油井犧牲陽極保護技術(shù)應用研究

毛冠華　張恒　張桴

摘要：犧牲陽極保護技術(shù)是抑制油井管桿腐蝕較為有效的方法，具有保護效果優(yōu)異，實施工藝簡單，成本低廉等優(yōu)勢。本文闡述了油井犧牲陽極保護機理，分析了陽極材料的保護性能，以及現(xiàn)場應用情況，為該技術(shù)在油田的推廣應用提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：有井腐蝕;犧牲陽極保護;電流效率

在油氣開發(fā)領域，金屬的腐蝕問題廣泛存在，其中最具代表性的就是油井的油、套管腐蝕，造成管桿腐蝕失效，嚴重影響了日常的正常生產(chǎn)作業(yè)。油田腐蝕大部分發(fā)生在油田水介質(zhì)和含水介質(zhì)中，主要發(fā)生電化學腐蝕。油田水介質(zhì)礦化度較高，同時常溶有O₂、CO₂、H₂S和細菌等多種腐蝕性物質(zhì)，在金屬表面形成數(shù)個腐蝕電池，產(chǎn)生氧化物或氫氧化物，造成設備腐蝕。陰極保護技術(shù)是控制金屬電化學腐蝕的最為有效的保護方法，由于犧牲陽極保護成本低廉，不需要對油井進行改造，保護效果可控且實施方便，因此在油井管桿腐蝕防護方向有良好的發(fā)展前景^[1]。本文通過對犧牲陽極保護機理、陽極材料電化學性能和犧牲陽極保護工具現(xiàn)場應用等方面的研究，總結(jié)了該技術(shù)的應用效果，以期為油井管桿的犧牲陽極防腐蝕設計提供參考依據(jù)。

1 油井犧牲陽極保護機理

油井陽極保護依據(jù)電化學陰極保護原理，使油管與更活潑的金屬相連，直接固定在特制的油管基管短節(jié)上，在作業(yè)下油管的同時，把油管陽極保護器連接在油管上，下入油井或注水井中，在井筒的電解質(zhì)溶液中，合金與油管原腐蝕電池成了一個新的宏觀電池，合金作為新電池的陽極，油管即為陰極，陽極不斷向被保護的油管提供陰極電流，對油管進行陰極極化，原油管的腐蝕電池作用被迫停止，從根本上抵制了油管的電化學腐蝕^[2]。隨著電流的不斷流動，陽極合金不斷被消耗掉，成為粉末后沉降于井底。當陽極合金消耗完后油管才會發(fā)生電化學腐蝕，從而達到延緩油管腐蝕，保護油管的目的。

同時隨著陽極材料的腐蝕，腐蝕介質(zhì)中的腐蝕離子不算消耗，介質(zhì)腐蝕性不斷減少。鋁陽極的二次反應生成物，氫氧化鋁也具有這種特性，氫氧化鋁可以與碳酸和硫化氫發(fā)生中和反應生成鹽和水。如碳酸、硫化氫和氫氧化鋁的反應為：H₂CO₃+Al（OH）₃→Al₂（CO₃）₂+H₂O;H₂S+Al（OH）₃→Al₂S₃+H₂O;陽極材料的中和作用顯然也大大降低了二氧化碳和硫化氫腐蝕。

2 陽極材料性能評價

陽極材料選擇應考慮材料電化學參性能、工況條件和使用成本。通常選用Al-Zn-In-Cd系列合金，該系列合金電位穩(wěn)定，電流效率高，腐蝕均勻且產(chǎn)物容易脫落，價格低廉，固選用該系列合金進行測試。

測試依據(jù)GB/T17848-1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》進行，對Al-Zn-In-Cd陽極在采出水介質(zhì)中進行測試，實驗溫度為60℃，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。實驗結(jié)果如表1和圖1所示，Al-Zn-In-Cd陽極開路電位為-1.051V，實際電容量為1462.4A·h/kg，電流效率高達53.37%，實驗后試樣表面溶解情況良好，無點蝕和腐蝕產(chǎn)物堆積。材料工作電位穩(wěn)定，試驗120h后較開路電位無明顯變化，材料處于活化狀態(tài)，無鈍化現(xiàn)象出現(xiàn)，表面溶解均勻。

3 現(xiàn)場應用評價

現(xiàn)場試驗在長慶油田某區(qū)塊進行，該區(qū)塊油井腐蝕嚴重，篩管和抽油泵附近常出現(xiàn)腐蝕漏失，平均檢泵周期約為150天。為解決油井腐蝕問題，在動液面下每隔100m下入一根油井陽極保護，直至篩管。措施后油管腐蝕情況如圖2所示，油管表面光潔無明顯腐蝕情況，保護效果優(yōu)異，平均檢泵周期延長至320天左右。經(jīng)測量，犧牲陽極材料剩余約40%，因此保護周期可達500天左右，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

1. 犧牲陽極保護技術(shù)通過電化學保護作用和降低油水介質(zhì)腐蝕性來起到對油管、桿的保護作用。
2. 在工況條件下通常Al-Zn-In-Cd系列合金，該系列合金電位穩(wěn)定，腐蝕產(chǎn)物易脫落，電流效率高，可達53.37%，抑制腐蝕效果優(yōu)異。

（3）現(xiàn)場應用表明，措施后油管桿腐蝕輕微，平均檢泵周期延長至320天左右，有效保護周期可達500天左右，經(jīng)濟效益顯著。

參考文獻：

[1]穆哈拜，楊新明，戶貴華，等.油井管桿犧牲陽極防腐蝕裝置的研制與應用[J].腐蝕與防護，2000（07）：309-310+312.

[2]周勇，周攀虎，任秋潔，等.犧牲陽極保護前后污水儲罐的腐蝕行為演變及機理研究[J].材料保護，2019，52（11）：28-32+43.