劉海祿 張國(guó)虎 馬含悅

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

油氣井套管的腐蝕破壞既直接影響到油氣田的開采，也會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在油氣田開采年限內(nèi)，有效防止套管的腐蝕破壞，對(duì)保證油氣田正常生產(chǎn)具有重要的意義。

20 世紀(jì)40 年代，美國(guó)及中東產(chǎn)油國(guó)，在單井上相繼開始應(yīng)用陰極保護(hù)技術(shù)，防止套管的腐蝕破壞，取得令人滿意的效果，實(shí)踐證明了對(duì)井套管實(shí)施陰極保護(hù)，是減緩和防止其外壁腐蝕破壞的有效措施［1］。

20 世紀(jì)70 年代末，我國(guó)部分油田對(duì)油氣井套管逐漸應(yīng)用了陰極保護(hù)，取得了較好效果。

1 套管陰極保護(hù)

土庫曼斯坦某氣田某單井站井套管陰極保護(hù)設(shè)施布置見圖1。

該單井站陰極保護(hù)設(shè)備采用1 臺(tái)5 路輸出的整流器，并用整流器的第1 路（50 V/40 A）對(duì)井套管進(jìn)行陰極保護(hù)，第2 路（50 V/40 A）對(duì)單井站內(nèi)埋地管道及放空管道埋地部分進(jìn)行陰極保護(hù)，第3 路（50 V/5 A）對(duì)采氣管道進(jìn)行陰極保護(hù)，第4 路（50 V/5 A）對(duì)緩蝕劑管道進(jìn)行陰極保護(hù)，第5 路（50 V/5 A）為備用。

圖1 井套管陰極保護(hù)設(shè)施布置圖

2 陰極保護(hù)運(yùn)行問題

設(shè)備投運(yùn)1 周以后記錄的數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表1 的數(shù)據(jù)看出井套管和單井站內(nèi)的埋地管道都未達(dá)到理想的保護(hù)電位。將設(shè)備第1 路的輸出電壓和電流調(diào)大，即使將第1路的輸出電流調(diào)到設(shè)備輸出上限40 A時(shí)，第1 路的保護(hù)電位仍然上漲很小，始終無法達(dá)到要求的保護(hù)電位。將第1 路的輸出電流調(diào)大，第2 路的輸出電流會(huì)有所減小。

3 問題分析

由于單井站內(nèi)的井下套管和站內(nèi)埋地管道之間未安裝絕緣設(shè)施，井下套管和站內(nèi)埋地管道是電連接的，因此，整流器設(shè)備的第1 路和第2 路，可以看作具有相同保護(hù)對(duì)象，所以第1 路和第2 路的設(shè)備輸出會(huì)相互影響，造成第1 路的輸出電流增大，第2 路的輸出電流減小的情況。 保護(hù)電位達(dá)不到保護(hù)要求，可能是由于保護(hù)電流量不夠造成的。因此，有必要對(duì)井套管需要的保護(hù)電流量進(jìn)行計(jì)算。

裸鋼的平均電流密度的典型范圍在10.76 ～21.5 mA/m2，北美井套管的標(biāo)稱電流密度是5.4 mA / m2，中東地區(qū)適當(dāng)?shù)钠骄娏髅芏仁?.2 mA /m2［2］。

按8.2 mA / m2的電流密度值對(duì)井套管需要的保護(hù)電流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 井套管陰極保護(hù)電流計(jì)算

從表2 計(jì)算結(jié)果可以看出，該井套管需要的電流量為40.1 A，表1 中整流器第1 路和第2 路的輸出電流之和為43.5 A，再考慮上單井站其它埋地管道（量很少）的消耗，從需要的電流量來看，43.5 A 的電流量可以滿足該單井站井套管達(dá)到極化電位的需求量。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，采用便攜式硫酸銅參比電極，在陰極保護(hù)電源設(shè)備附近測(cè)得的井套管的保護(hù)電位和設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)不一致。測(cè)試的具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 井套管保護(hù)電位

根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)可以看出，在電源設(shè)備附近測(cè)得的井套管的保護(hù)電位是符合保護(hù)要求的，而井套管附近測(cè)得的通電電位和斷電電位都要比電源設(shè)備附近的電位正。 《陰極保護(hù)手冊(cè)》［3］指出，保護(hù)電流自陽極地床流入周圍土壤時(shí)，會(huì)在陽極區(qū)形成陽極電壓錐，由此造成該土壤中的電位升高超過遠(yuǎn)方土壤中的電位。保護(hù)電流在管子防腐層缺陷處產(chǎn)生陰極電壓錐，在此土壤電位相對(duì)于遠(yuǎn)方大地而降低了［4～5］。

由于井套管外壁沒有防腐層，陰極保護(hù)電流就會(huì)在整個(gè)井套管周圍產(chǎn)生陰極電壓錐，井套管周圍土壤的電位就會(huì)低于遠(yuǎn)方土壤中的電位。放置在井套管附近的參比電極，因受到井套管周圍陰極電壓錐的影響，陰極保護(hù)設(shè)備顯示的井套管的保護(hù)電位值比實(shí)際的保護(hù)電位值要正。因此，應(yīng)將井套管附近的參比電極移至井套管陰極電壓錐影響范圍之外。

4 結(jié)論

通過對(duì)單井站井套管陰極保護(hù)運(yùn)行問題的分析，得出：

a）單井站井套管的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，不但應(yīng)考慮陽極地床的陽極干擾，還應(yīng)考慮井套管的陰極干擾。

b）參比電極的位置對(duì)陰極保護(hù)的保護(hù)結(jié)果的判斷至關(guān)重要，應(yīng)將參比電極設(shè)置在不受干擾的區(qū)域。

c）進(jìn)行井套管陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，井套管的電流密度的取值在8～10 mA/m2的范圍是適宜的。

［1］常守文，趙培然.井套管陰極保護(hù)電位地面測(cè)量方法的進(jìn)展［J］. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1990, 2(4): 184-190. Chang Shouwen, Zhao Peiran. Progress of Ground Measurement Method for Well Casing Cathodic Protection Potential［J］. Corrosion Science and Protection Technology, 1990, 2(4): 184-190.

［2］Oliphant S. Well Casing Corrosion and Cathodic Protection［R］. Calgary: Northern Area Western Conference, 2010.

［3］劉海祿，張國(guó)虎，宋凌燕. 深井陽極地床干擾范圍影響因素分析［J］ . 天然氣與石油, 2013, 31(6): 76-78.Liu Hailu, Zhang Guohu, Song Lingyan. The Analysis of Influence Factors of Deep Well Anode Groundbed Interference Range［J］, Natural Gas and Oil, 2013, 31(6): 76-78.

［4］貝克曼 WV，施文克 W，普林滋 W.陰極保護(hù)手冊(cè)［M］ . 胡士信，王向農(nóng)等譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005, 161-164 .Baeckman WV, Schwenk W, Prinz W. Handbook of Cathodic Protection［M］. Hu Shixin，Wang Xiangnong, et al. Trans. Beijing: Chemical Industry Press，2005. 161-164 .

［5］趙 健，張莉華，趙 泉，等，油井套管井下陰級(jí)保護(hù)電位計(jì)算方法研究［J］. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2001，21(6): 363-367.Zhao Jian, Zhang Lihua, Zhao Quan, et al. A New Method for Calculating the Downhole Cathodic Protection Potentials Well Casings［J］. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2001, 21(6): 363-367.