犧牲陽極防腐蝕儀在油井中的應用

白仲崗，趙晨云，齊 會，王慧屏，李涌濤，秦京周

(1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710000;2.延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西吳起 717600;3.中國石油華北石化分公司，河北 任丘 062552)

犧牲陽極防腐蝕儀在油井中的應用

白仲崗1，2，趙晨云1，齊 會1，王慧屏1，李涌濤3，秦京周3

(1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710000;2.延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西吳起 717600;3.中國石油華北石化分公司，河北 任丘 062552)

針對吳起地區油井含水較高、礦化度高、油井腐蝕較為嚴重和現有防腐蝕工藝存在的不足，以犧牲陽極保護陰極為原理，自行設計、研制了防腐蝕儀(亦稱防腐蝕短接)，直接套接在油管外壁。通過現場28口油井的實踐證明，該工藝技術投資小、易實施和施工安全，并且防腐蝕效果顯著。延長了檢泵周期和油井使用壽命，年經濟效益6269.49×104RMB￥，具有良好的社會效益和環保效益。

犧牲陽極 保護陰極 防腐蝕儀 油井 應用

隨著油井開采時間的延長，油井產液含水率的逐漸升高，高礦化度地層水對鋼質的油管、套管及油桿等的腐蝕也越來越嚴重。一般腐蝕多發生在水的質量分數較高(大于30%)的油井上，經掛片試驗測試，油井的腐蝕率在0.05～0.50 mm/a，部分油井高達1.0～5.0 mm/a，為此開展了油井腐蝕防護工藝技術工作，如化學藥劑防護、內外涂層防護等，也取得了一定的防腐蝕效果。

化學藥劑防護存在定位性差、勞動強度大，投加質量濃度要求高，區域效果差異較大;管內外涂層防護的方法則因為管道在運輸、安裝過程中涂層易被破壞，反而使局部腐蝕加快。需要開發一種防腐效果好、針對性強、勞動強度小、投資也少的油井工藝防腐蝕技術。

1 陰極保護

針對上述防腐蝕工藝技術存在的缺點，縱觀各大油田防腐蝕工藝技術，分析了犧牲陽極陰極保護在埋地管道、儲罐和海上輪船、碼頭等方面的應用。

1.1 陰極的選擇

對于吳起地區的油水井來說，一般油層上下的油管所處的環境溫度為40～60℃，深度在1 000～2 100 m，水型為CaCl2水型、礦化度60～110 g/L。通過室內評價試驗，篩選出適用于吳起油田地層水的鎂合金陽極(MHJY)。

該材料電位負，極化率低，驅動電位高，可以提供比鎂陽極(AZ63)和鋅陽極更大的輸出電流，并能形成致密的防腐蝕保護膜。MHJY和AZ63陽極電化學性能對比見表1。

表1 MHJY和AZ63鎂陽電化學性能

1.2 室內測試評價

1.2.1 陽極性能測試

模擬吳起地區井筒腐蝕環境，井下介質(介質成分見表2)，在40℃的溫度下，采用MHJY鎂陽極試驗40 d時的結果見表3。

表2 模擬井下介質成分 mg/L

表3 模擬井下介質試驗結果

通常情況下，陽極的電容量隨溫度的增加呈現出遞減的現象。MHJY陽極電容量隨溫度而變化的情況見圖1。

圖1 MHJY鎂陽極發生電容量與溫度關系

1.2.2 室內電化學試驗

采用弱極化曲線法進行室內電化學試驗［1］，介質為吳起地區洛河水，研究的對象是J55鋼級(以下簡稱J55)，以此來分析陽極保護的電化學行為。同時討論鎂犧牲陽極對J55管道鋼電化學腐蝕的影響。

(1)試驗材料:試驗材料J55鋼級試片，試樣的取向是沿著管材的軸向進行截取的，試樣的尺寸為10 mm×10 mm×3 mm。在做試驗之前，將試樣MHJY鎂陽極用銅先連接好，再用環氧樹脂將試樣非工作面密封。另外兩個試樣直接用環氧樹脂將試樣非工作面密封。這樣試樣的有效工作面積為100 mm2，試驗在(25±2)℃下進行。

