油井井下管串和联合站储油罐阴极保护

1、油井井下管串和联合站储油罐阴极保护技术 一、项目开展的必要性和重要性 幸福油田属复杂断块油田，油藏埋藏深，断块之间的岩性差异大，油井产出液具有“六高一低”特点：即矿化度高、CL-含量高、CO2含量高、H2S含量高、细菌含量高、温度高、pH值低，显弱酸性。目前幸福油田共有油井775口,随多年的强注强采,井均含水升高，井下技术状况逐年变差，当含水74.02%时产出液换相，即油包水型转换为水包油型，管杆表面失去了原油的保护，产出水直接接触金属，井下油管与抽油杆偏磨部位防护层脱落，腐蚀日趋严重，腐蚀速度增大，偏磨腐蚀相互作用，相互促进，在井温和摩擦表面产生热能的作用下，使管杆表面铁分子活化，成为电化学

2、腐蚀的阳极，在产出液强腐蚀电解质的作用下，形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，加剧了井下管杆泵及地面集输干线、生产阀组、联合站储油罐、分离器、等系统的腐蚀，具有较大的破坏性。统计分析：2001年偏磨腐蚀油井228口，偏磨腐蚀占频繁作业井数的66.5%，因偏磨腐蚀造成抽油井检泵作业的工作量占全年检泵作业工作量总和的35.55%，管、杆的使用寿命也因偏磨腐蚀而缩短了4060%，因油井频繁躺井，修井作业工作量大，费用高；在油井支干线2001年穿孔数约851次，增加了工农赔偿及环境污染费用。因此，高含水油田开发后期井筒、地面生产设备的严重腐蚀已成为影响油田正常开发的重要技术难题，推广创新实施阴极保护技术，

3、是降低生产成本的有效途径之一。 主要解决问题：对偏磨腐蚀严重油井、大排量提液油井、边缘零散油井，使井下管串长期不间断得到保护，解决边缘零散井液体缓蚀剂加药施工困难，特别是对电泵井油井，加药使用量、加药时间更难掌握的问题，减少成本支出；解决并减缓井下管串偏磨表面的活化性和管串材质性能差异所形成的大阴极小阳极的电化学腐蚀，延长油井生产周期，增加原油产量。解决常规油井加液体缓蚀药剂配方多变，浓度不一，加药施工还需要配备专门泵车及配液池，占用人力多，加药周期及加药量不易确定，造成缓蚀剂实施效果差的等问题。减缓生产系统（输油干线、储油罐、联合站）等设备的腐蚀、延长生产系统相关设备的使用周期。 二、生产系

4、统腐蚀的主要原因分析 1、井斜导致偏磨，从而加剧腐蚀 （1）、井斜原因首先，在钻井过程中，随着钻井深度的增加和油田开发需用，所钻油井当井深超过600-800m以后，钻头与井口的同心度变差。从纵向上看，井筒是一条弯曲旋扭的线条。其次，在油田开发过程中，地层蠕变造成套管变形，使井段出现弯曲，俗称“狗腿子”，严重时会造成油井报废。（2）、偏磨原因 上冲程 下冲程图1 上下冲程受力分析示意图W1WF1N N 由于套变和井斜，使井下油管产生弯曲。在抽油井生产时，抽油杆的综合拉力F或综合重力W产生了一个水平分力N，在水平分力N(正压力)的作用下，抽油机上下冲程中，在水平分力N（正压力）的作用下，抽油杆与油

5、管产生摩擦（上、下冲程受力分析示意图1）。 生产参数对偏磨的影响 A、冲程与冲次的影响：在偏磨腐蚀的油井中，冲程短、冲次高时，偏磨的部位相对较小，偏磨次数频繁，磨损较严重，破坏力大。 B、底部抽油杆弯曲的影响：抽油杆弯曲产生于下冲程。下冲程时，抽油杆主要受两个方向的力：一个是自身在液体中向下的重力，另一个就是活塞下冲程时受到向上的阻力。阻力随着活塞直径、抽油杆在油管内的各种摩擦阻力、抽油泵冲次以及液体运动粘度的变大而加大。而两个方向力的平衡点，即中性点，在中性点以上抽油杆呈拉伸状态，中性点以下的抽油杆受压而弯曲，由于抽油杆弯曲，使抽油杆与油管发生偏磨。 油管弯曲与抽油杆磨损：抽油杆在上冲程时，

