牺牲阳极防腐蚀仪在油井中的应用

白仲岗，赵晨云，齐 会，王慧屏，李涌涛，秦京周

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710000;2.延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西吴起 717600;3.中国石油华北石化分公司，河北 任丘 062552)

牺牲阳极防腐蚀仪在油井中的应用

白仲岗1，2，赵晨云1，齐 会1，王慧屏1，李涌涛3，秦京周3

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710000;2.延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西吴起 717600;3.中国石油华北石化分公司，河北 任丘 062552)

针对吴起地区油井含水较高、矿化度高、油井腐蚀较为严重和现有防腐蚀工艺存在的不足，以牺牲阳极保护阴极为原理，自行设计、研制了防腐蚀仪(亦称防腐蚀短接)，直接套接在油管外壁。通过现场28口油井的实践证明，该工艺技术投资小、易实施和施工安全，并且防腐蚀效果显著。延长了检泵周期和油井使用寿命，年经济效益6269.49×104RMB¥，具有良好的社会效益和环保效益。

牺牲阳极 保护阴极 防腐蚀仪 油井 应用

随着油井开采时间的延长，油井产液含水率的逐渐升高，高矿化度地层水对钢质的油管、套管及油杆等的腐蚀也越来越严重。一般腐蚀多发生在水的质量分数较高(大于30%)的油井上，经挂片试验测试，油井的腐蚀率在0.05～0.50 mm/a，部分油井高达1.0～5.0 mm/a，为此开展了油井腐蚀防护工艺技术工作，如化学药剂防护、内外涂层防护等，也取得了一定的防腐蚀效果。

化学药剂防护存在定位性差、劳动强度大，投加质量浓度要求高，区域效果差异较大;管内外涂层防护的方法则因为管道在运输、安装过程中涂层易被破坏，反而使局部腐蚀加快。需要开发一种防腐效果好、针对性强、劳动强度小、投资也少的油井工艺防腐蚀技术。

1 阴极保护

针对上述防腐蚀工艺技术存在的缺点，纵观各大油田防腐蚀工艺技术，分析了牺牲阳极阴极保护在埋地管道、储罐和海上轮船、码头等方面的应用。

1.1 阴极的选择

对于吴起地区的油水井来说，一般油层上下的油管所处的环境温度为40～60℃，深度在1 000～2 100 m，水型为CaCl2水型、矿化度60～110 g/L。通过室内评价试验，筛选出适用于吴起油田地层水的镁合金阳极(MHJY)。

该材料电位负，极化率低，驱动电位高，可以提供比镁阳极(AZ63)和锌阳极更大的输出电流，并能形成致密的防腐蚀保护膜。MHJY和AZ63阳极电化学性能对比见表1。

表1 MHJY和AZ63镁阳电化学性能

1.2 室内测试评价

1.2.1 阳极性能测试

模拟吴起地区井筒腐蚀环境，井下介质(介质成分见表2)，在40℃的温度下，采用MHJY镁阳极试验40 d时的结果见表3。

表2 模拟井下介质成分 mg/L

表3 模拟井下介质试验结果

通常情况下，阳极的电容量随温度的增加呈现出递减的现象。MHJY阳极电容量随温度而变化的情况见图1。

图1 MHJY镁阳极发生电容量与温度关系

1.2.2 室内电化学试验

采用弱极化曲线法进行室内电化学试验［1］，介质为吴起地区洛河水，研究的对象是J55钢级(以下简称J55)，以此来分析阳极保护的电化学行为。同时讨论镁牺牲阳极对J55管道钢电化学腐蚀的影响。

(1)试验材料:试验材料J55钢级试片，试样的取向是沿着管材的轴向进行截取的，试样的尺寸为10 mm×10 mm×3 mm。在做试验之前，将试样MHJY镁阳极用铜先连接好，再用环氧树脂将试样非工作面密封。另外两个试样直接用环氧树脂将试样非工作面密封。这样试样的有效工作面积为100 mm2，试验在(25±2)℃下进行。

