一種隨油管入井預(yù)防套管腐蝕的工具研制

■質(zhì)量

一種隨油管入井預(yù)防套管腐蝕的工具研制

肖彥英1，李瓊瑋2，令永剛1，朱西柱1，涂學(xué)萬1，王威1

1.中國石油長慶油田分公司第十采油廠（甘肅慶陽745100）

2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院（陜西西安710018）

針對普通Al-Zn-In陽極材料隨著溫度升高電化學(xué)保護效果變差的問題，添加Sn、Mg、稀土等合金材料，研制出耐溫陽極材料，使其表面均勻溶解，電流效率提高了19%。根據(jù)油井套管內(nèi)防腐精準(zhǔn)度的需要，利用新型陽極材料研制出一種可隨油管入井而保護套管的耐溫犧牲陽極短節(jié)，配套簡便，由井下對比試驗可知其防腐效果明顯。

犧牲陽極；耐溫；套管；內(nèi)防腐

電化學(xué)腐蝕是導(dǎo)致生產(chǎn)油井套管腐蝕破損的主要原因之一，而油井套管質(zhì)量直接影響油井壽命和油田產(chǎn)量，甚至帶來環(huán)保隱患。犧牲陽極作為一種成熟的金屬保護技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田套管防腐工藝，其基本原理是活潑金屬與不活潑的套管鋼材在電解質(zhì)中形成原電池，活潑金屬作為陽極優(yōu)先被腐蝕溶解，使套管得到保護[1]。針對元城油田侏羅系油藏套管內(nèi)腐蝕嚴(yán)重、缺乏預(yù)防措施的問題，從改進陽極材料和研制便于配套的陽極短節(jié)工具兩方面入手，進行新型犧牲陽極保護套管工具的研制與試驗。

1 新型犧牲陽極材料研究

1.1 油井溫度對犧牲陽極電化學(xué)性能的影響

國內(nèi)外研究表明[2]，溫度的變化對陽極合金的性能有很大影響，隨著溫度升高，鋁陽極保護效率大大降低，這是因為在溫度高于35℃時鋁陽極會產(chǎn)生晶間腐蝕，當(dāng)溫度在50℃以上短時間（如1年）內(nèi)可能導(dǎo)致陽極全面分解[3-4]。國家低滲透油氣田勘探開發(fā)工程實驗室利用元城油田采出水作為實驗介質(zhì)，測試不同溫度下Al-2.5Zn-0.02In陽極的發(fā)生電量變化情況，發(fā)現(xiàn)陽極發(fā)生電量隨溫度升高而降低，隨溫度升高其保護作用減小，實驗曲線見圖1。

圖1 鋁陽極發(fā)生電量與溫度的關(guān)系

以侏羅系油井采集的硫酸鈉水型為介質(zhì)，實驗室測試對比3種標(biāo)準(zhǔn)陽極材料電化學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從30℃升高到50℃，鋁陽極的電流效率降低一半（表1）。

電流效率降低的主要原因是鋁合金中的晶界偏析相的電化學(xué)特性受溫度影響較大。常溫時晶界偏析相的陽極行為不明顯，但溫度較高時，鋁表面更易鈍化，且晶界偏析相可能轉(zhuǎn)化為陰極性，使晶界更易于溶解，大量晶粒脫落，電流效率降低，而鋅陽極在超過60℃的井溫環(huán)境下會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，失去保護效果。

1.2 新型耐溫陽極材料研制及對比測試

針對普通Al-Zn-In犧牲陽極隨著溫度升高、電流效率急劇下降、犧牲陽極表面溶解不均勻而導(dǎo)致保護壽命變短、保護效果變差等問題，實驗室環(huán)境下研發(fā)了適用于井筒高溫環(huán)境的耐溫陽極。通過大量實驗，向Al-Zn-In陽極中添加Sn、Mg、稀土等合金材料，使晶粒細(xì)化，減少偏析相的產(chǎn)生，增強了高溫條件下犧牲陽極的電化學(xué)性能，促使?fàn)奚枠O表面均勻溶解。

生產(chǎn)現(xiàn)場取元城油田懷平某井產(chǎn)出水為實驗評價介質(zhì)，在70℃條件下參照有關(guān)檢測評價方法[5]，對比測試原有陽極材料和新型陽極電化學(xué)性能，評價結(jié)果見表2和圖2。由表2可知，新型陽極材料實際電容量提高了63.3%，電流效率提高了19%，且陽極材料表面均勻溶解，工作壽命較原材料有所提高。