6、游动凡尔关闭，活塞带动油管内介质上移。由于管内介质的重力、油管与管内介质和抽油杆的阻力作用，使抽油杆拉直，而油管在中性点以下产生弯曲，使管杆接触产生磨损。油管弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。中性点位置又与泵以下尾管的长度有关。若尾管加长，则泵下油管的重量加大，就可以把弯曲应力抵消。 产出液对偏磨腐蚀的影响 A、综合含水的影响：随开发时间的延长，产出液综合含水逐年上升，偏磨腐蚀的油井逐渐增多。2001年统计，偏磨腐蚀井数达到228口。其原因：当油井含水大于74.02%时产出液换相，由油包水型转换为水包油型，管杆表面失去了原油的保护作用，产出水直接接触金属，腐蚀速度增大。

7、润滑剂由原油变为产出水，失去原油润滑作用，油管内壁和抽油杆磨损速度加快，磨损严重。 同样生产状态的油井含水低和不含水生产时没有偏磨现象，含水升高后偏磨现象严重；在偏磨的同一位置，抽油杆接箍磨蚀严重而油管磨蚀较轻。抽油杆杆体和接箍材质相同的井偏磨较轻，而更换新接箍的井接箍的磨蚀速度反而加快；很多井身斜度不大的井高含水后，偏磨程度增加。 B、腐蚀介质影响：幸福油田油井产出水具有“六高一低”特点：即矿化度高（6×10430×104mg/l）：Cl-含量高(2×10411×104mg/l)，CO2含量高（20400mg/l），H2S含量高（030mg/l）、细菌

8、含量高（10×104104个/ml），温度高（80120），pH值低（5.06.5），显弱酸性。产出水中存在如下反应：CO2+H2OHH+HCO3- Fe+H2SFeS+H2 H+CL- HCL 产出水中H2S与铁反应生成FeS和H2，对油管和抽油杆在强腐蚀体系中产生氢脆腐蚀。 C、偏磨和腐蚀具有同效应：偏磨和腐蚀并不是简单的叠加，而是相互作用，相互促进，二者结合具有更大的破坏性。 管、杆偏磨，表面氧化层保护膜或防护层脱落，在井温和摩擦表面产生热能的作用下，使管杆表面铁分子活化，而产出液具有强腐蚀性，使偏磨处优先被腐蚀。 由于偏磨处表面被活化，成为电化学腐蚀的阳极，从而形成了大阴极小

9、阳极的电化学腐蚀，而产出液是强电解质，对电化学腐蚀起到了催化作用，更加剧了腐蚀。 由于腐蚀，使管杆偏磨表面更粗糙，从而磨损更严重。 D、抽油井偏磨与电化学腐蚀 以上这些现象都说明：抽油井偏磨并不仅仅是两种金属因磨擦产生的磨损，偏磨还包含许多化学腐蚀的原因，特别在含水较高的抽油井中由于地层产出水矿化度高，使油管和抽油杆处于一种强电解质中，油管、抽油杆接箍等不同材料的金属在地层液的强电解质中，产生电化学腐蚀。由于抽油杆腐蚀的阳极被腐蚀，其机械性能大幅度下降，而使腐蚀速度加快。 E、缝隙腐蚀和冲蚀明显：由于产出液含水较高及产出水的强腐蚀性，使油管、抽油杆丝扣连接处产生缝隙腐蚀。另外，由于产出水对油管

