深井阳极地床设计和施工中的关键问题

李循迹,赵密锋,周理志,常泽亮,陈 博

(1. 中国石油塔里木油田公司，库尔勒 841000; 2. 中国石油塔里木油田油气工程研究院，库尔勒 841000；3. 沈阳中科环境工程科技开发有限公司，沈阳 110016)



深井阳极地床设计和施工中的关键问题

李循迹1,赵密锋2,周理志2,常泽亮2,陈 博3

(1. 中国石油塔里木油田公司，库尔勒 841000; 2. 中国石油塔里木油田油气工程研究院，库尔勒 841000；3. 沈阳中科环境工程科技开发有限公司，沈阳 110016)

用不等距法测某场站深井阳极地床处土壤电阻率沿垂直方向的分布，探讨了比较经济的阳极井深度，提出了在深井阳极地床安装过程中需要严格控制的关键环节。结果表明：土壤电阻率随地层深度的增大呈先减小后增大的趋势，比较经济的井深为40 m；严格控制深井阳极地床施工中的关键环节，深井阳极地床的施工质量和阴极保护效果才能得到可靠保证。

深井阳极地床；不等距法；土壤电阻率；接地电阻；通电电位

塔里木油田已有的阴极保护工程实践表明：浅埋型阳极地床不适合地处沙漠、自然环境恶劣、土壤电阻率高的塔里木油田的地质和水文条件[1]。深井阳极地床是将一支或多支辅助阳极体垂直安装于地下15 m或更深的井孔中，以提供阴极保护电流[2]，这一方法具有占地少，接地电阻小，电流分布均匀，干扰小，工作稳定等优点，已成为外加电流阴极保护中的常规技术。但是，在深井阳极式阴极保护中，深井阳极地床所处位置的土壤电阻率沿垂直方向的分布，以及施工中需要特别注意控制的技术环节，鲜见报道。

本工作结合深井阳极工程实例，采用不等距法测量了土壤电阻率沿深度方向的分布情况；讨论了在深井阳极地床施工中应考虑的因素，提出了在深井阳极地床设计和施工安装中需要注意的关键问题。

1　土壤电阻率

1.1测量方法

在深井阳极式阴极保护设计中，土壤电阻率是一个非常重要的参数，它决定阳极的安装位置、阳极井的深度、电源设备的功率等设计参数[3]。测量土壤电阻率的方法较多，等距法是土壤电阻率测量中较常采用的方法。随着西部油气资源的开发，经常需要在沙漠、戈壁地区采用深井阳极地床进行区域性阴极保护。若采用等距法测量，需要非常长的测量导线，过长的导线导致操作不方便，同时导线长度也受到油气处理厂范围与地面装置的限制。

在德国W.V.贝克曼所著的《阴极保护简明手册》(1992版)中，第6.3.2条“土壤电阻率测量”详细论述了不等距四极法测量垂直方向上土壤电阻率的原理及其计算公式，该方法已列入SY/T 0096-2013《强制电流深阳极地床技术规范》标准。茅斌辉等[4]也提到，在深井阳极地床设计中，土壤电阻率测量应尽量采用不等距法进行测量，可以有效减少测量布线距离。

根据SY/T 0096-2013标准，采用不等距法测量不同深度处土壤的平均电阻率，测量仪器为ZC-8，接线方法见图1。

采用不等距法时需先计算确定四个电极的间距，此时b>a。a通常情况取5～10 m，b根据地层深度计算确定，计算式见式(1)。本次测量中，a取4～12 m，h取20～50 m。

(1)

式中：b为外侧电极与相邻内侧电极之间的距离，m；h为地层深度，m；a为相邻两内侧电极之间的距离，m。

根据确定的间距将测量仪的四个电极布置在一条直线上，电极入土深度应小于a/20。测量过程中若接地电阻R小于零时，加大a并重新布置电极。

地层深度h处的土壤电阻率ρ按式(2)计算。

(2)

1.2测量结果与讨论

土壤电阻率随深度的变化情况如图2所示。从图2可以看出，该场站土壤电阻率并不是随地层深度增加而持续减小，土壤电阻率首先是沿深度方向呈减小趋势，在地层深度为30 m左右时达到最小值，之后土壤电阻率又开始呈增大趋势。

阳极井设计井深应从土壤电阻率和经济两方面综合考虑，因为在地层深度为30 m左右时土壤电阻率最小，所以井深设计为40 m时应该是比较经济的。但是，阳极井深度的增大，有利于保护电流、保护电位的均匀分布。另外，本工作设计的阳极体总长为30 m，直径为219 mm，通过有效增大阳极体的长度、直径和接地面积，同时采用导电性能良好的石油焦炭填料，并使其紧密填充在MMO阳极间，都对降低接地电阻是有利的。在深井阳极设计时，应综合考虑土壤电阻率，阳极材料、长度和直径以及填料选择等因素[5]。

2　深井阳极施工中关键技术环节的控制与效果

2.1关键技术环节的控制

毕业之后，艾金森得到了幸运的眷顾，为一家英国电视公司制作喜剧。并迅速出现在了《恶搞九点新闻》的幽默短剧中。从此，他成为英国最为知名的喜剧演员之一。从1993年开始，他主演了《黑爵士》系列，并取得成功，也参与了该剧剧本的创作。

