CN106483065B - 一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法和装置，所述方法包括提供待检测套管，所述待检测套管由牺牲阳极连接至少一个石油套管形成；在所述石油套管长度方向的外壁上间隔设置多个测试桩；将所述待检测套管放置于检测槽内；向检测槽内倒入腐蚀介质，所述腐蚀介质没过待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm；测定各测试桩处的电极电位；所述腐蚀介质为模拟井下套管外壁腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。采用本发明的方案能满足在模拟井下套管外壁腐蚀环境中对牺牲阳极材料电化学性的准确测定，进而为确定所述牺牲阳极对石油套管的有效保护距离提供数据。

Description

一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性 能的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种检测牺牲阳极性能的方法和装置，尤其涉及在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法和装置。

背景技术

随着油气田开发时间的延长，套管损耗问题日益突出，对油田开采造成直接影响，严重制约了油气田稳产和可持续发展。其中针对因电化学腐蚀造成的套管外壁破损，牺牲阳极阴极保护是一种最经济有效的防腐措施。

阳极材料电化学性能直接决定了阴极保护效果，阳极材料能否大规模应用在现场复杂地层环境，需要进行模拟评价验证，但目前现有评价牺牲阳极材料电化学性能的试验方法主要采用《GB/T 17848-1999牺牲阳极电化学性能试验方法》中涉及的恒电流法，腐蚀介质主要是人造海水，试验温度为15～30℃，实际生产中套管外壁接触的地层环境更复杂，除地层水还包括未被水泥封固的空井段、盐膏层、表层土壤等腐蚀介质，且随井深增加地层温度逐渐升高，目前使用的国标测试方法不能完全满足试验要求。

因此急需提供一种方法或系统，能满足在模拟井下套管外壁腐蚀环境中对牺牲阳极材料电化学性能的检测成为有待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法，该方法通过采用特定的检测条件和检测步骤，能实现在模拟井下套管外壁腐蚀环境中对牺牲阳极材料电化学性的准确检测。

本发明还提供了一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的装置，能在模拟井下套管外壁腐蚀环境中对牺牲阳极材料电化学性能进行检测，进而为确定所述牺牲阳极对石油套管的有效保护距离提供数据支持。

本发明提供的一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法：

提供待检测套管，所述待检测套管由牺牲阳极连接至少一个石油套管形成；

在所述石油套管长度方向的外壁上间隔设置多个测试桩,所述测试桩的材质与所述石油套管的材质相同，所述测试桩与所述石油套管的外壁通过焊接方式连接；

将所述待检测套管放置于检测槽内；

向检测槽内倒入腐蚀介质，该腐蚀介质没过该待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm；

测定各测试桩处的电极电位；

所述腐蚀介质为模拟井下腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。

在本发明的方案中，所述检测槽的底部和侧壁均由可以由加工性能优异的耐腐蚀材料制成，例如聚丙烯、玻璃钢，耐腐蚀金属板等，只要能满足检测过程中对检测槽的耐腐蚀性，承压性，耐高温(>100℃)性的需求即可。进一步的，为使检测数据更加真实反映待检测套管牺牲阳极的电化学性能，所述检测槽的材料为聚丙烯。在本发明的方案中，检测牺牲阳极电化学性能是指在模拟井下套管外壁腐蚀环境中，检测距离牺牲阳极不同距离处的套管表面的电极电位的变化数据，本领域技术人员可以根据套管表面不同位置处电极电位的变化来判断所述牺牲阳极对石油套管的有效保护距离。

进一步的，在本发明的方案中，可以根据以下公式得出阳极对套管的保护距离：

上式中：△V_MN-----石油套管表面上M，N两点之间距离上电压降的平均值，单位V；

D----套管的直径，单位mm；

d-----套管的壁厚，单位mm；

ρ₀-----套管金属的电阻率，单位Ω·m；

i_A-----套管最小保护电流密度，单位mA/m²；

其中，套管金属的电阻率ρ₀可根据钢型查常用材质电阻率表得知，i_A查阴极保护工程手册得出。M，N两点之间的距离可以根据实际情况选择，通常情况下越小越好，得出的L值更准确。在本发明的方案中M，N两点之间的距离可以例如是50cm。

