李循跡,趙密鋒,周理志,常澤亮,陳 博

(1. 中國石油塔里木油田公司，庫爾勒 841000; 2. 中國石油塔里木油田油氣工程研究院，庫爾勒 841000；3. 沈陽中科環(huán)境工程科技開發(fā)有限公司，沈陽 110016)

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深井陽極地床設計和施工中的關(guān)鍵問題

李循跡1,趙密鋒2,周理志2,常澤亮2,陳 博3

(1. 中國石油塔里木油田公司，庫爾勒 841000; 2. 中國石油塔里木油田油氣工程研究院，庫爾勒 841000；3. 沈陽中科環(huán)境工程科技開發(fā)有限公司，沈陽 110016)

用不等距法測某場站深井陽極地床處土壤電阻率沿垂直方向的分布，探討了比較經(jīng)濟的陽極井深度，提出了在深井陽極地床安裝過程中需要嚴格控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)果表明：土壤電阻率隨地層深度的增大呈先減小后增大的趨勢，比較經(jīng)濟的井深為40 m；嚴格控制深井陽極地床施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深井陽極地床的施工質(zhì)量和陰極保護效果才能得到可靠保證。

深井陽極地床；不等距法；土壤電阻率；接地電阻；通電電位

塔里木油田已有的陰極保護工程實踐表明：淺埋型陽極地床不適合地處沙漠、自然環(huán)境惡劣、土壤電阻率高的塔里木油田的地質(zhì)和水文條件[1]。深井陽極地床是將一支或多支輔助陽極體垂直安裝于地下15 m或更深的井孔中，以提供陰極保護電流[2]，這一方法具有占地少，接地電阻小，電流分布均勻，干擾小，工作穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為外加電流陰極保護中的常規(guī)技術(shù)。但是，在深井陽極式陰極保護中，深井陽極地床所處位置的土壤電阻率沿垂直方向的分布，以及施工中需要特別注意控制的技術(shù)環(huán)節(jié)，鮮見報道。

本工作結(jié)合深井陽極工程實例，采用不等距法測量了土壤電阻率沿深度方向的分布情況；討論了在深井陽極地床施工中應考慮的因素，提出了在深井陽極地床設計和施工安裝中需要注意的關(guān)鍵問題。

1　土壤電阻率

1.1測量方法

在深井陽極式陰極保護設計中，土壤電阻率是一個非常重要的參數(shù)，它決定陽極的安裝位置、陽極井的深度、電源設備的功率等設計參數(shù)[3]。測量土壤電阻率的方法較多，等距法是土壤電阻率測量中較常采用的方法。隨著西部油氣資源的開發(fā)，經(jīng)常需要在沙漠、戈壁地區(qū)采用深井陽極地床進行區(qū)域性陰極保護。若采用等距法測量，需要非常長的測量導線，過長的導線導致操作不方便，同時導線長度也受到油氣處理廠范圍與地面裝置的限制。

在德國W.V.貝克曼所著的《陰極保護簡明手冊》(1992版)中，第6.3.2條“土壤電阻率測量”詳細論述了不等距四極法測量垂直方向上土壤電阻率的原理及其計算公式，該方法已列入SY/T 0096-2013《強制電流深陽極地床技術(shù)規(guī)范》標準。茅斌輝等[4]也提到，在深井陽極地床設計中，土壤電阻率測量應盡量采用不等距法進行測量，可以有效減少測量布線距離。

根據(jù)SY/T 0096-2013標準，采用不等距法測量不同深度處土壤的平均電阻率，測量儀器為ZC-8，接線方法見圖1。

采用不等距法時需先計算確定四個電極的間距，此時b>a。a通常情況取5～10 m，b根據(jù)地層深度計算確定，計算式見式(1)。本次測量中，a取4～12 m，h取20～50 m。

(1)

式中：b為外側(cè)電極與相鄰內(nèi)側(cè)電極之間的距離，m；h為地層深度，m；a為相鄰兩內(nèi)側(cè)電極之間的距離，m。

根據(jù)確定的間距將測量儀的四個電極布置在一條直線上，電極入土深度應小于a/20。測量過程中若接地電阻R小于零時，加大a并重新布置電極。

地層深度h處的土壤電阻率ρ按式(2)計算。

(2)