(2)试验装置:试验采用的是三电极系统，在微机控制的PS-168电化学测试系统上进行自腐蚀电位测试，并以0.2 mV/s的扫描速率进行慢速电化学极化曲线的扫描试验，试验装置见图2。电化学测试是试样在介质中浸泡24 h后进行的。

图2 极化曲线试验装置

(3)极化曲线特征分析:用PS-168腐蚀测试系统自动采集的数据，经ORIGIN软件处理后作图［2］，J55管材在未加阳极保护和加阳极保护下的极化曲线见图3。

1和2曲线分别是J55油管在25℃和40℃时MHJY镁牺牲阳极保护下的极化曲线，此时镁为阳极，试样为阴极。从这二者的极化曲线可以看出，阴极曲线很陡，塔费尔斜率越大，阴极极化越严重，腐蚀速率越低［3］。而且阴极具有钝化特征。另外还可以看出40℃时的阳极极化较25℃时的阳极极化弱。而二者阳极极化曲线平缓，腐蚀速率大，3和4曲线分别是J55油管在25℃和40℃时未加阳极保护的极化曲线，此时，试样上的杂质或缺陷为阳极，其他面为阴极，阳极小而阴极大。小阳极在开始时，腐蚀速率大。而大阴极极化较严重，这样就出现了小阳极大阴极的腐蚀。从4条曲线的整体上来看，腐蚀速率大小为:1＞2＞3＞4。

当J55极化曲线做完以后，对极化以后的试样表面腐蚀形态进行观察后发现受阳极保护的试样表面未见任何腐蚀坑，见图4。试样表面呈出灰白色，经鉴定该物主要是碳酸镁氢氧化镁，镁阳极呈现黑灰色，溶解较均匀。而未进行阳极保护的试样表面有大小不一的腐蚀坑，其中45℃温度下的试样腐蚀严重。

图4 J55钢极化以后的腐蚀型貌对比

1.3 现场应用设计及实施办法

1.3.1 设计计算的基础数据

油层所处温度为40～60℃;阳极所处介质的电阻率为1～1.25 Ω·m;根据检泵周期阳极设计寿命为3～5 a;保护电流密度是利用某公司生产的M723 A恒电位仪，在试验室进行极化试验测定［4］，吴起地区洛河水中油管的最小保护电流密度为51 mA/m2，在达到-0.95 V的保护电位时，油管静态保护电流为42.1 mA/m2、动态(微流动0.131 L/s)保护电流为82.4 mA/m2，所以在此选用保护电流密度为52～105 mA/m2;阳极尺寸:为了使长效阳极保护器使用简单、更换方便，经过探讨决定初期阳极尺寸为φ88 mm×73 mm×50 mm，单个质量为4.438 kg。

在相应的电流密度下，单支阳极输出电流和电流传输距离可参照有关标准来计算。

1.3.2 实施办法

(1)选井标准:油井水的质量分数大于30%的腐蚀井均可采用;

(2)施工方式:趁修井作业时，顺便装上防腐蚀短接即可，不必专门修井安装;

(3)下阳极位置选定:开始的采油管柱从发现的腐蚀区域为主要选定范围，其余出现腐蚀的区域也可以选定;

(4)下阳极数量:据实际的腐蚀程度，要保护的范围，预计保护时间的长短等来综合确定;

(5)阳极安装工艺:据防腐选定范围，阳极数量，将防腐蚀短接套接在油管的外壁，按照正常修井管柱起下标准起下管柱。

2 实践应用

根据牺牲阳极，保护阴极理论，室内经多次反复试验、实践论证。于2007年10月首批自己设计、加工的牺牲阳极保护阴极防腐蚀短接，在9-8，8-9，9-31和8-8四口井上成功下井，开始应用。同时，为了及时了解油管腐蚀率的变化情况，在4口井上进行挂片试验。结果，检泵周期不足40d的9-8和8-9井，竟然生产120 d还未检泵，生产正常;9-31和8-8井也同样延长了检泵周期。后因其它原因检泵时，发现油管腐蚀不明显，阳极腐蚀严重，挂片测试发现腐蚀率大大降低。其效果可从8-9井工艺实施前后管柱的腐蚀看出，8-9井使用阳极前、后油管腐蚀情况对比见图5。

