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油井套管脉冲电流阴极保护技术发展与展望 张涛 周好斌 许庆 （西安石油大学 材料科学与工程学院 西安 710065）摘要: 介绍和总结了当前广泛应用的油井套管阴极保护方法以及脉冲电流阴极保护技术的发展历史及前景。对油井套管脉冲电流阴极保护的主要研究和应用进展进行了综述。针对油井套管脉冲电流阴极保护基本参数的影响规律，对其保护效果作出评价和展望。关键词：油井套管 阴极保护 脉冲电流 保护效果Oil well casing pulse current cathodic protection technologydevelopment and prospects ZHANG Tao，ZHOU Hao-bin，XU Qing(School of Material Science and Engineering，Xian Shiyou University，Xian 710065 ，China )ABSTRACT: Introduces and summarizes the nowaday cathodic protection method which is widely used in oil well casing and pulse current cathodic protection technology develope history and prospects. The main progress in the research and application of oil well casing pulse current cathodic protection are reviewed. For the basic parameters influence law of oil well casing pulse current cathodic protection, the effect of protection is evaluated and prospected.KEY WORDS: the oil well casing，cathodic protection，effect of pulse current protection 油井套管脉冲电流阴极保护技术距今已经有四十多年的发展历史，但是人们对其机理以及保护效果的研究还很匮乏。油田现场的应用实例也是少之又少，这在很大程度上限制了该技术的应用发展。国内胡士信，邱于兵等人在阴极保护方面做了大量的研究，对于油井套管脉冲电流阴极保护的研究却还是很少。但是油井套管脉冲电流阴极保护技术的优越性已经显现出来。因此针对该技术的保护规律和效果有必要进行深度研究。1 国外及国内发展历史 1.1 国外发展历史油井套管的损坏，不仅影响自身正常生产，而且也会影响到周围邻井区块的正常工作，导致整个油田的正常生产遭到破坏。其中套管在土壤中的电化学腐蚀占到非常大的比重。二十世纪40到70年代，国外不断开发了石蜡、石油沥青、胶带等各种防腐层材料以及阴极保护技术对油井套管进行保护。90年代又发展了熔结环氧粉末和聚乙烯涂层防腐技术。时至今日，国外广泛应用涂层与阴极保护技术相结合的方式共同对套管进行防腐保护。油井套管是油井中用于固井和保护油管的重要设施，对其进行阴极保护主要方法分为外加电流保护法和牺牲阳极保护法，其中外加电流阴极保护是防止套管外壁腐蚀的标准措施,是国外油田广泛采用的方法1。我国也在部分油田采用了这一技术。多年的实践结果证明，外加电流法是一种非常经济并且有效的防止套管外壁腐蚀的方法。油井套管脉冲电流阴极保护技术的开发迄今已有40多年历史。早在1965年california的Huntington Beaeh油田就将该技术成功应用在了丛生井的套管阴极保护中2，随后T.M.Dniguian和H.J.Kipps在1972年左右就该技术申请了2项美国专利3，但之后的近20年里，对该技术的研究仍然非常少。直到20世纪90年代，Shell. Canadal才开始利用该技术对油田深井套管进行阴极保护的现场实践和研究，并由Nguyen. N.Bich和Jerry.Bauman4，5发表了相关的研究结果。研究表明，在对油井套管施加阴极保护过程中，脉冲电流技术相比于传统的直流阴极保护，主要具有如下优点：更长的保护深度，超过三四千米；较小的平均输出电流，是直流技术1/4-1/2；电流分布更加均匀610。