(2)試驗裝置:試驗采用的是三電極系統，在微機控制的PS-168電化學測試系統上進行自腐蝕電位測試，并以0.2 mV/s的掃描速率進行慢速電化學極化曲線的掃描試驗，試驗裝置見圖2。電化學測試是試樣在介質中浸泡24 h后進行的。

圖2 極化曲線試驗裝置

(3)極化曲線特征分析:用PS-168腐蝕測試系統自動采集的數據，經ORIGIN軟件處理后作圖［2］，J55管材在未加陽極保護和加陽極保護下的極化曲線見圖3。

1和2曲線分別是J55油管在25℃和40℃時MHJY鎂犧牲陽極保護下的極化曲線，此時鎂為陽極，試樣為陰極。從這二者的極化曲線可以看出，陰極曲線很陡，塔費爾斜率越大，陰極極化越嚴重，腐蝕速率越低［3］。而且陰極具有鈍化特征。另外還可以看出40℃時的陽極極化較25℃時的陽極極化弱。而二者陽極極化曲線平緩，腐蝕速率大，3和4曲線分別是J55油管在25℃和40℃時未加陽極保護的極化曲線，此時，試樣上的雜質或缺陷為陽極，其他面為陰極，陽極小而陰極大。小陽極在開始時，腐蝕速率大。而大陰極極化較嚴重，這樣就出現了小陽極大陰極的腐蝕。從4條曲線的整體上來看，腐蝕速率大小為:1＞2＞3＞4。

當J55極化曲線做完以后，對極化以后的試樣表面腐蝕形態進行觀察后發現受陽極保護的試樣表面未見任何腐蝕坑，見圖4。試樣表面呈出灰白色，經鑒定該物主要是碳酸鎂氫氧化鎂，鎂陽極呈現黑灰色，溶解較均勻。而未進行陽極保護的試樣表面有大小不一的腐蝕坑，其中45℃溫度下的試樣腐蝕嚴重。

圖4 J55鋼極化以后的腐蝕型貌對比

1.3 現場應用設計及實施辦法

1.3.1 設計計算的基礎數據

油層所處溫度為40～60℃;陽極所處介質的電阻率為1～1.25 Ω·m;根據檢泵周期陽極設計壽命為3～5 a;保護電流密度是利用某公司生產的M723 A恒電位儀，在試驗室進行極化試驗測定［4］，吳起地區洛河水中油管的最小保護電流密度為51 mA/m2，在達到-0.95 V的保護電位時，油管靜態保護電流為42.1 mA/m2、動態(微流動0.131 L/s)保護電流為82.4 mA/m2，所以在此選用保護電流密度為52～105 mA/m2;陽極尺寸:為了使長效陽極保護器使用簡單、更換方便，經過探討決定初期陽極尺寸為φ88 mm×73 mm×50 mm，單個質量為4.438 kg。

在相應的電流密度下，單支陽極輸出電流和電流傳輸距離可參照有關標準來計算。

1.3.2 實施辦法

(1)選井標準:油井水的質量分數大于30%的腐蝕井均可采用;

(2)施工方式:趁修井作業時，順便裝上防腐蝕短接即可，不必專門修井安裝;

(3)下陽極位置選定:開始的采油管柱從發現的腐蝕區域為主要選定范圍，其余出現腐蝕的區域也可以選定;

(4)下陽極數量:據實際的腐蝕程度，要保護的范圍，預計保護時間的長短等來綜合確定;

(5)陽極安裝工藝:據防腐選定范圍，陽極數量，將防腐蝕短接套接在油管的外壁，按照正常修井管柱起下標準起下管柱。

2 實踐應用

根據犧牲陽極，保護陰極理論，室內經多次反復試驗、實踐論證。于2007年10月首批自己設計、加工的犧牲陽極保護陰極防腐蝕短接，在9-8，8-9，9-31和8-8四口井上成功下井，開始應用。同時，為了及時了解油管腐蝕率的變化情況，在4口井上進行掛片試驗。結果，檢泵周期不足40d的9-8和8-9井，竟然生產120 d還未檢泵，生產正常;9-31和8-8井也同樣延長了檢泵周期。后因其它原因檢泵時，發現油管腐蝕不明顯，陽極腐蝕嚴重，掛片測試發現腐蝕率大大降低。其效果可從8-9井工藝實施前后管柱的腐蝕看出，8-9井使用陽極前、后油管腐蝕情況對比見圖5。