10、公扣外缘的冲刷作用，再加上产出水的强腐蚀性，发生冲蚀，易使油管公扣老化。油管丝扣连接处在偏磨腐蚀、缝隙腐蚀和冲蚀的综合作用下，产生刺漏，甚至断脱。 材质耐腐蚀性差，也是偏磨腐蚀一个主要因素幸福油田的产出水具有强腐蚀性，若所用的油管、杆及相应的集输设备耐腐蚀性能达不到要求，极易造成井下油管、集输干线、联合站储油罐等生产系统的腐蚀速率加快，缩短使用周期。 2、集输系统金属的电化学腐蚀过程分析 当金属与电解质溶液接触时，由于金属管串本体及表面材质电化学性质的不均匀，不同杆体、缝隙及丝扣连接处等部位相互之间都会成为阳极（电极电位较负）或阴极（电极电位较正），所以井下整个管串就会有很多微小的阳极和阴极同

11、时存在，形成很多微电池，电池的阳极不断输出电子，同时金属电子溶入电解质溶液中，阳极发生腐蚀；在阴极，电解质溶液中的氢离子、氧分子或其它能够吸收电子的物质在其上进行阴极还原反应，其腐蚀过程由三个环节组成： A、在阳极，假设金属（M）被溶解，变成金属离子进入溶液中：Mne-Mne+ B、电子从阳极流向阴极 n阳n阴 C、在阴极，电子被溶液中能够吸收电子的物质（D）所接受：ne-+DDe-(阴极过程)在阴极附近能够与电子结合的物质很多，但在大多数情况下，溶液中的H+与电子结合形成H2，O2与电子结合生产OH-或H2O。 H-+eH 2H-+2eH2 O2+4H+4e2H2O(在酸性介质中) O2+2

12、H2O+4e4OH-（在中性或碱性溶液中） 以上三个环节是相互联系的，三者缺一不可，如果其中一个环节停止。则整个腐蚀过程也就停止。 三、阴极保护(牺牲阳极)的技术原理 利用外加电流或利用恒电位法使金属发生阴极极化，使其电位负移，从而停止或减缓金属腐蚀的方法称为阴极保护。阴极保护具有悠久的历史，一些发达国家已成为一种成熟的商品技术，并广泛应用石油化工设备的防腐。目前，在该技术发展的基础上，中原油田也得到了引进与应用。技术原理：从电化学保护原理出发，金属在电化学腐蚀中存在一个自然电位，当金属体上通直流电并阴极极化时，就会出现使自然电位下降，当下降到阴极开路电位时即与阳极电位相等或低于阳极电位时，腐

13、蚀就会停止，从而达到保护金属的目的。阴极保护主要分外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种： 1、外加电流阴极保护技术 通过外加电源通以阴极电流，将被保护件与直流电的负极连接，迫使被保护的件电位低于周围环境，使电流流向被保护件，腐蚀速度就会下降，当金属表面阴极极化到一定程度时，阴阳极达到等电位，原电池的腐蚀就被迫停止。此时，外加电流I外等于阴极电流I阴，即I阳=0，这就是阴极保护的原理。此方法常使用在地下集输干线、管道、计量站、联合站储油罐及分离器等相关被保护设备（见图2示）。+-辅助阳极微阴极+-辅助阳.极微阳极ie图2 地下集输干线、储油罐及分离器保护设备阴极保护示意图 2、牺牲阳极法牺牲阳

14、极管串图3 油井井下管串的阴极保护示意图 在正作用的腐蚀电池体系中（产出液）安装一个电极电位较低的金属作为阳极与被保护的金属（井下管串）连在一起，与原腐蚀的电池构成一个新的宏观电池，这一新的电极是新的宏观电池的阳极，原腐蚀金属即阴极，从阳极体上通过电解质向被保护金属提供一个阴极电流，使被保护体进行阴极极化，实现阴极保护，随着电流的不断流动，则阳极金属电子不断转移到被保护金属体上，阳极材料不断耗掉，所以又叫牺牲阳极，如下图示。此法常使用在油井井下管串的保护（见图3示）。 3、牺牲阳极对减缓腐蚀的技术论证 通过对抽油井偏磨原因的分析，结合阴极保护技术对金属防腐的适应性，将阴极保护技术的牺牲阳极法用