然而，截止目前，该技术相关的应用研究非常少，所以可见该技术还未得到广泛的应用和普遍的认同11,12。主要原因就源于对该技术保护机理和保护效果缺乏系统深入的研究以及该技术实际应用研究的匮乏13,14。1.2 国内发展历史我国从1983年才开始对大庆、延长油田等油井采用了阴极保护生产试验 ，并取得了很好的保护效果。90年代至今，在宁波杭州湾跨海大桥、天津塘沽海港等大型码头以及西气东输工程中也已经应用了阴极保护技术。但是到目前为止，在油井套管方面，国内还没有实际应用脉冲电流阴极保护的报道，相关的研究工作也几乎没有见到报道，所以对脉冲电流阴极保护技术的研究和对该技术的应用推广具有很重要的意义。目前该技术仍然没有统一的标准1521。邱于兵等人2226在方波脉冲电流阴极保护的机理研究中得出，可以采用阴极电位响应波形的最下沿电位作为阴极极化电位，然后从阴极表面电位分布的角度对脉冲电流阴极保护的规律和效果进行了研究，有效证明了方波脉冲电流阴极保护的各种优越性。通过多年的脉冲电流阴极保护实践，可以得出，脉冲电流阴极保护是非常经济、有效的防止套管外壁腐蚀的方法，保护效果十分显著27,28。然而，在油井套管的阴极保护过程中，仍然存在一些急待解决的问题，其中最突出最难解决的问题就是如何延长油井套管的保护深度29。传统系统中，电流在油井套管表面的分布很不均匀，大部分电流都通过套管的上部返回了电源，因此就造成其下部套管得不到有效的保护。虽然改善电流分布、延长保护深度的有效方法是增加阳极地床的深度。然而，由于实际条件的限制和对经济因素的考虑，该技术常常无法在现场实现。早期投入使用的油井套管，由于技术等相关原因一直存在如下问题：（1）套管保护电位处于通电状态下，相对于饱和Cu/CuSO4参比电极，采用地表参比法进行测试；（2）在通电状态下，采用-850mV作为有效电位判据；（3）油井套管阴极保护状况测试、评价方法、手段及设备落后30。由于在通电状态下进行套管阴极保护电位测试，土壤中存在阴极保护电流，用地表参比法测得的管地电位中包含有IR降成份，导致很难对油井套管的保护效果进行有效的评价，这就使得套管局部管段处于欠保护状况31。虽然采用了阴极保护的防腐蚀措施，但由于早期阴极保护技术很不成熟，检测技术与效果评价方法还很落后，部分管线得不到可靠的保护，这就促使腐蚀问题依然相当严重。鉴于国内目前在套管保护电位测试技术、阴极保护判据以及保护效果评价方面存在着一定的技术和经验欠缺，所以对现有油井套管脉冲电流阴极保护系统进行改造之前，有必要对油井套管脉冲电流阴极保护设施进行改造。调整现有阴极保护系统运行参数，结合具体运行情况对套管阴极保护进行综合评价，从而达到控制油井套管腐蚀目的。2 应用研究及进展 阴极保护技术是目前公认的控制油井套管外壁腐蚀十分有效的技术方法。合理的阴极保护设计将长期有效的延长套管的使用寿命。当电流通过金属进入电解液，然后从套管壁进入地层，就会发生腐蚀破坏。此时利用外电源提供足够电压的反电流来抑制腐蚀电池的电压，于是腐蚀电流就会停止流动，腐蚀也会就此停止，这种方法称为油井套管阴极保护。当电流沿着套管流动时，氢在其表面析出，同时产生反向电压，称为极化。这会使得电流在油井套管表面上进行扩展，并使它获得保护32。1990年左右,Shell Canada Ltd.开展了油井套管脉冲电流阴极保护现场应用的可行性研究。1994、1995年Nguyen N.Bich等人发表了他们的现场研究成果,对脉冲电流阴极保护的操作准则、优缺点以及应用状况和现场测试结果进行了比较详细的总结4，5。结果很容易看到，采用脉冲电流时，所需平均电流较小,电流分布较为均匀，保护深度明显延长。同时，杂散电流干扰较小，电能消耗减小，维护费用降低。显然，在油井套管系统中，脉冲电流阴极保护比传统的直流阴极保护更有效、更经济。该技术的主要缺点在于对机理缺乏了解，应用经验十分匮乏，安全系数不确定以及电子设备成本过高等33,34。因此，今后在电化学保护机理、实际安装与应用、保护性能等方面还需要做大量的工作。Jerry Bauman等人发表的现场研究结果表明了脉冲电流阴极保护在套管系统中的诸多优越性，同时客观分析了其所包含的缺陷，但对于该系统的保护机理没有系统的进行研究。为了解释套管表面电流分布更加均匀这一结果，他们根据套管系统的等效电路模型进行了计算。结果显示，在100Hz左右的低频下脉冲电流的保护效果和直流几乎没有差别，而只有在1880 Hz如此的高频下，电流分布才得到了明显的改善。