從2008年4月開始，先后又在8-10，8-19，9-15，9-18，10-8和10-21等24口井應用了該工藝，截止2007年6月底，共計應用了28口井，效果非常明顯，部分油井應用效果對比見表4。

圖5 使用陽極前后油管腐蝕情況對比

表4 部分油井使用陽極前后情況對比

從圖5和表4可以看出，腐蝕速率從原來的 0.06～0.50 mm/a(部分高達1.80～2.70 mm/a)降低到0.005～0.020 mm/a防腐蝕效果明顯，見效率為100%。

該技術成功的應用，帶來了以下幾方面的社會效益:

(1)說明犧牲陽極保護陰極防腐儀技術在高含水、高礦化度油井是可行的，并具有廣泛的推廣應用價值。

(2)該項目投資小、易實施、施工安全、效果明顯，延長了油井使用壽命，挽回了巨大的經濟損失。

(3)延長了油井的使用壽命，將產生巨大的長期效益。

(4)具有較好的環保效益，避免了藥劑對環境的污染和人體的危害。

(5)激發了科技工作者對此項技術更深入的研究信念，推動了此技術向更完善、更成熟發展。

3 結論及建議

3.1結論

(1)犧牲陽極保護陰極防腐蝕儀工藝技術在吳起地區的高含水油井上應用是可行的。

(2)該技術具有投資小、施工工藝簡單易行、針對性強、勞動強度小、防腐蝕效果顯著等優點，是一種新型的油井防腐蝕工藝。

(3)該技術的應用，不但延長了檢泵周期、油井的管桿的使用壽命，而且產生了巨大的經濟效益和良好的社會效益;避免了防腐蝕藥劑對環境的污染和人體的危害，具有良好的環保效益。

(4)該技術在防腐領域具有廣泛的推廣應用價值。

3.2建議

建議進一步總結優選最合理陽極攜帶方式、數量及參數來完善工藝，提高效果。在防腐蝕的同時，要加強防垢和防蠟研究，使該產品得到進一步推廣應用。

［1］陳國華，王光信.化學方法應用［M］.北京:電化學工業出版，2003:2

［2］《油氣田腐蝕與防護技術手冊》編委會.油氣田腐蝕與防護手冊上下冊［M］.北京:石油工業出版社，1999:6

［3］肖紀美，曹楚南.材料腐蝕學原理［M］.北京:化學工業出版社出版，2002:9

［4］盧綺敏.石油工業中的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業出版社出版，2001:10.

Application of Cathodic Corrosion Protection Device in Oil Wells

Bai Zhonggang1，2，Zhao Chenyun1，Qi Hui1，Wang Huiping1，Li Yongtao3，Qing Jingzhou3
1.Petroleum Engineering College of Xi＇an Petroleum University(Xi＇an，Shaanxi 710000)
2.Wuqi Oil Production Plant of Yanchang Oil Field Co.，Ltd.(Wuqi，Shaanxi 717600)
3.PetroChina North China Petrochemical Company(Renqiu，Hebei 062552)

Based upon the high water and high minerality of oil wells，severe well corrosion and insufficiency of anti-corrosion process in Wuqi area，a corrosion protection device(also called corrosion protection union)is developed and designed based upon sacrificing anode principles，which can be installed outside of the external wall of oil pipe for certain media.The application in 28 oil wells demonstrate that this technology is low in investment，easy in installation and good in corrosion protection efficiency.It has extended the pump operating cycle and service life of oil wells.The annual economic benefit is 62.6949 million Yuan(RMB).In addition，it offers good social and environmental benefits，and can be applied in other oil wells.

sacrificing anode，protection cathode，corrosion protection device，oil well，application

TG174.41

A

1007-015X(2011)03-0043-04

2011-02- 28;

2011-04-28。

白仲崗(1976-)，男，1998年畢業于延安大學化學專業，工程碩士在讀，現在延長油田股份公司吳起采油廠主要從事油田化學、化驗及科技開發工作。E-mail:bzg1688@163.com