表1 不同陽極的電化學(xué)特性與溫度的關(guān)系

表2 耐溫陽極電化學(xué)性能評價

圖2 普通鋁陽極（左）與耐溫陽極（右）溶解實物對比

2 耐溫陽極油管短節(jié)的研制與試驗

2.1 保護套管用耐溫陽極油管短節(jié)的設(shè)計

針對元城油田普遍存在的積液段以下套管內(nèi)腐蝕問題，利用研制出的新型陽極材料進行工具優(yōu)化設(shè)計，使其滿足隨油管入井而保護目標(biāo)井段套管的需求，避免套管因電化學(xué)腐蝕而破損穿孔。

根據(jù)井筒特征和套管電化學(xué)防腐需要，加工制作出陽極保護套管新型油管短節(jié)工具，如圖3所示。該工具耐溫陽極短節(jié)由耐溫陽極、中心管、接箍、彈簧片、固定卡、絕緣墊片等組成。隨油管入井后，兩組各3個銅質(zhì)彈簧片與受保護套管內(nèi)壁緊密接觸，另一端為新型陽極材料，陽極材料與油管之間用絕緣材料隔絕，而與套管通過彈簧片電學(xué)連通，從而優(yōu)先電化學(xué)腐蝕損耗，避免套管腐蝕。

2.2 保護套管用耐溫陽極油管短節(jié)室內(nèi)可靠性實驗

借助低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室“井下工具高溫高壓檢測系統(tǒng)”，在水浸高溫實驗井進行耐溫陽極油管短節(jié)模擬入井實驗。實驗表明，在70℃、6MPa工況環(huán)境下，新型工具多次入井、起出，彈簧觸臂平穩(wěn)可靠，陽極短節(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可順利完成起下井作業(yè)。

圖3 耐溫陽極短節(jié)結(jié)構(gòu)圖

2.3 保護套管用耐溫陽極油管短節(jié)井下試驗測試

2.3.1 試驗測試方案設(shè)計

為測試保護套管用新型陽極油管短節(jié)在生產(chǎn)油井井筒的實際防電化學(xué)腐蝕性能，選取元城油田未實施套管內(nèi)防腐的一口正常生產(chǎn)侏羅系井開展試驗，設(shè)計出防腐效果驗證方案和評價裝置。將評價裝置隨耐溫陽極短節(jié)同時入井和起出，通過測量對比測試掛環(huán)和受保護掛環(huán)腐蝕失重情況來評價保護效果，評價裝置見圖4。

圖4 犧牲陽極保護效果評價裝置

2.3.2 試驗結(jié)果

將測試評價裝置和保護套管用新型耐溫陽極油管短節(jié)一同下入試驗井動液面以下300m，生產(chǎn)98天后因井下第89根油桿腐蝕斷脫而檢泵作業(yè)。從管桿腐蝕情況可以看出該井腐蝕較為嚴(yán)重，犧牲陽極材料表面均呈現(xiàn)出坑狀均勻腐蝕，未保護的掛環(huán)表面呈層狀腐蝕，稱重顯示已失重6.7%，受保護的掛環(huán)表面光滑、完好，無腐蝕跡象，稱重顯示僅失重0.4%，即電化學(xué)緩蝕率達(dá)到了94%以上，由此可見犧牲陽極短節(jié)具備較好的電化學(xué)防腐效果，試驗工具起出實物見圖5。

In order to solve the problem that the electrochemical protection effect of the common Al-Zn-In anode material becomes worse with the increase of temperature,a new anode material with temperature resistance was developed through adding Sn,Mg,rare earth and other alloy materials into the common Al-Zn-In anode material.Current efficiency can be increased by 19%through the uniform surface dissolution of the new anode material.According to the need of casing corrosion prediction,an anode nipple joint was manufactured using the new anode material with temperature resistance to predict the corrosion of casing,which can enter well with oil pipe. The use of the nipple joint is simple,and the test results show that it has obvious casing corrosion prediction effect.

sacrificing anode;temperature resistance;casing;prevention of internal corrosion

肖彥英（1985-），男，工程師，主要從事油田開發(fā)工藝技術(shù)研究工作。