在本发明的方案中，所述牺牲阳极可以是以本领域常规方式设置在石油套管上的牺牲阳极，例如所述牺牲阳极以阳极短节的形式设置在所述套管上。进一步的，所述牺牲阳极可以为国标铝阳极或国标锌阳极，也可以是在所述国标铝阳极或国标锌阳极基础上，改变阳极材料成分及配比形成的新型阳极材料，本发明的方案可用于检测本领域常规使用的各种牺牲阳极对石油套管的保护效果。在本发明的方案中对该牺牲阳极与石油套管的连接方式没有特殊限制，可以是本领域常规的连接方式，例如螺纹连接、螺丝固定等连接方式。该牺牲阳极既可以连接在套管的一端，也可以连接在套管的中间部分。在本发明的一个具体实施方式中，为了最终评估该牺牲阳极对套管的最长保护半径，优选的可以将该牺牲阳极短节固定在所述套管的一端。

本发明方案中的腐蚀介质为模拟井下套管外壁腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种，所述腐蚀介质化学成分与井下套管外壁腐蚀环境中实际存在的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中的化学成分基本一致。

进一步的，在本发明的方案中，所述待检测套管通过设置在所述检测槽底部的固定装置固定。通过向所述检测槽内加入水泥以形成固井水泥环。采用水泥固化可以在所述待检测套管放入检测槽之后进行实施，也可以先倒入水泥，再将待检测套管浸入水泥中并使水泥固化的方式实现，本领域技术人员可以根据需要选择先后顺序。在真实的井下操作环境中，通常在放置套管后需要在套管与井壁之间填装水泥进行固定，该水泥可完全封闭该套管，在起到固定作用的同时也能起到防止套管被地层水腐蚀的效果，但实际作业中发现，存在部分井段未被水泥封固的情况，未封固井段与地层水接触引起腐蚀。因此，本申请的方案也针对这种情况进行了研究，在这种模拟井下环境中对牺牲阳极性能进行检测。检测过程中，水泥封固套管后，要保持测试桩露出水泥适当的高度。并在水泥密封后，向检测槽内倒入腐蚀介质，所述腐蚀介质可以是套管外壁腐蚀环境中存在模拟地层水。

在本发明的另一个具体实施方式中，所述牺牲阳极以阳极短节的形式设置在所述套管上。进一步的，分别在所述石油套管长度方向的外壁上距离所述阳极短节的边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置处设置所述测试桩。

本发明的方法能在不同温度下，例如在20-80℃范围内，实现对所述牺牲阳极的电化学性能的检测。由于井下作业过程中，随着深度的增加，温度逐渐升高，一般每100米温度上升3℃左右，本发明的方法能更真实的反应井下腐蚀环境。当然本领域技术人员可以根据采用的牺牲阳极的耐温性能，以及套管的入井深度，对上述温度范围进行适当的调整。

在本发明的方法中，通常所述测试桩处的电极电位可以在浸入腐蚀介质后一周左右开始测量，之后例如可以每7-10天测量一次，持续2-8个月。该测试过程使用的参比电极可以为Cu/CuSO₄参比电极，检测所述电极电位可以采用近参比法进行，测量过程中所述参比电极通常靠近所要测量电极电位的测试桩，接触或靠近所述石油套管的外壁放置。当然本领域技术人员也可以根据所要检测的套管、牺牲阳极以及腐蚀介质的不同，根据需要决定测量频率或测量周期，但通常需要在检测体系稳定之后，即牺牲阳极向腐蚀介质中稳定释放离子之后，持续测量一定时间来获得比较可靠的数据。

本发明提供的一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的装置,包括:

检测槽，以及由所述牺牲阳极连接至少一个石油套管所形成的待检测套管，所述待检测套管固定在所述检测槽底部，并且在所述石油套管长度方向的外壁上间隔设置有多个测试桩，所述测试桩的材质与所述石油套管的材质相同，所述测试桩与所述石油套管的外壁通过焊接连接；

所述检测槽内还容置有没过该待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm的腐蚀介质；

所述检测槽底部还设置有用于控制所述装置温度的控温装置；

所述腐蚀介质为模拟井下腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。

在本发明的一个具体实施方式中，所述检测槽的材料为聚丙烯、玻璃钢和耐腐蚀金属板中的一种或多种。更进一步的，所述检测槽的底部和侧壁的厚度可以为20-30mm。为了保证检测槽的强度，也可以在该检测槽的底部和侧壁添加加强件进行加固。

