KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器的應用

吳立濱，孫亞云，楊宗霞，李大欽

(中國石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮陽 457532)

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器的應用

吳立濱，孫亞云，楊宗霞，李大欽

(中國石化股份有限公司中原油田分公司，河南濮陽 457532)

介紹了KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器的結構及原理。實際應用表明，該項技術有效地減緩了生產井的電化學腐蝕程度，延長了生產井的作業周期，達到了預期效果，并且取得了較好的經濟效益。

濮城油田 電化學腐蝕 陰極保護器 效果

犧牲陽極保護技術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體補充大量電子，使被保護體始終處于電子過剩的狀態，使金屬原子不容易失去電子而變成離子溶解到電解質中去，從而達到防腐蝕的目的。

1 影響油田電化學腐蝕因素［2－3］

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

(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，產生游離的硫離子和氫離子，金屬與硫離子接觸發生反應產生硫化鐵沉淀，從而引起金屬的應力腐蝕。

(3)溶解氧的影響:當產出液中的氧質量濃度達到0.1 mg/L時，就會引起嚴重的腐蝕。溶解氧與碳鋼中的鐵元素發生反應，鐵被氧化失去電子，成為帶電離子Fe2+與水中的OH－發生反應生成Fe(OH)2，進一步被氧化成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，液體呈酸性，金屬被腐蝕，pH值為10～13，液體呈堿性，使得金屬表面產生鈍化性，腐蝕速率下降，但是pH值過高時，腐蝕速率又會上升。濮城油田的水質為氯化鈣型，氯離子質量濃度為1 300-100 000 mg/L，管、桿結鹽結垢相當嚴重。

(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的腐蝕性，氯離子容易造成碳鋼的應力腐蝕，使得管桿斷裂，而且氯離子含量越高，腐蝕越大。濮城油田衛42-43區塊油管結鹽問題相當嚴重，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在無氧環境下將水中的無機硫酸鹽還原成硫化氫，硫化氫與鐵發生反應，造成管線的腐蝕。

2 KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器開發

2.1 開發依據

根據電化學腐蝕的原理，以及其影響因素分析認為，不同材質的金屬，其電勢電位也不同，在同一電解質溶液中，發生氧化還原反應，較活潑的金屬由于失去電子而發生腐蝕。根據這一原理，研制開發了KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器。

2.2 陰極保護器工作原理

在油水井的油管柱上安裝陽極合金體，該陽極合金體與油管處于同一電解質環境下構成一個新的宏觀電池體系，由于澆鑄合金體的材質為鋁－鋅合金，而油管的材質為碳鋼，在同一電解液中，不同材質，電極電位也不同，這樣就產生了電位差。由于陽極合金體的電極電位較負，這一負的電極是新電池的陽極，而油管則為陰極，從陽極體上通過電解質向油管提供一個陰極電流，使油管陰極極化，其中鋁-鋅合金陽極溶解(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，減緩電化學作用，從而實現陰極保護。隨著電流的不斷流動，陽極材料也不斷地消耗，同時也延長了油管的使用壽命。

2.3 陰極保護器結構

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器由上接頭、油管陽極合金體、油管陰極支撐體和下接頭組成，見圖1。上接頭為φ73.0 mm標準油管母扣、下接頭為φ73.0 mm標準油管公扣，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，以提高其導電能力，其主要作用是放出電子，并供給被保護體充足的自由電子;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 陰極保護器性能指標

KXY-2型鋁-鋅合金陰極保護器的性能指標見表1。

表1 鋁-鋅合金陰極保護器的性能指標

(1)被保護管段所需電流計算:

I—被保護管段所需電流，即犧牲陽極發生的電流A;

D—保護管段的直徑，m;

L—保護管段的長度，m;

i最小—最小保護電流密度，mA/m2。

(2)所需陽極總質量計算:

G—所需犧牲陽極總質量，kg;

I—犧牲陽極發生的電流，A;

t—設計使用壽命，a;

R—有效發生電量，A·h/kg;

η—電流效率，%。

(3)所需陽極支數計算:

n—所需陽極支數;

G—犧牲陽極總質量，kg;

g—單個陽極的質量，kg。

3 陰極保護器的使用方法及現場應用

3.1 使用方法

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

注水井水質礦化度高，雜質多，加之注水水質不達標，特別是在油層附近以及井口附近的管柱，腐蝕比較嚴重;若按井深3 000 m計算，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 現場應用

以濮側63井為例，該井2006年9月投產，2008年6月檢泵時發現部分油管穿孔，到2009年7月連續檢泵三次;后下入陰極保護器到2010年9月檢泵，起出后油管無腐蝕現象，保護器腐蝕嚴重，檢泵周期達300多天，達到了預期的效果。

3.3 效益評價

截止到2010年12月底，濮城油田共對9口井安裝了陰極保護器，其中油井6口、水井3口，有效率達96%以上。若按一口油井安裝10只、水井安裝20只計算，1只陰極保護器按1600元計算，9口井應用陰極保護器共投入20.16萬元，平均單井投入2.24萬元。平均檢泵周期延長了200天，平均檢管周期延長了215天;一口油井檢泵費按4萬元計算，水井按3萬元計算，一年內檢泵或檢管2次，僅作業維護費用達14萬元，這樣階段投入產出比為1∶6.25，參見表2和表3。

表2 犧牲陽極防腐技術在油井中應用的效果

表3 犧牲陽極防腐技術在水井中應用的效果

4 結論

腐蝕是一個相當復雜的過程，種類也很多;生產井的情況比較復雜，一口生產井往往存在多種腐蝕類型，電化學腐蝕可能起著主要的作用，而其它的腐蝕相對來說比較輕，所以因井而異。犧牲陽極的合金要有足夠的負電位，且電位穩定。陽極極化要小，溶解均勻，產物易脫落。有高的電流效率，即實際電容量與理論電容量的百分比數大。電化學當量高，即單位質量的電容量大。犧牲陽極保護法只是防腐蝕中的一種方法，對于復雜的生產井的腐蝕情況，采取的不僅僅是一種方法，而應是多種方法同時應用。

［1］馬家謙.普通化學［M］.北京:化工工業出版社，2003:126

［2］紀云嶺.油田防腐與防護技術［M］.北京:石油工業出版社，2006:175.

［3］張強，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，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年畢業于中國石化中原石油學校采油工程專業，現今在中國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