从2008年4月开始，先后又在8-10，8-19，9-15，9-18，10-8和10-21等24口井应用了该工艺，截止2007年6月底，共计应用了28口井，效果非常明显，部分油井应用效果对比见表4。

图5 使用阳极前后油管腐蚀情况对比

表4 部分油井使用阳极前后情况对比

从图5和表4可以看出，腐蚀速率从原来的 0.06～0.50 mm/a(部分高达1.80～2.70 mm/a)降低到0.005～0.020 mm/a防腐蚀效果明显，见效率为100%。

该技术成功的应用，带来了以下几方面的社会效益:

(1)说明牺牲阳极保护阴极防腐仪技术在高含水、高矿化度油井是可行的，并具有广泛的推广应用价值。

(2)该项目投资小、易实施、施工安全、效果明显，延长了油井使用寿命，挽回了巨大的经济损失。

(3)延长了油井的使用寿命，将产生巨大的长期效益。

(4)具有较好的环保效益，避免了药剂对环境的污染和人体的危害。

(5)激发了科技工作者对此项技术更深入的研究信念，推动了此技术向更完善、更成熟发展。

3 结论及建议

3.1结论

(1)牺牲阳极保护阴极防腐蚀仪工艺技术在吴起地区的高含水油井上应用是可行的。

(2)该技术具有投资小、施工工艺简单易行、针对性强、劳动强度小、防腐蚀效果显著等优点，是一种新型的油井防腐蚀工艺。

(3)该技术的应用，不但延长了检泵周期、油井的管杆的使用寿命，而且产生了巨大的经济效益和良好的社会效益;避免了防腐蚀药剂对环境的污染和人体的危害，具有良好的环保效益。

(4)该技术在防腐领域具有广泛的推广应用价值。

3.2建议

建议进一步总结优选最合理阳极携带方式、数量及参数来完善工艺，提高效果。在防腐蚀的同时，要加强防垢和防蜡研究，使该产品得到进一步推广应用。

［1］陈国华，王光信.化学方法应用［M］.北京:电化学工业出版，2003:2

［2］《油气田腐蚀与防护技术手册》编委会.油气田腐蚀与防护手册上下册［M］.北京:石油工业出版社，1999:6

［3］肖纪美，曹楚南.材料腐蚀学原理［M］.北京:化学工业出版社出版，2002:9

［4］卢绮敏.石油工业中的腐蚀与防护［M］.北京:化学工业出版社出版，2001:10.

Application of Cathodic Corrosion Protection Device in Oil Wells

Bai Zhonggang1，2，Zhao Chenyun1，Qi Hui1，Wang Huiping1，Li Yongtao3，Qing Jingzhou3
1.Petroleum Engineering College of Xi＇an Petroleum University(Xi＇an，Shaanxi 710000)
2.Wuqi Oil Production Plant of Yanchang Oil Field Co.，Ltd.(Wuqi，Shaanxi 717600)
3.PetroChina North China Petrochemical Company(Renqiu，Hebei 062552)

Based upon the high water and high minerality of oil wells，severe well corrosion and insufficiency of anti-corrosion process in Wuqi area，a corrosion protection device(also called corrosion protection union)is developed and designed based upon sacrificing anode principles，which can be installed outside of the external wall of oil pipe for certain media.The application in 28 oil wells demonstrate that this technology is low in investment，easy in installation and good in corrosion protection efficiency.It has extended the pump operating cycle and service life of oil wells.The annual economic benefit is 62.6949 million Yuan(RMB).In addition，it offers good social and environmental benefits，and can be applied in other oil wells.

sacrificing anode，protection cathode，corrosion protection device，oil well，application

TG174.41

A

1007-015X(2011)03-0043-04

2011-02- 28;

2011-04-28。

白仲岗(1976-)，男，1998年毕业于延安大学化学专业，工程硕士在读，现在延长油田股份公司吴起采油厂主要从事油田化学、化验及科技开发工作。E-mail:bzg1688@163.com