更进一步的，所述检测槽的尺寸设计为至少能容纳一个符合API标准的套管(例如：外径：177.8mm、壁厚：10.36mm、长度：11.36m)和固定连接在其一端的阳极短节(例如：外径201mm、长度：50cm)。通常的检测装置仅为单独检测阳极短节电化学性能的装置，而且采用的腐蚀介质为常温海水，不能真实反应套管和阳极短节的真实井下工作状态和工作环境下，阳极短节对套管的保护作用。

更进一步的，所述牺牲阳极以阳极短节的形式设置在所述套管上，所述测试桩分别在所述石油套管长度方向的外壁上距离所述阳极短节的边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置处设置，本发明以上述距离设置测试桩能基本覆盖整个长度的套管。

更进一步的，所述控温装置用于控制所述电化学性能的检测过程在特定的温度下进行，尤其是在模拟井下环境的真实温度条件下进行。

更进一步的，在本发明的装置中，所述检测槽可以平行设置多个，可以实现同时进行多组检测试验。例如同时建立多种模拟腐蚀介质环境，在相同温度条件下(或变化的温度条件下)，同时进行多组腐蚀试验，使获得的测试数据更具有参考价值。

本发明提供的方案具有以下优点：

1)本发明的方法解决了现有测试方法在检测套管牺牲阳极性能的过程不能模拟套管牺牲阳极的真实使用环境，存在引起测量误差因素，不能准确测定套管外壁阳极在井下腐蚀环境中的电化学性能的问题；

2)在本发明装置中具有可容纳至少一个套管和固定连接在其一端的阳极短节的检测槽，解决了通常的检测装置仅为单独检测阳极短节电化学性能的装置，而且采用的腐蚀介质为常温海水，不能真实模拟套管和阳极短节的真实工作状态，以及不能获得井下真实工作环境下阳极短节对套管的有效保护距离、最长保护年限等数据的问题；

3)在本发明的方案中检测槽可平行设置多个，可以针对多种模拟腐蚀介质(例如地层模拟水、表层土壤、固井水泥、盐膏层)，在相同或不同温度条件下，同时进行多组腐蚀试验，使获得的测试数据更具有参考价值。

附图说明

图1本发明的在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的装置的示意图。

图2测量各测试桩处的电极电位的示意图。

图3为20℃模拟地层水环境套管电极电位变化曲线。

图4为20℃模拟软泥层环境套管电极电位变化曲线。

图5为20℃模拟固井水泥环+地层水环境套管电极电位变化曲线。

图6为20℃模拟盐膏层环境套管电极电位变化曲线。

图7为80℃模拟地层水环境套管电极电位变化曲线。

图8为80℃模拟软泥层环境套管电极电位变化曲线。

图9为80℃模拟固井水泥环+地层水环境套管电极电位变化曲线。

图10为80℃模拟盐膏层环境套管电极电位变化曲线。

符号的说明：

1:石油套管；2,2′,2″:测试桩；3、腐蚀介质；4、参比电极；5、高阻电压表；6：牺牲阳极(阳极短节形式)；7:检测槽侧壁；8：检测槽底部；9：阳极短节的边缘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但以下实施例不能理解为对本发明的可实施范围的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1本发明的检测装置和腐蚀介质准备

1)检测装置的准备

参见图1，所述装置包括检测槽，通过以下方式制成：检测槽侧壁7和检测槽底部8均为20mm厚的PP(聚丙烯)塑料板，通过焊接形成尺寸为：24m×0.8m×0.4m(长×宽×高)的检测槽；在检测槽底部8设立固定装置，例如套管支架，用于固定和支撑待检测套管，所述套管支架可以每隔1米放置一个；套管支架同样采用20mm厚塑料板焊接而成，检测槽侧壁7采用螺杆加强，可以每隔1米一组；同时可以对检测槽底部8进行加厚处理，防止检测槽破裂；

所述装置还包括：由阳极短节形式的牺牲阳极6连接石油套管1和石油套管1’(未显示)形成的待检测套管；所述待检测套管通过上述套管支架固定在所述检测槽底部8；所述阳极短节形式的牺牲阳极6位于石油套管1’和石油套管1之间，并将石油套管1和石油套管1’连通。