2.1.1 预制式阳极体的外观检查

预制式阳极体一般是在厂家组装好的，安装前主要查看以下内容：阳极体是否带有与井深相匹配的引出电缆，电缆端部是否明确标注长度；阳极体是否预留有排气管；阳极体外观是否完好，两端封堵是否严实，引出电缆规格是否符合要求且外观完好；用万用表测试电缆与钢套管电阻应接近于零。

如果在现场发现不符合项，应及时整改，不能在现场整改的须返厂处理，直至符合SY/T 0096-2013标准的要求。

2.1.2 阳极井钻井深度

阳极井施工时，必须确保阳极井钻深不小于设计要求，这将直接影响阳极体的入井深度，进而影响后期投运后深井阳极的保护效果。阳极井的钻井深度是否合格，可以通过查验所用钻杆、钻具的单根长度与数量加以确定。

2.1.3 排气管和电缆引线管的正确安装

气阻问题常常是导致深井阳极接地电阻升高、恒电位仪输出电压增大、输出电流明显变小甚至导致阳极井报废的重要原因，分段预制式阳极体事先都安装了专门的排气管。在现场安装时要确保排气管的准确对接、以及密封连接的牢靠性，这样才能保证各组阳极体之间及与上部排气顺畅。

每组预制式阳极体都配有一根与之入井深度相匹配的电缆，同时预留有电缆引线管。在现场组合阳极体入井前，必须注意前一段组合阳极体的电缆须穿过后一段组合阳极体的电缆引线管，并对接好后才能焊接钢筒连接处。

2.1.4 阳极体的入井深度

根据设计要求,井深应不小于50 m，最顶部一组预制式阳极体距离地面应不小于20 m。

确保阳极体的入井深度是技术环节控制的关键一环。可以通过计算阳极体外接的排气管和电缆引线管所用长度来确定。每支分段预制式阳极体长6 m，5支阳极体全部入井时，连接排气管和电缆引线管。现场使用的排气管为PVC管，每根长度3 m，共用6根半的PVC管，估算此时的阳极体顶部距离地面已经超过18 m，基本符合设计要求。

2.2关键技术环节控制后深井阳极地床的效果

2.2.1 接地电阻

深井阳极施工中严格控制了关键技术环节，同时在吊运(装)过程中，阳极电缆没有发生断路，深井阳极施工质量良好。完井后，采用ZC-8接地电阻测试仪测量阳极接地电阻，结果如表1所示。距离地面最近的一组阳极体为第1组阳极体，第5组阳极体处于最底部。由表1可见，两口阳极井的总接地电阻均小于1 Ω，为阴极保护，投运后，该深井阳极的输出电压较小，工作稳定。

表1　两口深井阳极地床的接地电阻Tab. 1　Ground resistance of two deep anode beds　Ω

2.2.2 阴极保护效果

新建的两口深井阳极及阴极保护系统于2014年12月初投运，分别与1号、2号深井阳极相连的2台恒电位仪运行正常，如表2所示。

表2　处理场站内2台恒电位仪的运行参数Tab. 2　Operating parameters of two sets of potentiostat in field

为检验深井阳极地床对站内设备的保护情况，对保护区域的阴极保护电位进行了测试，实测数据见表3。表3中的电位是SY/T 0096-2013标准中给出的通电电位(含IR降)。

表3　处理场站内管线设备受保护前后的通电电位Tab. 3　On-potential of storage tanks and buried pipes before and after CP in field　V(CSE)

通过保护前后电位测量数据的对比可以看出，深井阳极投用后，站内保护对象的通电电位均在-0.85 V以下，根据阴极保护准则，可以初步判定深井阳极及阴极保护系统对保护对象起到了预期的保护效果。

3　结论

(1) 采用不等距法测量了塔里木油田某场站新建深井阳极处的平均土壤电阻率沿垂直方向的分布，结果表明平均土壤电阻率并不是随地层深度的增加而持续减小，而是呈先减小后增大的趋势。

(2) 尽管加大井深对电流的均匀分布更有利，但从土壤电阻率和经济角度考虑，该场站阳极井并非越深越好，井深设计为40 m时应该是比较经济的。另外，阳极体长度和直径的增加以及石油焦炭填料的选择，对降低接地电阻都是有利的。

(3) 提出了阳极井施工中需要特别注意控制的关键环节。深井阳极及阴极保护系统运行后测得的较低接地电阻和良好的保护效果，证实了在阳极井设计和施工中严格控制这些关键环节对于深井阳极使用效果与运行寿命是至关重要的。

[1]胡峻. 深井阳极阴极保护技术在塔里木油田的应用[J]. 油气田地面工程，2004,23(8):53.

[2]武烈,董功俊,朱玉璧,等. 平圩发电厂厂区深井阳极阴极保护系统检测评估与技术改造方案设计[J]. 腐蚀与防护,2007,28(6):303-306.

[3]解红军，杜艳霞，张连来. 深井阳极阴极保护的应用及相关技术[J]. 材料保护，2009,42(5):43-46.

[4]茅斌辉，彭世尼. 深井阳极地床设计中沿深度方向土壤电阻率的测试与分析[J]. 天然气与石油，2011,29(1)：48-50.

[5]张平，龚树鸣，李浩. 深阳极地床技术在工程上的应用[J]. 天然气与石油，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

常泽亮(1969-)，高级工程师，从事油田腐蚀与防护工作,13709962968，changzl-tlm@petrochina.com.cn

TG174.41

B

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