CN104632090B - 一种防止井下铝合金‑碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法 - Google Patents

Abstract

一种防止井下铝合金‑碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法，属于油田气井生产管柱技术领域。铝合金外套的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸缘外周对应的啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘接头按从下往的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套；扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之间为导流槽；堵头器连接在铝合金管的最下端。

Description

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法

技术领域

本发明涉及一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法，属于油田气井生产管柱技术领域。

背景技术

我国天然气开采的需求和应用比重越来越大，油气开产企业为了降低生产成本，提高效益，采用适合井况的经济性井下管材成为必然。

长庆油田属于典型的（特）低渗油气田，表现为天然气井产量低，井越来越深。排水采气工艺采用速度管柱为国产CT70连续油管，其成本高昂，为此开发采用井下“中碳钢+铝合金管”组合的新型速度管柱，该管柱经济实用性强，特别是面对低产超深（4000m以上）气田的经济有效开发，更具有良好的成本优势和潜在的应用前景。同时针对井下管柱普遍采用的碳钢结构，出于气井安全生产的考虑，铝合金管的有效保护是面临的重要课题。

“中碳钢+铝合金管”组合管柱面临的突出问题是，气井油套管柱为中碳钢，金属铝十分活泼，其电极电位很负，与碳钢之间的电位差大，两者同处狭小井眼中容易接触产生电偶腐蚀，导致铝合金腐蚀损坏，特别是针对排水采气的高产水气井，富含硫化氢、二氧化碳、硫酸盐还原菌及氯根的高矿化度天然气携液对电偶腐蚀起极大的促进作用。

公知的防止电偶腐蚀方法，一是避免异种金属直接接触，二是腐蚀介质处理，三是电化学保护，以及耐蚀合金加涂层、缓蚀剂措施。在地面表面工程领域，针对铝合金与异种金属间的电偶腐蚀，应用普遍、较为成熟有效的方法是采用铝合金阳极氧化工艺，在铝合金表面形成电绝缘性、防腐性较好且硬度高的三氧化二铝薄层，然后进行封孔处理，可以达到功能性和装饰性均很高的表面层。

石油钻井中在局部情况下采用铝合金钻杆，钻杆虽然与钢管柱结构之间存在电偶腐蚀风险，但因钻井周期较短，并且采用特殊钻井液，与钢管柱之间只存在短周期接触，铝合金钻杆腐蚀损伤程度低，一般不予采用特别处理措施。

针对长期生产气井的复杂的井下管柱，铝合金-碳钢双金属之间的电偶腐蚀则是十分严重的问题，若双金属间的铝合金接头采用阳极氧化工艺，则该阳极氧化接头存在两方面主要问题：

一是气井井深达4000m，井温达120℃，接头处铝氧化膜在80～100℃条件下将产生热裂纹。

二是铝氧化膜硬度高、脆性大，不适合用于机械作用的环境，接头螺纹处的高强度冲击力作用极易导致微裂纹。

在高温高压气井的缺氧环境内，铝合金阳极热（微）裂纹无法及时完全自愈，在气井富含氯根和多种腐蚀性气体且高矿化度产水情况下，热（微）裂纹可直接导致接头损坏失效，气井生产将产生极大的安全风险。

井筒内采用具有电偶腐蚀的管柱组合历来是行业禁忌，防止电偶腐蚀的通用做法是尽量靠用高规格的同等级管材，出于安全至上的谨慎考虑，此法对高产腐蚀气井的开发是彻底的无风险措施，但对于低产气井且气层较深的气田则很不经济，寻求经济有效可靠的防止铝合金管电偶腐蚀的方法是十分必要的。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法。

针对气井井筒内采用的铝合金管-碳钢管柱组合，提供一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法。

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，铝合金外套的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸缘外周对应啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘接头按从下往的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套；

扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之间为导流槽；

堵头器连接在铝合金管的最下端，并在转接套内安装隔离井内气体的堵塞器；堵头器的结构由母接头、转接套、和绝缘套组成；转接套通过焊接与母接头相连，绝缘套通过注塑成形固于转接套外并紧贴母接头下端。