所述石油套管1和石油套管1’均为符合API标准的套管，例如：外径：177.8mm、壁厚：10.36mm、长度：11.36m，所述牺牲阳极6为阳极短节形式的国标铝阳极、国标锌阳极或铝合金，具体规格可以为：外径201mm、长度：50cm的阳极短节。

在所述石油套管1和石油套管1’长度方向的外壁上间隔设置有多个测试桩(如2,2′,2″未全部显示)；所述测试桩的材质与所述石油套管的材质相同，所述测试桩与所述石油套管的外壁通过焊接方式连接；

所述装置还包括：没过该待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm的腐蚀介质3，以及设置在所述检测槽底部用于控制所述装置温度的控温装置；

所述腐蚀介质为模拟井下腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。

2)腐蚀介质制备

2-1、模拟井下腐蚀环境中的地层水(简称模拟地层水)模拟地层水的制备，其主要成分见表1，将表1中各成分溶于水混合，即得到矿化度为2.8×10²g/L的模拟地层水。

表1 模拟地层水主要组成成分

2-2.模拟井下腐蚀环境中的软泥层的准备：

主要成分是黄土、河沙、碎石，各成分质量比为8：1：1，加水混合形成软泥状态。

2-3.模拟井下腐蚀环境中的盐膏层的准备：

主要成分为NaCl(含量＞90wt％)，其余为小于10wt％为钾离子、镁离子、钙离子等，可以分别由硝酸钾，氯化镁，氯化钙来提供。用少量水溶解上述成分，最终制成的盐膏层中盐呈过饱和的状态，水高出析出的盐2cm左右即可。

2.4固井水泥环

固井水泥环的制备使用专业用于油井、气井的固井工程的水泥，具有合适的密度和凝结时间、较低的稠度、良好的抗沉降性以及可泵性，并且固化后应具有良好的抗渗性、稳定性和耐腐蚀性。

实施例2采用本发明的方法和装置，检测牺牲阳极的电化学性能

1、设定温度为20℃，采用实施例1准备的装置，其中所述检测槽平行设置4个，分别检测1)模拟地层水、2)软泥层、3)固井水泥环+模拟地层水、4)盐膏层环境中牺牲阳极的电化学性能，牺牲阳极材料为国标锌阳极。

2、检测过程如下：

所述腐蚀介质3分别为上述1)-4)所述的腐蚀介质；

分别在所述石油套管1长度方向的外壁上距离所述阳极短节的边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置处(例如图3中0点右边的测试点，0点代表阳极短节所在位置)，以及石油套管1’长度方向的外壁上距离所述阳极短节的边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm处(例如图3中0点左边的测试点)焊接测试桩并连接测试导线，所述测试导线用于连接测试桩与电化学测量装置，例如高阻电压表5；

在倒入腐蚀介质后一周后，采用近参比法测量所述测试桩处的电极电位。使用的参比电极4为Cu/CuSO₄，每10天测量一次，试验周期50天。

3、4个检测槽的检测结果分别为

电极电位随测试桩距离变化曲线见图3-6，图3为20℃模拟地层水环境套管电极电位变化曲线，图4为20℃模拟软泥层环境套管电极电位变化曲线，图5为20℃模拟固井水泥环+模拟地层水环境套管电极电位变化曲线，图6为20℃模拟盐膏层环境套管电极电位变化曲线。图3-6中的横坐标距离指的是测试点(即测试桩的设置位置)距离阳极短节的距离。

实施例3采用本发明的方法和装置，检测牺牲阳极的电化学性能

1)设定温度为80℃，采用实施例1制备的检测槽，所述检测槽平行设置4个，分别检测1)模拟地层水、2)软泥层、3)固井水泥环+模拟地层水、4)盐膏层环境中牺牲阳极的电化学性能，牺牲阳极材料为铝合金。

2)检测过程同实施例2。

3)4个检测槽的检测结果分别为图7-10，图7为80℃模拟地层水环境套管电极电位变化曲线，图8为80℃模拟软泥层环境套管电极电位变化曲线，图9为80℃模拟固井水泥环+模拟地层水环境套管电极电位变化曲线，图10为80℃模拟盐膏层环境套管电极电位变化曲线。图7-10中横坐标距离指的是测试点(即测试桩的设置位置)距离阳极短节的距离。

