丛式井组套管阴极保护在南梁油田的应用
作者
（1.长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 717504；2.长庆油田油气工艺研究院，陕西 西安 710018;
3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018）
摘 要：针对油水井套管腐蚀问题，详细的介绍了丛式井组套管阴极保护的技术原理与特点。其防腐工艺应用效果突出，可在油田规模化推广。
关键词：丛式井；套管；阴极保护
中图分类号：TB 文献标识码：A文章编号：1672-3198（2011）01-0273-02
1 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室
油水井套管处于多层土壤岩石地下水中，由于土壤岩石地层中含有多种腐蚀性物质，例如CO2、H2S、O2、H+、HCO3-、SO42-及微生物等的综合作用，构成对地层套管的腐蚀作用，使得套管壁减薄、穿孔，严重时油水井出现套管壁大面积腐蚀穿孔，采油井、注水井报废，造成很大的损失。长庆油田自1965年8月在宁夏地区发现第一口套损井李2井起，至1996年底全局共发现套损井517口，现在套损井已经超过1000口，套损井年损生产油量在20.0×104吨以上，全局每年新增套损井30-40口，并且近年来套损井还有加快的趋势。油水井套破后不能正常采油和注水，使得油田注采失控，直接影响油田开发效果，严重影响了原油产量和经济效益的提高。
根据长庆油田多年来对套管腐蚀防治的探索，采用丛式井组套管阴极保护技术，由于其经济性、稳定性及环境适应性等方面的特点，为保障油水井正常生产发挥了重要作用。
2 阴极保护原理
2.1 保护原理
所谓阴极保护就是让被保护的物体成为电化学体系的阴极，进行阴极极化，从而受到保护的一种电化学方法。
电化学反应的特征是：
（1）不同电位差在套管上存在；
（2）有电位差存在就有腐蚀电流存在；
（3）腐蚀电流越大表明腐蚀速度越高。可用下式表示其等效电路：
I腐（E阴-E阳）/R
I腐：腐蚀电池中的腐蚀电流，安培；
E阴：阴极反应电位，伏特；
E阳：阳极反应电位，伏特；
R：腐蚀电池中的总电阻，欧姆。
当给套管外接直流电源负极,直流电源正极与接地阳极连接，外加电流I保≥I腐，E阴-E阳趋于零，腐蚀将停止，从而油井套管腐蚀得到停止和抑制。
2.2 保护参数
2.2.1 阴极保护标准（最小保护电位）
使金属管道停止腐蚀，完全达到阴极保护的管道对地（简称管地）电位叫最小保护电位。阴极保护效果应以下列指标之一判定。
（1）通常情况下，最小保护电位至少为-0.85伏（用硫酸铜参比电极测定），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应大于300毫伏；
（3）中断电源后，立即测得管地阴极极化电位较自然电位向负方向偏移值应大于100毫伏；
（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。
2.2.2 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，或可能出现金属“氢破裂”。同时过负的电位也将消耗过多的保护电流，形成能源的浪费。当电位负于-1.5V时钢铁发生氢脆现象。一般阴极保护合理保护电位为-1.0V--1.4V。
3 丛式井组套管阴极保护
首先介绍斜井及丛式井组。在石油勘探开发中,由于客观条件的限制或从经济效益方面的考虑, 采用不同于直井钻井的技术,从井口到井底有一预定方向的斜度形成斜井。在一个井场里, 钻出不同方位和斜度的多口斜井, 称为丛式井组。
3.1 保护方式
根据丛式井组特点，一般丛式井组井场设有采油井和注水井3口以上，井场的采油、注水井是具有不同走向的定向井。为了防止油水井套管的腐蚀穿孔、损坏，对油水井套管采用阴极保护。
在井场设阴极保护间，内设动力电源柜、直流分配柜、硅整流防蚀仪。各井阴阳极电缆线全部采用穿管深埋方式以保证安全可靠, 各井加装绝缘法兰实现套管的高保护电位。井组地面管线附加安装了接地排流装置以免造成地面干扰。
阴极保护间外设施主要是阳极井（阳极地床）。它是外加电流阴极保护中不可缺少的重要组成部分。主要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。阳极井的深度以使硅铸铁阳极下入地层低电阻区，保证使整个阴极保护回路电阻最小，并使全井套管电位达到保护状态。（图1）
3.2 工作原理
动力电引入动力电源柜，可有效控制动力电源，硅整流防蚀仪将交流电整流为直流电，直流“+”接阳极井，直流“-”通过直流分配柜分配至各个油井套管，使油井套管电位负至一定值后，套管外腐蚀停止。其中绝缘法兰将各井的套管和管线电绝缘开，套管成为独立的被保护体，使套管得到充分的保护，减少阳极额外的消耗，延长阳极的寿命。（图2）
3.3 运行管理
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之一，因此在使用中必须精心维护和管理。井口管地电位每季测定1-2次，以确定保护电位是否合理。
4 效果应用
南梁油田属于长庆采油一厂新开发区块，于2007年投运10个井组，全部采用套管阴极保护。至今该区尚未发现一口井腐蚀穿孔。人们期望在5 年内看到效果, 不再重演其它区块大面积套管穿孔给后期开发所带来的重大经济损失。因为更新一口新井的费用约为180-200万元, 修复一口套损井的费用为27-28万元, 而阴极保护投资约占建设费用的0.2%- 0.23%, 显然经济效益是相当大的。
5 结论与认识
（1）叢式井组套管阴极保护防腐工艺经济性好、效果突出，已在全油田规模化推广应用。
（2）丛式井组套管保护在技术上有独特的要求。由于井斜方位位移、水泥返高程度不同, 各井所需电流的不同, 很容易产生井间电位的不平衡，人们担心这是否会引起井间干扰腐蚀; 其次，如何选择有效的保护参数获取较高的保护程度，在设计上应采用可靠的设备实现长期稳定的运行。因此加强日常管理，保证在最佳参数下的长期运行是实现经济效益的重要措施。
参考文献
［1］王林平,陆梅,杨全安,等.长庆油田油水井套管防腐技术综述.中国石油和化工,2007,（8）.
［2］杨全安,李琼伟,何治武.长庆油田丛式井组套管的阴极保护.腐蚀与防护,2000,（8）:21-8.
［3］西安长庆石油科技有限责任公司.阴极保护手册,2005,（4）.
作者 王义 李楼楼 辛宏 潘昊 杜沛文 杨文