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的方法：含有以下步骤；通过管柱结构设计，实现铝合金管与碳钢管之间电性绝缘，有效避免高温高压气井内电偶腐蚀发生；与异种金属管相联的铝合金管上部采用绝缘转换接头，铝合金管通过该接头与上部管柱连接；根据井眼轨迹，在铝合金管每隔一定间距安装非金属扶正器，避免铝合金管与碳钢管壁接触磨损腐蚀；在铝合金管的最下端安装塑料堵头，气井排水采气的堵塞器则安装在塑料堵头下端腔内，避免铝合金管与油套管的碰触损坏腐蚀；

还含有三个步骤：

步骤一、在其最上部安装绝缘转换接头1，该接头满足上部碳钢管柱与下部铝合金管柱的转换连接，适应高温高压气井内作业与生产环境，不发生周向转动失效，保证铝合金管与上部碳钢管材的电性绝缘，避免直接连接导致的电偶腐蚀。

步骤二、根据气井井眼轨迹，在铝合金管管身每隔一定间距安装扶正器2，防止铝合金管与周围碳钢管柱的磨擦腐蚀。

步骤三、在铝合金管下端安装堵头器3，防止最下端部与油（套）管碳钢管壁的碰触损坏腐蚀。

第二、三步骤同时起到保护油（套）管内表面、特别是有机涂层的效果。

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，绝缘转换接头1：由铝合金外套1.8、大绝缘垫1.7、绝缘套1.6、小绝缘垫1.5和绝缘填料1.2以及碳钢内凸缘1.10组成。其中铝合金外套1.8的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘1.10的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套1.6装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套1.8与碳钢内凸缘1.10外周对应的啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套1.8的勾套1.3采用直螺纹与外套1.8连接。绝缘转换接头按从下往上的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套1.3，最后用热收缩套作为接头护套。

扶正器2及其分布：扶正器2结构采用塑料绝缘管，在骨管2.2的外周带四个凸棱2.1，凸棱2.1之间为导流槽2.3；根据气井井眼轨迹和管材参数，扶正器2在管柱上的间距按下式编写程序，通过软件计算得出：

假定铝合金管上只有扶正器处与油管（或套管）接触，两扶正器间铝合金管的最大变形是

$\mathrm{\δ}=\left(\frac{{F_n{L}_s}^3}{384\mathrm{EI}}\right)\left(\frac{24}{u^4}\right)\×(\frac{u^2}{2}-\frac{\mathrm{ucoushu}-u}{\sinh u})$

式中：其中F为铝合金管柱的轴向力，N；L_s为扶正器间距，m；EI为铝合金管的抗弯刚度，N·m²。

计算准则为当时，增加L_s的值，反之减少L_s。其中f为变形比例系数；d_t为油管（或套管）外径，m；d_r为铝合金管外径，m。

堵头器3：堵头器3连接在铝合金管的最下端，并在转接套3.2内安装隔离井内气体的堵塞器。堵头器3的结构由母接头3.1、转接套3.2、和绝缘套3.4组成。转接套3.2通过焊接与母接头3.1相连，绝缘套3.4通过注塑成形固于转接套3.2外并紧贴母接头3.1下端。

本发明的有益效果：

（1）在碳钢管柱与铝合金管连接处采用绝缘转换接头1设计，有效避免两种异种金属接头间最主要的电偶腐蚀，该接头满足上部碳钢管柱与下部铝合金管柱的转换连接，适应耐高温高压气井环境，满足修井作业与生产条件。两金属间的多边形耦合设计确保绝缘接头抗扭强度高，方便采用螺纹方式紧固接头，避免常用的焊接或锻钢整体加工工艺，大幅降低成本；接头的啮合面的铝合金氧化膜能有效承受均匀的面受力，铝合金阳极化处理可作为与碳钢间绝缘的第二道防线，加强气井高温高压环境的接头应用效果；勾套1.3采用螺纹装配保证接头可拆卸易安装，维护性强。

（2）在铝合金管柱的管身通过采用合理间距的扶正器2，有效避免铝合金管柱与碳钢油（套）管之间的磨损腐蚀；针对不同井眼轨迹气井，确定合理的扶正器间距分布，避免扶正器无效安装与影响作业效率和增加成本风险。

