叢式井組套管陰極保護在線深陽極井設計及應用

高寶元

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院，陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安710018)

隨著油田開采時間的延長，叢式井組套管的腐蝕也日益嚴重，某油田每年新增加套管損壞的油水井100多口，并且近年來有加快的趨勢，直接影響著該油田的進一步開采，對油田的穩產造成了威脅，同時也給油田造成了巨大的經濟損失。現有叢式井組套管陰極保護技術陽極井是裸眼完井，通過深黃土層打到崖石層見到水層為止，深度一般為200～300 m。該類油井運行一段時間后井壁易坍塌，導致陽極體及管線被埋，陽極井故障后很難修復，需要重建陽極井；陽極井的陽極本體消耗完后不能直接更換，需要重建陽極井，因此造成一定的浪費，增加了維護成本；同時出現故障后不能及時維護，給管理和維護造成一定的滯后，削弱了陰極保護的效果[1]。

針對上述實際情況進行了叢式井組套管陰極保護在線深陽極井設計，該設計結構使大陽極本體消耗完后，再消耗內部小陽極本體，延長了陽極井使用壽命。當在線監測陽極井故障時，可通過排氣管和陽極獨芯電纜一同將舊陽極本體拔出，再下放新的陽極本體、陽極獨芯電纜及排氣管，使系統正常工作，達到重復利用陽極地床的目的，避免了重復打井的工作，且更換簡單，工期短，確保了叢式井組套管陰極保護工作的正常進行，節約了重新打陽極井費用，經濟效益增加明顯，同時也有利于井場環境保護，滿足了油田發展的需求[2]。

1 叢式井組套管陰極保護在線深陽極井構成

叢式井組套管陰極保護在線深陽極井構成如圖1所示，包括叢式井組套管陰極保護監測和在線深陽極井兩部分。叢式井組套管陰極保護監測部分包括： 遠程監控設備、陰極保護監測裝置，可控制叢式井組套管陰極保護電流大小，遠程監控陰極保護工況。在線深陽極井包括： 陽極井排氣管、陽極體獨芯電纜、陽極井井筒、高硅鑄鐵主陽極本體、高溫鋁合金輔陽極本體、填包料等。在線深陽極井消耗本體，給叢式井組套管提供陰極保護電流。高溫鋁合金輔陽極本體設計在高硅鑄鐵主陽極本體內部，高溫鋁合金輔陽極作為備用陽極本體，一主一備工作，運行初期高硅鑄鐵主陽極本體工作，當高硅鑄鐵主陽極本體釋放能力衰減到不能滿足系統運行要求時，再接入高溫鋁合金輔陽極本體工作，所述一主一備2個陽極體的引出線與陽極體獨芯電纜并聯方式連接[2]。

2 在線深陽極井設計

該油田現有深陽極井是裸眼完井，運行一段時間后井壁容易坍塌，導致陽極體及管線被埋，深陽極井故障后很難修復，需要重建深陽極井。深陽極井的深度直接影響著陽極接地電阻，該電阻一般小于4 Ω，必須通過黃土層打到崖石層見到水層為止，實際情況下，深度一般為150～300 m。用旋轉鉆機打深陽極井，井眼直徑為300 mm，深陽極井井筒中全井段采用φ215 mmPVC套管固井，陽極套管底部采用PVC套管固封，套管四周有均勻的圓形φ10 mm透孔，每兩節間采用PVC硬塑專用膠密封后用鉚釘加固，直至井口。深陽極井的深度是影響陽極接地電阻的主要因素，在確定陽極井的直徑時，應充分考慮排氣管和電纜所占的空間，深陽極井的直徑選φ215 mm，應對陽極體的安裝進行嚴格控制，輸出電流較大時應增大陽極井的直徑。PVC套管不僅為深陽極井提供支撐作用，而且方便鋼套管組合可抽芯雙陽極串安裝和抽出，同時可以限制陰極保護電流從近地表釋放。陽極溝回填料采用冶金焦炭或者煅燒石油焦炭，回填料要在低于陽極體底部3 m[4]。

圖1 叢式井組套管陰極保護在線深陽極井構成示意

3 鋼套管組合可抽芯雙陽極體設計

鋼套管組合可抽芯雙陽極體，由電纜穿管、獨芯電纜、氣室空腔、導氣管、高硅鑄鐵主陽極本體、高溫鋁合金輔陽極本體等組成，高溫鋁合金輔陽極本體設計在高硅鑄鐵主陽極本體內部，高溫鋁合金輔陽極作為備用陽極本體，一主一備工作，2個陽極體引出線與陽極獨芯電纜并聯連接。鋼套管組合可抽芯雙陽極筒狀外徑規格為φ180 mm×6 000 mm，內徑規格為φ160 mm×6 000 mm，兩端有管狀絕緣法蘭，管狀絕緣法蘭單極連接，便于鋼套管組合可抽芯雙陽極之間的連接，或電焊接，內充填焦碳粉拌以化學吸水劑，附設內導氣裝置，分配合理，接地電阻小?？沙樾倦p陽極深井和被保護的油水井地面距離設計為100～300 m。當陽極體釋放能力衰減到不能滿足系統運行要求，即保護電位不能達到要求時，用吊車將鋼套管組合可抽芯雙陽極體、排氣管、陽極體獨芯電纜一同拔出，更換新的鋼套管組合可抽芯雙陽極體及排氣管，使系統正常工作，達到重復利用陽極地床的目的。上述結構的陽極體具有以下優點：

1)高硅鑄鐵主陽極本體本身接地電阻小、輸出電流大、電流分配均勻、保護距離長，使用壽命長，需用吸水性強的材料軟布纏繞在鋼套管組合可抽芯雙陽極外壁周圍，便于長期充分均勻供水。

2)高溫鋁合金輔陽極本體，設計在高硅鑄鐵主陽極本體內部，采用3個高溫鋁合金輔陽極本體串為1組，并固定在1根電纜上，外部需纏繞吸水性極強的材料。高溫鋁合金犧牲陽極在50～80 ℃高溫水介質中能均勻地活化溶解且電化學性能優良，產生電流的自調節能力強，對于油水井套管在高溫環境中的腐蝕保護和延長使用壽命、減少腐蝕造成的損失都將產生顯著的效果。高溫鋁合金輔陽極本體具有消耗小、電流輸出大、體積小、質量輕的優點。

4 叢式井組套管陰極保護監測裝置設計

叢式井組套管陰極保護監測裝置包括： 給井組套管陰極保護提供電流的直流電源；用以采集和傳輸井組套管陰極保護的電流和電壓數據的智能監控電流表和電壓表；用以控制各單井輸出電流，平衡井間電位差的瓷盤電阻器分流器[5-6]。深陽極井正常工作時，可給單井套管提供4～5 A陰極保護電流，陰極保護監控的電流和電壓信號可通過RS-485接口上傳至數字化遠程控制終端RTU模塊，再由RTU模塊將數據上傳到數字化監控中心，實現陰極保護工況遠程在線監測、數據存儲、網絡發布和遠程啟停陰極保護單元等工作[7-10]。

5 結束語

叢式井組套管陰極保護在線深陽極井技術目前在該油田5個叢式井組進行了應用，延長了陽極井使用壽命，當深陽極井出現故障時，可通過排氣管和獨芯電纜一同將舊雙陽極本體拔出，更換新的雙陽極本體、獨芯電纜及排氣管，使系統正常工作，達到重復利用陽極地床的目的，避免了重復打井的工作，增效明顯，同時也有利于井場環境保護，有著廣泛的推廣應用前景[11]。