由实施例2-3的结果可知，采用模拟井下腐蚀环境评价套管牺牲阳极性能的试验方法分别在20℃，80℃条件下，进行周期为50天的套管腐蚀试验，试验结果显示：

(1)阳极短节处的电极电位最低，随测试桩距阳极位置增大，电位升高，套管的顶端位置电极电位最高，但＜-0.85V，达到保护设计要求；

(2)随腐蚀试验持续时间增长，电极电位下降，阳极材料均匀溶解，没有因温度升高出现钝化、晶界偏析等现象；

(3)对比上述各组曲线，相同位置测试桩电极电位没有明显变化，阳极材料可满足20-80℃井底环境使用要求。

实施例4本发明阳极短节对石油套管保护距离

下面以20℃下模拟地层水的腐蚀介质为例，说明本发明阳极短节对石油套管保护距离的计算过程：

测定的各测试点处的电极电位值见表1。

表1

测试点与阳极的距离(cm)	电极电位(V)
		500	-1.073
300	-1.095
		200	-1.107
100	-1.125
		50	-1.130
0	-1.139
		50	-1.132
100	-1.124
		200	-1.107
300	-1.090
		500	-1.064
800	-1.031
		1000	-1.010

将0～1000cm之间的测试点依此设定为1#、2#、3#……7#，各测试点之间的电位值见表2。

表2 各测试点之间电位降及平均电位降

根据公式：

可推算阳极对套管的保护距离。

式中套管表面上M，N两点之间距离(50cm)上电位降的平均值为△V_MN为7.036×10^-3V；

套管的直径D为177.8mm；

套管的壁厚d为10.36mm；

套管金属的电阻率ρ₀为9.78×10^-8Ω·m；

套管最小保护电流密度i_A为10mA/m²

其中，套管金属的电阻率ρ₀可根据钢型查常用材质电阻率表得知，i_A查阴极保护工程手册得出。

将上述值带入公式中计算得到20℃模拟地层水的腐蚀介质下，所述阳极短节对石油套管保护距离为39.96m，通常涉及要求的保护距离＞20m，可以看出该距离满足保护设计要求。

Claims (6)

1.一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的方法，其特征在于：

提供待检测套管，所述待检测套管由牺牲阳极连接至少一个石油套管形成；

所述牺牲阳极以阳极短节的形式设置在所述套管上；所述阳极短节连接在所述套管的一端；

在所述石油套管长度方向的外壁上间隔设置多个测试桩,所述测试桩的材质与所述石油套管的材质相同，所述测试桩与所述石油套管的外壁通过焊接方式连接；

分别在所述石油套管长度方向的外壁上距离所述阳极短节的边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置处设置所述测试桩；

将所述待检测套管放置于检测槽内；

向检测槽内倒入腐蚀介质，该腐蚀介质没过所述待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm；

在20-80℃的温度下测定各测试桩处的电极电位；

所述腐蚀介质为模拟井下套管外壁腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测槽的材料为聚丙烯、玻璃钢和耐腐蚀金属板中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待检测套管通过设置在所述检测槽底部的固定装置固定在所述检测槽底部。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲阳极为国标铝阳极、国标锌阳极或铝合金。

5.一种在模拟井下套管外壁腐蚀环境中检测牺牲阳极电化学性能的装置,其特征在于，包括:

检测槽，以及由所述牺牲阳极连接至少一个石油套管所形成的待检测套管，所述待检测套管固定在所述检测槽底部，并且在所述石油套管长度方向的外壁上间隔设置有多个测试桩，所述测试桩的材质与所述石油套管的材质相同，所述测试桩与所述石油套管的外壁通过焊接方式连接；

所述牺牲阳极以阳极短节的形式设置在所述套管上；所述阳极短节连接在所述套管的一端；

所述测试桩分别在所述石油套管长度方向的外壁上距离所述阳极短节边缘50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置处设置；

所述检测槽内还容置有没过该待检测套管并低于所述测试桩顶端至少2cm的腐蚀介质；

所述检测槽底部还设置有用于控制所述装置温度的控温装置；

所述腐蚀介质为模拟井下腐蚀环境中的地层水、固井水泥环、软泥层以及盐膏层中一种或多种。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测槽的材质为聚丙烯、玻璃钢和耐腐蚀金属板中的一种或多种。

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