（3）在铝合金管的最下端安装堵头器3，防止铝合金管柱对油（套）管的碰触损坏腐蚀。堵头器可防止或降低下端油管对套管内壁的金属间碰擦损坏水平，特别是狗腿度较大位置油（套）管的损坏；针对有机内涂层的油（套）管可以保障内涂层的完整性；堵头器安装快捷，对定向井频繁井下作业或采用有机内涂层油（套）管完井的井下作业尤为适用。

采用本发明不但可克服井下铝合金管柱与碳钢管柱之间电偶腐蚀的重大致命问题，而且能有效防止铝合金管对井筒内油（套）管内壁的磨擦碰磨损坏，尤其是采取内涂层的油（套）管。延长井下管柱服役寿命、节约开发成本（管柱损坏的气井修井费、间接损失更大），按一口井生产25年计，单井累积经济效益10万元以上，推广至大量井深低产气井，规模效益显著。

本发明针对长庆油田3000～4500米深环境的大量气井的低成本速度管柱排水采气领域，也可应用在其它油气田条件的生产井。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1是本发明的结构模式示意图。

图2是本发明的绝缘转换接头1的结构示意图。

图3是本发明的绝缘转换接头1结构侧面图。

图4是本发明的铝合金管扶正器2的结构示意图。

图5是本发明的铝合金管扶正器2的结构侧面图。

图6是本发明的堵头器3的结构示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法，特别是一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构模式。

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构模式，主要由三部分组成：一是在铝合金管上部与碳钢管连接处安装绝缘转换接头1。二是在铝合金管柱安装扶正器2，铝合金管柱上扶正器2的间距分布计算是结合气井空间三维井眼轨迹、扶正器处的轴向力和侧向力,由下至上通过试算逐步确定扶正器2间距。三是在铝合金管下端安装堵头器3。

绝缘转换接头1：由铝合金外套1.8、大绝缘垫1.7、绝缘套1.6、小绝缘垫1.5和绝缘填料1.2以及碳钢内凸缘1.10组成。其中铝合金外套1.8的内环勾槽表面呈八边形，与此对应的铝合金内凸缘1.10的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套1.6装配，勾套1.3通过螺纹与铝合金外套1.8连接。

接头装配前进行预处理并烘干，将绝缘密封垫1.7、绝缘圈1.6、上接头1.1、O形密封圈1.11、绝缘垫1.5依次装入外套1.8，然后旋紧勾套1.3，对勾套1.3与上接头1.1间环空灌注环氧树脂，最后用热收缩套封装接头外套1.8。

绝缘密封垫1.7和绝缘垫1.5用PEEK材料，绝缘圈1.6和绝缘填料1.2用环氧树脂，O形圈用氟橡胶。所用绝缘材料零件可浇铸加工或模压注塑成型。铝合金外套1.8与碳钢内凸缘1.10对应的的啮合面进行阳极化氧化处理。

扶正器2：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管2.2的外周带四个凸棱2.1，凸棱2.1之间为导流槽2.3。扶正器2用聚四氟乙烯，注塑成型加工。扶正器2在管柱上的间距分布的计算公式：

假定铝合金管上只有扶正器处与油管（或套管）接触，两扶正器间铝合金管的最大变形是

$\mathrm{\δ}=\left(\frac{{F_n{L}_s}^3}{384\mathrm{EI}}\right)\left(\frac{24}{u^4}\right)\×(\frac{u^2}{2}-\frac{\mathrm{ucoushu}-u}{\sinh u})$

计算准则为当时，增加L_s的值，反之减少L_s。

依据上述计算式编写计算程序CQFZQ.EXE，采用软件将完井得到的的三维井眼轨迹的DAT数据文件导入，自动绘出扶正器的井深-间距分布图。例如陇东气田镇AX-BY井的井眼轨迹如下：

井深：4000m，造斜点：1980m，最大井斜/井深：24.8°/3000m，全角变化率<6°/30m，铝合金管：Ф38×4mm×3900m，线密度1.20Kg/m，弹性模量70Gpa，油管Ф73.02×5.51mm×3950m，套管Ф139.7×7.72mm×4000m。

