丛式井组套管阴极保护在线深阳极井设计及应用

高宝元

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，陕西西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018)

随着油田开采时间的延长，丛式井组套管的腐蚀也日益严重，某油田每年新增加套管损坏的油水井100多口，并且近年来有加快的趋势，直接影响着该油田的进一步开采，对油田的稳产造成了威胁，同时也给油田造成了巨大的经济损失。现有丛式井组套管阴极保护技术阳极井是裸眼完井，通过深黄土层打到崖石层见到水层为止，深度一般为200～300 m。该类油井运行一段时间后井壁易坍塌，导致阳极体及管线被埋，阳极井故障后很难修复，需要重建阳极井；阳极井的阳极本体消耗完后不能直接更换，需要重建阳极井，因此造成一定的浪费，增加了维护成本；同时出现故障后不能及时维护，给管理和维护造成一定的滞后，削弱了阴极保护的效果[1]。

针对上述实际情况进行了丛式井组套管阴极保护在线深阳极井设计，该设计结构使大阳极本体消耗完后，再消耗内部小阳极本体，延长了阳极井使用寿命。当在线监测阳极井故障时，可通过排气管和阳极独芯电缆一同将旧阳极本体拔出，再下放新的阳极本体、阳极独芯电缆及排气管，使系统正常工作，达到重复利用阳极地床的目的，避免了重复打井的工作，且更换简单，工期短，确保了丛式井组套管阴极保护工作的正常进行，节约了重新打阳极井费用，经济效益增加明显，同时也有利于井场环境保护，满足了油田发展的需求[2]。

1 丛式井组套管阴极保护在线深阳极井构成

丛式井组套管阴极保护在线深阳极井构成如图1所示，包括丛式井组套管阴极保护监测和在线深阳极井两部分。丛式井组套管阴极保护监测部分包括： 远程监控设备、阴极保护监测装置，可控制丛式井组套管阴极保护电流大小，远程监控阴极保护工况。在线深阳极井包括： 阳极井排气管、阳极体独芯电缆、阳极井井筒、高硅铸铁主阳极本体、高温铝合金辅阳极本体、填包料等。在线深阳极井消耗本体，给丛式井组套管提供阴极保护电流。高温铝合金辅阳极本体设计在高硅铸铁主阳极本体内部，高温铝合金辅阳极作为备用阳极本体，一主一备工作，运行初期高硅铸铁主阳极本体工作，当高硅铸铁主阳极本体释放能力衰减到不能满足系统运行要求时，再接入高温铝合金辅阳极本体工作，所述一主一备2个阳极体的引出线与阳极体独芯电缆并联方式连接[2]。

2 在线深阳极井设计

该油田现有深阳极井是裸眼完井，运行一段时间后井壁容易坍塌，导致阳极体及管线被埋，深阳极井故障后很难修复，需要重建深阳极井。深阳极井的深度直接影响着阳极接地电阻，该电阻一般小于4 Ω，必须通过黄土层打到崖石层见到水层为止，实际情况下，深度一般为150～300 m。用旋转钻机打深阳极井，井眼直径为300 mm，深阳极井井筒中全井段采用φ215 mmPVC套管固井，阳极套管底部采用PVC套管固封，套管四周有均匀的圆形φ10 mm透孔，每两节间采用PVC硬塑专用胶密封后用铆钉加固，直至井口。深阳极井的深度是影响阳极接地电阻的主要因素，在确定阳极井的直径时，应充分考虑排气管和电缆所占的空间，深阳极井的直径选φ215 mm，应对阳极体的安装进行严格控制，输出电流较大时应增大阳极井的直径。PVC套管不仅为深阳极井提供支撑作用，而且方便钢套管组合可抽芯双阳极串安装和抽出，同时可以限制阴极保护电流从近地表释放。阳极沟回填料采用冶金焦炭或者煅烧石油焦炭，回填料要在低于阳极体底部3 m[4]。

图1 丛式井组套管阴极保护在线深阳极井构成示意

3 钢套管组合可抽芯双阳极体设计

钢套管组合可抽芯双阳极体，由电缆穿管、独芯电缆、气室空腔、导气管、高硅铸铁主阳极本体、高温铝合金辅阳极本体等组成，高温铝合金辅阳极本体设计在高硅铸铁主阳极本体内部，高温铝合金辅阳极作为备用阳极本体，一主一备工作，2个阳极体引出线与阳极独芯电缆并联连接。钢套管组合可抽芯双阳极筒状外径规格为φ180 mm×6 000 mm，内径规格为φ160 mm×6 000 mm，两端有管状绝缘法兰，管状绝缘法兰单极连接，便于钢套管组合可抽芯双阳极之间的连接，或电焊接，内充填焦碳粉拌以化学吸水剂，附设内导气装置，分配合理，接地电阻小。可抽芯双阳极深井和被保护的油水井地面距离设计为100～300 m。当阳极体释放能力衰减到不能满足系统运行要求，即保护电位不能达到要求时，用吊车将钢套管组合可抽芯双阳极体、排气管、阳极体独芯电缆一同拔出，更换新的钢套管组合可抽芯双阳极体及排气管，使系统正常工作，达到重复利用阳极地床的目的。上述结构的阳极体具有以下优点：

1)高硅铸铁主阳极本体本身接地电阻小、输出电流大、电流分配均匀、保护距离长，使用寿命长，需用吸水性强的材料软布缠绕在钢套管组合可抽芯双阳极外壁周围，便于长期充分均匀供水。

2)高温铝合金辅阳极本体，设计在高硅铸铁主阳极本体内部，采用3个高温铝合金辅阳极本体串为1组，并固定在1根电缆上，外部需缠绕吸水性极强的材料。高温铝合金牺牲阳极在50～80 ℃高温水介质中能均匀地活化溶解且电化学性能优良，产生电流的自调节能力强，对于油水井套管在高温环境中的腐蚀保护和延长使用寿命、减少腐蚀造成的损失都将产生显著的效果。高温铝合金辅阳极本体具有消耗小、电流输出大、体积小、质量轻的优点。

4 丛式井组套管阴极保护监测装置设计

丛式井组套管阴极保护监测装置包括： 给井组套管阴极保护提供电流的直流电源；用以采集和传输井组套管阴极保护的电流和电压数据的智能监控电流表和电压表；用以控制各单井输出电流，平衡井间电位差的瓷盘电阻器分流器[5-6]。深阳极井正常工作时，可给单井套管提供4～5 A阴极保护电流，阴极保护监控的电流和电压信号可通过RS-485接口上传至数字化远程控制终端RTU模块，再由RTU模块将数据上传到数字化监控中心，实现阴极保护工况远程在线监测、数据存储、网络发布和远程启停阴极保护单元等工作[7-10]。

5 结束语

丛式井组套管阴极保护在线深阳极井技术目前在该油田5个丛式井组进行了应用，延长了阳极井使用寿命，当深阳极井出现故障时，可通过排气管和独芯电缆一同将旧双阳极本体拔出，更换新的双阳极本体、独芯电缆及排气管，使系统正常工作，达到重复利用阳极地床的目的，避免了重复打井的工作，增效明显，同时也有利于井场环境保护，有着广泛的推广应用前景[11]。