1.2測量結(jié)果與討論

土壤電阻率隨深度的變化情況如圖2所示。從圖2可以看出，該場站土壤電阻率并不是隨地層深度增加而持續(xù)減小，土壤電阻率首先是沿深度方向呈減小趨勢，在地層深度為30 m左右時達到最小值，之后土壤電阻率又開始呈增大趨勢。

陽極井設計井深應從土壤電阻率和經(jīng)濟兩方面綜合考慮，因為在地層深度為30 m左右時土壤電阻率最小，所以井深設計為40 m時應該是比較經(jīng)濟的。但是，陽極井深度的增大，有利于保護電流、保護電位的均勻分布。另外，本工作設計的陽極體總長為30 m，直徑為219 mm，通過有效增大陽極體的長度、直徑和接地面積，同時采用導電性能良好的石油焦炭填料，并使其緊密填充在MMO陽極間，都對降低接地電阻是有利的。在深井陽極設計時，應綜合考慮土壤電阻率，陽極材料、長度和直徑以及填料選擇等因素[5]。

2　深井陽極施工中關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的控制與效果

2.1關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的控制

畢業(yè)之后，艾金森得到了幸運的眷顧，為一家英國電視公司制作喜劇。并迅速出現(xiàn)在了《惡搞九點新聞》的幽默短劇中。從此，他成為英國最為知名的喜劇演員之一。從1993年開始，他主演了《黑爵士》系列，并取得成功，也參與了該劇劇本的創(chuàng)作。

2.1.1 預制式陽極體的外觀檢查

預制式陽極體一般是在廠家組裝好的，安裝前主要查看以下內(nèi)容：陽極體是否帶有與井深相匹配的引出電纜，電纜端部是否明確標注長度；陽極體是否預留有排氣管；陽極體外觀是否完好，兩端封堵是否嚴實，引出電纜規(guī)格是否符合要求且外觀完好；用萬用表測試電纜與鋼套管電阻應接近于零。

如果在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)不符合項，應及時整改，不能在現(xiàn)場整改的須返廠處理，直至符合SY/T 0096-2013標準的要求。

2.1.2 陽極井鉆井深度

陽極井施工時，必須確保陽極井鉆深不小于設計要求，這將直接影響陽極體的入井深度，進而影響后期投運后深井陽極的保護效果。陽極井的鉆井深度是否合格，可以通過查驗所用鉆桿、鉆具的單根長度與數(shù)量加以確定。

2.1.3 排氣管和電纜引線管的正確安裝

氣阻問題常常是導致深井陽極接地電阻升高、恒電位儀輸出電壓增大、輸出電流明顯變小甚至導致陽極井報廢的重要原因，分段預制式陽極體事先都安裝了專門的排氣管。在現(xiàn)場安裝時要確保排氣管的準確對接、以及密封連接的牢靠性，這樣才能保證各組陽極體之間及與上部排氣順暢。

每組預制式陽極體都配有一根與之入井深度相匹配的電纜，同時預留有電纜引線管。在現(xiàn)場組合陽極體入井前，必須注意前一段組合陽極體的電纜須穿過后一段組合陽極體的電纜引線管，并對接好后才能焊接鋼筒連接處。

2.1.4 陽極體的入井深度

根據(jù)設計要求,井深應不小于50 m，最頂部一組預制式陽極體距離地面應不小于20 m。

確保陽極體的入井深度是技術(shù)環(huán)節(jié)控制的關(guān)鍵一環(huán)?？梢酝ㄟ^計算陽極體外接的排氣管和電纜引線管所用長度來確定。每支分段預制式陽極體長6 m，5支陽極體全部入井時，連接排氣管和電纜引線管。現(xiàn)場使用的排氣管為PVC管，每根長度3 m，共用6根半的PVC管，估算此時的陽極體頂部距離地面已經(jīng)超過18 m，基本符合設計要求。

2.2關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)控制后深井陽極地床的效果

2.2.1 接地電阻

深井陽極施工中嚴格控制了關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，同時在吊運(裝)過程中，陽極電纜沒有發(fā)生斷路，深井陽極施工質(zhì)量良好。完井后，采用ZC-8接地電阻測試儀測量陽極接地電阻，結(jié)果如表1所示。距離地面最近的一組陽極體為第1組陽極體，第5組陽極體處于最底部。由表1可見，兩口陽極井的總接地電阻均小于1 Ω，為陰極保護，投運后，該深井陽極的輸出電壓較小，工作穩(wěn)定。

