué)腐蝕可能起著主要的作用，而其它的腐蝕相對(duì)來(lái)說(shuō)比較輕，所以因井而異。犧牲陽(yáng)極的合金要有足夠的負(fù)電位，且電位穩(wěn)定。陽(yáng)極極化要小，溶解均勻，產(chǎn)物易脫落。有高的電流效率，即實(shí)際電容量與理論電容量的百分比數(shù)大。電化學(xué)當(dāng)量高，即單位質(zhì)量的電容量大。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法只是防腐蝕中的一種方法，對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)井的腐蝕情況，采取的不僅僅是一種方法，而應(yīng)是多種方法同時(shí)應(yīng)用。

［1］馬家謙.普通化學(xué)［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2003:126

［2］紀(jì)云嶺.油田防腐與防護(hù)技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006:175.

［3］張強(qiáng)，李家鋒，孫愛平.海上油氣田CO2/H2S腐蝕控制［J］.石油化工腐蝕與防護(hù)，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。

吳立濱(1974－)，助理工程師，1995年畢業(yè)于中國(guó)石化中原石油學(xué)校采油工程專業(yè)，現(xiàn)今在中國(guó)石化股份有限公司中原油田分公司采油二廠工藝研究所從事油藏管理工作。E-mail:wlbzy7420@sina.com