15、于对抽油井井下管串的电化学防腐，是预防偏磨腐蚀造成抽油井检泵周期短的有效办法。 油井作业时，将一种电位更负的金属（锌、镁合金）作为牺牲阳极，按照一定的技术要求分别安装固定在油管柱、抽油杆上，使其在井下液体中构成一个新的宏观电池，这一负的电极是新电池的阳极，而管杆则成为阴极，从阳极体上通过电解质向管杆提供一个阴极电流，使抽油杆进行阴极极化，实现阴极保护，随着电流的不断流动，牺牲阳极材料不断消耗掉。 从而达到井下管串长久连续不间断的缓蚀效果，阳极材料消耗完后，则管杆重新成为阳极并逐渐被电解质腐蚀，这样阳极金属消耗的年限就成为抽油杆寿命延长的年限，使检泵周期得到一定的延长。 工艺创新点：使井下管串长

16、期不间断达到缓蚀保护；解决端点加药、边缘零散井、电泵井、大排量提液井、套管气大套压高不易加药等诸多实际生产问题；弥补了液体缓蚀药剂配方多变，浓度不一，在定期定量加药过程中需配备专门泵车及配液池，占用人力多，加药周期及加药量不易等弊端；减缓井下管串偏磨表面的活化性和管串材质性能差异、裂缝腐蚀等所形成的大阴极小阳极的电化学腐蚀，延长了联合站（计量站）输油管网及容器的使用寿命、增加了油井生产周期；改变了以往端点前移传统防腐方式的局限性，实施化学和电化学双重防腐。给提高油井井下管串、联合站（计量站）生产系统管网及容器的缓蚀效果开辟一条新的防腐技术，其原理新颖、理论依据可靠。 四、项目完成情况与实施效果

17、 1 工作量完成情况 采油二厂按照指导性新技术推广项目合同的具体实施方案及进度安排的要求，从油田实际生产状况出发，针对中原幸福油田生产系统（输油干线、储油罐、联合站等）腐蚀、抽油井井下管串偏磨腐蚀严重的特点，根据“防治结合”的原则，在实施成熟经验的基础上，对生产系统相关设备及偏磨腐蚀严重油井，重点抓好工作量的落实、实施进度与安排工作。特别是对电泵井及大排量提液抽油井，优先推广实施阴极保护新技术。 2002年，共计推广实施油井井下管串阴极保护28口（抽油井20口，电泵8口）；采油计量站7座，保护集输干线长度21600km,共覆盖215口油水井；联合站5000方储油罐2座，三项分离器10台。按期完

18、成合同项目，并取得项目的整体效益。2 井下管串现场实施及效果针对井下管串管杆偏磨和电化学腐蚀，主要推广实施XY1型管、杆阳极，是利用电化学阴极保护的牺牲原理，用锌、铝、镁、铬等合金作为牺牲阳极，设计成管杆短节，与抽油杆同时下入油井内，随着电流的不断流动，阳极材料不断消耗掉，阴极得到保护。对实施油井，从挂片腐蚀检测状况可以看出：油井平均腐蚀速率降至0.027mm/a，缓蚀率提高了10.5%，从监测井起出的管、杆、泵情况来看，腐蚀已得到有效控制，原来部分腐蚀井明显见坑状及蜂窝状腐蚀，丝扣处腐蚀，目前基本未见腐蚀，井下管串腐蚀状况明显转好，管、杆、泵的使用寿命也得到有效的延长。5-5921井实施前：

19、:2002.1-04 监测周期99天 试片、试棒平均腐蚀速度分别1.625、1.677mm/a 点蚀速度2.177mm/a实施后：2002.4-8 监测周期102 试棒、试片腐蚀速度分别0.0680、0.0488mm/a 点蚀速度1.234mm/a6-137井:2001.11-03 监测周期92天 试片平均腐蚀速度1.9490mm/a 点蚀速度2.74mm/a 实施前6-137井:2002.01-08 监测周期192天 试片平均腐蚀速度1.1747mm/a 点蚀速度1.134mm/a 实施后 典型井例检测分析：79-14井实施前：:2001.12-03 监测周期105天 试片平均腐蚀速度1.9