表1　兩口深井陽極地床的接地電阻Tab. 1　Ground resistance of two deep anode beds　Ω

2.2.2 陰極保護效果

新建的兩口深井陽極及陰極保護系統(tǒng)于2014年12月初投運，分別與1號、2號深井陽極相連的2臺恒電位儀運行正常，如表2所示。

表2　處理場站內(nèi)2臺恒電位儀的運行參數(shù)Tab. 2　Operating parameters of two sets of potentiostat in field

為檢驗深井陽極地床對站內(nèi)設備的保護情況，對保護區(qū)域的陰極保護電位進行了測試，實測數(shù)據(jù)見表3。表3中的電位是SY/T 0096-2013標準中給出的通電電位(含IR降)。

表3　處理場站內(nèi)管線設備受保護前后的通電電位Tab. 3　On-potential of storage tanks and buried pipes before and after CP in field　V(CSE)

通過保護前后電位測量數(shù)據(jù)的對比可以看出，深井陽極投用后，站內(nèi)保護對象的通電電位均在-0.85 V以下，根據(jù)陰極保護準則，可以初步判定深井陽極及陰極保護系統(tǒng)對保護對象起到了預期的保護效果。

3　結(jié)論

(1) 采用不等距法測量了塔里木油田某場站新建深井陽極處的平均土壤電阻率沿垂直方向的分布，結(jié)果表明平均土壤電阻率并不是隨地層深度的增加而持續(xù)減小，而是呈先減小后增大的趨勢。

(2) 盡管加大井深對電流的均勻分布更有利，但從土壤電阻率和經(jīng)濟角度考慮，該場站陽極井并非越深越好，井深設計為40 m時應該是比較經(jīng)濟的。另外，陽極體長度和直徑的增加以及石油焦炭填料的選擇，對降低接地電阻都是有利的。

(3) 提出了陽極井施工中需要特別注意控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深井陽極及陰極保護系統(tǒng)運行后測得的較低接地電阻和良好的保護效果，證實了在陽極井設計和施工中嚴格控制這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)對于深井陽極使用效果與運行壽命是至關(guān)重要的。

[1]胡峻. 深井陽極陰極保護技術(shù)在塔里木油田的應用[J]. 油氣田地面工程，2004,23(8):53.

[2]武烈,董功俊,朱玉璧,等. 平圩發(fā)電廠廠區(qū)深井陽極陰極保護系統(tǒng)檢測評估與技術(shù)改造方案設計[J]. 腐蝕與防護,2007,28(6):303-306.

[3]解紅軍，杜艷霞，張連來. 深井陽極陰極保護的應用及相關(guān)技術(shù)[J]. 材料保護，2009,42(5):43-46.

[4]茅斌輝，彭世尼. 深井陽極地床設計中沿深度方向土壤電阻率的測試與分析[J]. 天然氣與石油，2011,29(1)：48-50.

[5]張平，龔樹鳴，李浩. 深陽極地床技術(shù)在工程上的應用[J]. 天然氣與石油，2005,23(4)：24-26.

Key Issues in the Design and Installation of Deep Anode Beds

LI Xun-Ji1, ZHAO Mi-feng2, ZHOU Li-zhi2, CHANG Ze-liang2, CHEN Bo3

(1. Tarim Oilfield Company of Petro China, Korla 841000, China；2. Oil and Gas Engineering Research Institute, Tarim Oilfield Company of Petro China, Korla 841000, China；3. Shenyang Zhongke Environmental Engineering Technology Development Co., Ltd., Shenyang 110016, China)

The distribution of soil resistivity along vertical direction near a deep anode bed in some field was measured using un-equidistance method. The most economical well depth was analyzed based on those data. Some key issues that should be strictly followed during the installation of deep anode beds were also proposed. The results show that the soil resistivity had a tendency of decrease followed by increase when the strata depth increased, and the most economical well depth was 40 m. Anode bed installation quality and cathodic protection (CP) effectiveness can be achieved only when all these key issues are strictly followed during the installation of deep anode beds.

deep anode bed; un-equidistance method; soil resistivity; ground resistance; on-potential

10.11973/fsyfh-201610015

2015-05-27

常澤亮(1969-)，高級工程師，從事油田腐蝕與防護工作,13709962968，changzl-tlm@petrochina.com.cn

TG174.41

B

1005-748X(2016)10-0852-03