计算机运行CQFZQ.EXE间距计算软件，导入钻井队提交的钻井资料电子文件“镇AX-BY.DAT”，计算绘制出井眼狗腿度-井深曲线和扶正器间距-井深的分布图，从而获得扶正器安装短至10m、长至100m不等的间距。

堵头器3：堵头器3由母接头3.1、转接套3.2和绝缘套3.4组成。绝缘堵头器3接在铝合金管的最下端，可在转接套3.2内通过O形圈槽3.6安装临时隔离井内天然气的堵塞器。转接套3.2通过焊接与母接头3.1相连，绝缘套3.4通过注塑成形通过环形凹槽3.3固于转接套3.2外并紧贴母接头3.1下缘端面。

上述实施例达到指标：保护寿命>5年；温度150℃，压力80Mpa；绝缘接头绝缘电阻>1GΩ；抗扭矩>10000N·m。铝合金管柱与碳钢管间无腐蚀电流和磨损危害。

一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构;铝合金管与碳钢管柱间采用绝缘转换接头1连接，在铝合金管柱上定距离套装扶正器2，在铝合金管下端安装堵头器3;绝缘转换接头1的的外套1.8的内表面与凸缘外表面呈八边形；勾套1.3与外套1.8通过螺纹连接；绝缘垫1.5采用PEEK材料，铝合金内凸缘1.10外周与碳钢外套1.8的啮合面进行阳极化氧化处理;根据气井井眼轨迹，确定扶正器2在铝合金管柱上的间距分布，扶正器2设有导流槽2.2;在铝合金管柱的末端安装堵头器3，堵头器3带有Ｏ形圈槽3.6;井下铝合金管上部通过绝缘转换接头1与碳钢管柱连接，绝缘转换接头1实现上部碳钢管柱与下部铝合金管柱的转换连接，满足深井高温高压生产环境，不影响气井内正常起放作业；根据气井井身结构，在铝合金管管柱安装铝合金管扶正器2，铝合金管扶正器2的间距分布是结合气井空间三维井眼轨迹、扶正器处的轴向力和侧向力,由下至上通过确定铝合金管扶正器2的间距分布；在铝合金管下端安装堵头器3。上述三种组件在的安装分布有效防止铝合金管柱与碳钢管柱间的电偶腐蚀和磨擦碰触损坏。本方法保护寿命>10年，绝缘接头绝缘电阻>1GΩ，抗扭矩>10000N·m，铝合金管柱与碳钢管间无腐蚀电流和磨损危害。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的方法，其特征在于含有以下步骤；通过管柱结构设计，实现铝合金管与碳钢管之间电性绝缘，避免高温高压气井内电偶腐蚀发生；与异种金属管相联的铝合金管上部采用绝缘转换接头，铝合金管通过该绝缘转换接头与上部管柱连接；根据井眼轨迹，在铝合金管每隔一定间距安装非金属扶正器，避免铝合金管与碳钢管壁接触磨损腐蚀；在铝合金管的最下端安装塑料堵头，气井排水采气的堵塞器则安装在塑料堵头下端腔内，避免铝合金管与油套管的碰触损坏腐蚀；根据气井井眼轨迹和管材参数，扶正器(2)在管柱上的间距通过计算得出：铝合金管上只有扶正器处与油管或套管接触，两扶正器间铝合金管的最大变形是

$\mathrm{\&delta;}=\left(\frac{F_n{L_s}^3}{384EI}\right)\left(\frac{24}{u^4}\right)\&times;(\frac{u^2}{2}-\frac{u\cosh u-u}{\sinh u})$

式中：其中F为铝合金管柱的轴向力，N；Ls为扶正器间距，m；EI为铝合金管的抗弯刚度，N·m²；

计算准则为当时，增加Ls的值，反之减少Ls；其中其中f为变形比例系数；dt为油管或套管外径，m；dr为铝合金管外径，m。

2.一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，其特征在于铝合金外套的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸缘外周对应啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘接头按从下往上的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套；扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之间为导流槽；堵头器连接在铝合金管的最下端，并在转接套内安装隔离井内气体的堵塞器；堵头器的结构由母接头、转接套、和绝缘套组成；转接套通过焊接与母接头相连，绝缘套通过注塑成形固于转接套外并紧贴母接头下端。