20、454mm/a 点蚀速度2.83mm/a实施后：2001.12-03 监测周期120 试棒、试片腐蚀速度分别0.0500、0.0237mm/a 点蚀速度1.63mm/a 7-28井 实施前：:2002.3-06 监测周期95天 试片、试棒平均腐蚀速度分别0.8477、0.6216mm/a 实施后：2002.6-11 监测周期155 试棒、试片腐蚀速度分别0.127mm/a 0.0492mm/a79-17井 实施前：:2002.2-05 监测周期95天 试片、试棒平均腐蚀速度分别2.727、0.677mm/a 实施后：2002.5-11 监测周期175 试棒、试片腐蚀速度分别0.127mm/a

21、0.0492mm/a 7-100井 实施前：:2002.4-07 监测周期93天 试片、试棒平均腐蚀速度分别2.012、2.132mm/a 点蚀速度1.899mm/a 实施后：2002.7-11 监测周期115 试棒、试片腐蚀速度分别0.0488、0.0635mm/a 点蚀速度1.820mm/a 5-5921井 实施前：:2002.3-06 监测周期95天 试片、试棒平均腐蚀速度分别2.225、2.456mm/a 点蚀速度2.577mm/a 实施后：2002.6-10 监测周期108 试棒、试片腐蚀速度分别0.0389、0.0596mm/a 点蚀速度1.255mm/a 79-24井实施前：:2

22、002.1-04 监测周期99天 试片、试棒平均腐蚀速度分别1.5526、1.6320mm/a 点蚀速度2.90mm/a实施后：2002.4-10 监测周期122 试棒、试片腐蚀速度分别0.0500、0.0237mm/a 点蚀速度1.55mm/a7-39井 实施前：:2002.3-05 监测周期88天 试片、试棒平均腐蚀速度分别1.139、0.6752mm/a 实施后：2002.5-11 监测周期165 试棒、试片腐蚀速度分别0.119mm/a 0.0549mm/a 效益分析：井下管串阴极保护技术的推广应用，大大减少了管杆、泵体、泵叶导轮、单流阀、化键等部位的腐蚀。 增油情况：从腐蚀生产状况可

23、以看出：实施油井，井均延长检泵周期86天，累计增油8500t，创经济效益240.58万元，创净产值105万元； 管杆投入：延长油井及管、杆、泵的使用寿命，预计单井上减少新管杆投入各500米，管价格按65元/米计算(扣除残值)，杆价格按15元/米计算(扣除残值)，13口井共节约13×500×(65+15)52万元。累计创效：157万元。投入产出比1：2.62。可见阴极保护技术是当前解决管杆偏磨腐蚀过程的重要手段，也是挖潜增效降低成本的根本途径，具有较大的推广应用价值。 3 集输系统现场实施及应用效果 3.1 选站原则及现场安装参比电极零位接阴输出阳极输出阴极恒电位仪选站原则：

24、选择腐蚀严重且井站比较集中的区块，以便于形成区域性阴极保护；历年地面管网腐蚀穿孔较多且腐蚀躺井频繁的井站；根据井站地理分布位置；根据油田计量站腐蚀穿孔的统计表明，计量站腐蚀穿孔的区域，主要集中在站周围30米以内。 3.2现场安装及使用系统组成：外加电流阴极保护主要有以下组成：电源设备：220V或380V电源，恒电流仪；辅助阳极：高硅铸铁阳极；参比电极：铜饱和硫酸参比电极；阳极床（见图安装示意图） 3.3 阴极保护现场测试 为及时观察阴极保护效果，对其电位进行了测试，保护干线的电位均在-0.76-1.5V范围之内。见测试数据表1阴极保护电位测试数据表序号平均保护电位序号平均保护电位序号平均保护电位1-1.0217-0.9934-0.892-1.0318-0.9235-0.883-1.0919-1.0236-0.904-1.0020-1.0137-1.015-1.0221-0.9738-0.816-1.0122-0.9739-0.977-0.9923-0.8840-0.778-0.9024-1.0641-0.859-0.9