对于这一解释， J.Dabkowski6根据类似的等效电路模型进行了计算，系统设定为一假设的深3000米的单井套管系统。计算结果表明，脉冲电流成分在百米以下的深度就已经大大削减了，很大一部分套管表面流动的电流都没有脉冲成分。所以此时阴极保护效果的改善不能归因于脉冲的作用。但J.Dabkowski7的计算模型同样是采用纯线性元件，而且，其采用的各元件的值是否恰当也无法进行判断。而且更重要的是没有考虑高频作用下脉冲电流对阴阳极界面的电极过程的影响，因此可以看出，这种模拟计算的可信度不是完全可靠的。3 基本参数影响规律及保护效果研究 国外在海水和土壤等介质中已经有很多年的脉冲电流阴极保护实践经验。保护参数可以根据经验数据选取32,33。而对于油井套管脉冲电流阴极保护积累的经验数据较少，因此在进行保护之前，要先进行模拟实验，求出保护参数的调整范围，然后根据保护效果、电能消耗以及“过保护”等情况进行综合分析，最后再选定合理的保护参数。 在阴极保护系统中，相关的几个参数有自然腐蚀电位，保护电位和保护电流，这些参数是决定保护效果的关键因素，选择和控制保护电位和保护电流参数是非常重要的。而其中保护电位是最为重要的判定依据。在实际操作过程中将保护电位作为主要的考量指标。对于油井套管脉冲电流阴极保护技术，目前可以得出的结论有：采用脉冲电流时，平均电流较小，电流分布均匀，保护深度明显得到延长。杂散电流干扰较小，年电能消耗减小，维护费用降低3537。在油井套管系统中，脉冲电流阴极保护比传统的直流阴极保护更有效、更经济38，但是在脉冲电流作用下套管表面电流分布会更加均匀的原因还未了解。随着方波脉冲电流的频率、幅值以及占空比的参数值不断增加，均可使得套管表面的电位负移，但各参数的影响规律及彼此的关联性如何目前还不清楚。Nguyen N.Bich和Jerry Bauman4,5的现场研究结果证明了脉冲电流阴极保护在套管体系中的诸多优越性。他们发现在100Hz低频作用下其保护效果与直流没有大的差别，而在2000Hz的高频作用下，保护效果才明显比直流电流更好，电流分布才更加均匀。但频率、占空比等参数在什么范围内调整保护效果最好，电流分布更均匀，保护深度越好，目前还没有足够可信的实验和实际应用数据证明。因此，在其电化学保护机理、实际应用、保护性能等方面还有大量的工作需要去做。 对于油井套管脉冲电流阴极保护的效果评价，最主要的判据就是最小保护电位-0.85V（CSE），在选定合适的脉冲电流参数情况下，对其保护效果进行评定39。但是-0.85V（CSE）只是常用电位准则，不是绝对的判定依据，需要根 据实际情况，将IR降等重要参数考虑进去，然后进行效果评价。而IR降主要由阴极保护电流和土壤电阻R决定，并且还存在某些随机的影响因素，而油井套管纵深地下达数千米，对于保护电位的测量方法除了井口很难通过其他部位进行测量，而且测量到的数据也只能得出保护电位沿油井套管分布的程度，保护规律和套管表面受保护程度还是无法直接掌握，因此保护效果也就难以精确测定4043。 综上所述，基于脉冲电流的油井套管阴极保护优越性已经逐步体现出来，但是目前对于油井套管脉冲电流阴极保护的机理和保护效果认知还远远不够，还需要对其机理进行深入研究4447，并相应进行大量的实验室模拟实验或者现场应用试验，使得该技术不断向前发展4850。 4 总结与展望 阴极保护技术是目前公认的最有效的防腐蚀方法，脉冲电流阴极保护又是建立在此基础上更有效的保护方法，对于油井套管系统，脉冲电流阴极保护拥有直流电流不可比拟的更好的优越性。参考国外及国内相关文献和应用报道总结得出，油井套管脉冲电流阴极保护已经在国外小范围内得到应用，而且脉冲电流阴极保护所具有的优越性已经得到不断证明。 截至目前，就本人查阅的国内关于油井套管脉冲电流阴极保护的相关文献来看，该技术还没有油田实际应用的例子，该技术也尚未得到广泛的认同。这是由于关于油井套管脉冲电流阴极保护的机理和保护效果还很缺乏深入研究， 因此根据目前油井套管脉冲电流阴极保护技术的发展现状，就油井套管脉冲电流阴极保护技术未来的发展前景来看，对该技术的进一步开发和应用研究很有必要。5 参考文献列表【1】邱于兵，郭稚弧，林汉同，等脉冲电流阴极保护 技术J腐蚀科学与防护技术，2001，13（4）：226- 229 QIU Yu-bing,GUO Zhi-hu,LIN Han tong, etal. 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