一种随油管入井预防套管腐蚀的工具研制

■质量

一种随油管入井预防套管腐蚀的工具研制

肖彦英1，李琼玮2，令永刚1，朱西柱1，涂学万1，王威1

1.中国石油长庆油田分公司第十采油厂（甘肃庆阳745100）

2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院（陕西西安710018）

针对普通Al-Zn-In阳极材料随着温度升高电化学保护效果变差的问题，添加Sn、Mg、稀土等合金材料，研制出耐温阳极材料，使其表面均匀溶解，电流效率提高了19%。根据油井套管内防腐精准度的需要，利用新型阳极材料研制出一种可随油管入井而保护套管的耐温牺牲阳极短节，配套简便，由井下对比试验可知其防腐效果明显。

牺牲阳极；耐温；套管；内防腐

电化学腐蚀是导致生产油井套管腐蚀破损的主要原因之一，而油井套管质量直接影响油井寿命和油田产量，甚至带来环保隐患。牺牲阳极作为一种成熟的金属保护技术广泛应用于油田套管防腐工艺，其基本原理是活泼金属与不活泼的套管钢材在电解质中形成原电池，活泼金属作为阳极优先被腐蚀溶解，使套管得到保护[1]。针对元城油田侏罗系油藏套管内腐蚀严重、缺乏预防措施的问题，从改进阳极材料和研制便于配套的阳极短节工具两方面入手，进行新型牺牲阳极保护套管工具的研制与试验。

1 新型牺牲阳极材料研究

1.1 油井温度对牺牲阳极电化学性能的影响

国内外研究表明[2]，温度的变化对阳极合金的性能有很大影响，随着温度升高，铝阳极保护效率大大降低，这是因为在温度高于35℃时铝阳极会产生晶间腐蚀，当温度在50℃以上短时间（如1年）内可能导致阳极全面分解[3-4]。国家低渗透油气田勘探开发工程实验室利用元城油田采出水作为实验介质，测试不同温度下Al-2.5Zn-0.02In阳极的发生电量变化情况，发现阳极发生电量随温度升高而降低，随温度升高其保护作用减小，实验曲线见图1。

图1 铝阳极发生电量与温度的关系

以侏罗系油井采集的硫酸钠水型为介质，实验室测试对比3种标准阳极材料电化学特性发现，当温度从30℃升高到50℃，铝阳极的电流效率降低一半（表1）。

电流效率降低的主要原因是铝合金中的晶界偏析相的电化学特性受温度影响较大。常温时晶界偏析相的阳极行为不明显，但温度较高时，铝表面更易钝化，且晶界偏析相可能转化为阴极性，使晶界更易于溶解，大量晶粒脱落，电流效率降低，而锌阳极在超过60℃的井温环境下会发生极性反转，失去保护效果。

1.2 新型耐温阳极材料研制及对比测试

针对普通Al-Zn-In牺牲阳极随着温度升高、电流效率急剧下降、牺牲阳极表面溶解不均匀而导致保护寿命变短、保护效果变差等问题，实验室环境下研发了适用于井筒高温环境的耐温阳极。通过大量实验，向Al-Zn-In阳极中添加Sn、Mg、稀土等合金材料，使晶粒细化，减少偏析相的产生，增强了高温条件下牺牲阳极的电化学性能，促使牺牲阳极表面均匀溶解。

生产现场取元城油田怀平某井产出水为实验评价介质，在70℃条件下参照有关检测评价方法[5]，对比测试原有阳极材料和新型阳极电化学性能，评价结果见表2和图2。由表2可知，新型阳极材料实际电容量提高了63.3%，电流效率提高了19%，且阳极材料表面均匀溶解，工作寿命较原材料有所提高。

表1 不同阳极的电化学特性与温度的关系

表2 耐温阳极电化学性能评价

图2 普通铝阳极（左）与耐温阳极（右）溶解实物对比

2 耐温阳极油管短节的研制与试验

2.1 保护套管用耐温阳极油管短节的设计

针对元城油田普遍存在的积液段以下套管内腐蚀问题，利用研制出的新型阳极材料进行工具优化设计，使其满足随油管入井而保护目标井段套管的需求，避免套管因电化学腐蚀而破损穿孔。

根据井筒特征和套管电化学防腐需要，加工制作出阳极保护套管新型油管短节工具，如图3所示。该工具耐温阳极短节由耐温阳极、中心管、接箍、弹簧片、固定卡、绝缘垫片等组成。随油管入井后，两组各3个铜质弹簧片与受保护套管内壁紧密接触，另一端为新型阳极材料，阳极材料与油管之间用绝缘材料隔绝，而与套管通过弹簧片电学连通，从而优先电化学腐蚀损耗，避免套管腐蚀。

2.2 保护套管用耐温阳极油管短节室内可靠性实验

借助低渗透油气田勘探开发国家工程实验室“井下工具高温高压检测系统”，在水浸高温实验井进行耐温阳极油管短节模拟入井实验。实验表明，在70℃、6MPa工况环境下，新型工具多次入井、起出，弹簧触臂平稳可靠，阳极短节结构稳定，可顺利完成起下井作业。

图3 耐温阳极短节结构图

2.3 保护套管用耐温阳极油管短节井下试验测试

2.3.1 试验测试方案设计

为测试保护套管用新型阳极油管短节在生产油井井筒的实际防电化学腐蚀性能，选取元城油田未实施套管内防腐的一口正常生产侏罗系井开展试验，设计出防腐效果验证方案和评价装置。将评价装置随耐温阳极短节同时入井和起出，通过测量对比测试挂环和受保护挂环腐蚀失重情况来评价保护效果，评价装置见图4。

图4 牺牲阳极保护效果评价装置

2.3.2 试验结果

将测试评价装置和保护套管用新型耐温阳极油管短节一同下入试验井动液面以下300m，生产98天后因井下第89根油杆腐蚀断脱而检泵作业。从管杆腐蚀情况可以看出该井腐蚀较为严重，牺牲阳极材料表面均呈现出坑状均匀腐蚀，未保护的挂环表面呈层状腐蚀，称重显示已失重6.7%，受保护的挂环表面光滑、完好，无腐蚀迹象，称重显示仅失重0.4%，即电化学缓蚀率达到了94%以上，由此可见牺牲阳极短节具备较好的电化学防腐效果，试验工具起出实物见图5。

In order to solve the problem that the electrochemical protection effect of the common Al-Zn-In anode material becomes worse with the increase of temperature,a new anode material with temperature resistance was developed through adding Sn,Mg,rare earth and other alloy materials into the common Al-Zn-In anode material.Current efficiency can be increased by 19%through the uniform surface dissolution of the new anode material.According to the need of casing corrosion prediction,an anode nipple joint was manufactured using the new anode material with temperature resistance to predict the corrosion of casing,which can enter well with oil pipe. The use of the nipple joint is simple,and the test results show that it has obvious casing corrosion prediction effect.

sacrificing anode;temperature resistance;casing;prevention of internal corrosion

肖彦英（1985-），男，工程师，主要从事油田开发工艺技术研究工作。