CN110344065B - 一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，属于油田腐蚀与防护领域，本发明能够根据油井基本信息，通过油管带入阳极进行套管内防腐情况下，确定套管内表面的保护电位分布规律，以及在满足阴极保护准则条件下的合理的阳极安装间距，方法独特易行，可以指导现场阳极分布间距，有效解决地下上千米深油井套管内防腐阳极的保护电位难以检测和确定阳极间距的问题。

Description

一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法

技术领域

本发明属于油田腐蚀与防护领域，具体涉及一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法。

背景技术

目前油田生产企业的油井管柱普遍采用普通碳钢管材，油井产液对碳钢套管腐蚀严重。为了安全高效进行油田开发，各油田一般采取了除耐管材外的多种套管防腐措施，如应用较早、技术成熟的外加电流阴极保护外防腐，国内大量应用的环氧冷缠带(环氧涂层)牺牲阳极防腐，普遍实施的缓蚀剂加注技术等，近年来发展应用了套管内置牺牲阳极的阴极保护技术，该技术通常是将牺牲阳极装在油管上，同时阳极与油管绝缘，阳极通过金属弹性臂与套管电性机械连接，油井生产时阳极随油管下入套管内从而达到保护套管的目的。

专利“一种内涂层套管井的牺牲阳极保护装置(CN105154889B)”公布了采用油管带入牺牲阳极进行套管内防腐的牺牲阳极装置，并未进一步阐述油管上的牺牲阳极应该如何分布；专利“一种牺牲阳极材料的井下评价装置(CN105401921B)”公布了井下评价阳极工作状态的一种装置，但无法检测阳极的电位分布特征；文献“一种随油管入井预防套管腐蚀的工具研制”(肖彦英，李琼玮，令永刚等，石油工业技术监督，Vol.33 No.3Mar.2017)叙述了套管内防腐阳极的现场应用情况及效果，未涉及阳极保护电位或安装模式；专利“基于脉冲电流的油井套管阴极保护系统及电极布位方法(CN104562043B)”公布了套管外加电流阴极保护的电位分布检测方法，该方法是将参比电极布通过绝热材料包裹捆绑在套管外壁的方式检测套管外壁不同位置的分布电位。现有专利文献均未有针对套管内牺牲阳极的电位分布和阳极安装布置方法的论述，在生产中对于套管内牺牲阳极的保护电位分布无法确定，对牺牲阳极的安装布置则主要根据阳极的电化学参数在地面管道、储罐的设计经验决定。

由于牺牲阳极在油井套管有限空间内的电磁作用范围受限，油井套管在地下深度达上千米以上，在套管内测量牺牲阳极的保护电位存在天然困难，借鉴检测套管外壁分布电位的方法即采用参比电极固定在油管上测量套管内壁不同位置电位原理可行，要实现有很大难度，几乎不可能直接检测，验证牺牲阳极在套管内如何合理分布无从得知，进而无法合理确定阳极分布；如果通过室内模拟实验任一种井筒环境中牺牲阳极的保护电位与间距分布，则工作量太大，费时费人成本高。因此要科学合理采用牺牲阳极防止套管内腐蚀技术，实现牺牲阳极对套管的科学保护，满足国标规定的阴极保护准则，防止欠保护或过保护，就必须掌握不同温度和矿化度的腐蚀环境下套管内牺牲阳极的保护电位沿套管长度的分布状况，以此确定套管内纵向上牺牲阳极的安装模式，从而解决困扰套管内防腐的牺牲阳极合理应用的生产问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，能够掌握不同温度和矿化度的腐蚀环境下套管内牺牲阳极的保护电位沿套管长度的分布状况，从而确定套管的安装模式。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，获取在基准温度T_基和基准矿化度M_基的腐蚀环境下，套管材质的保护长度L与保护电位偏移量ΔU_i的关系；

步骤二，确定不同保护电位偏移量下ΔU_i，保护长度的温度梯度值L/ΔT和矿化度梯度值L/ΔM；

步骤三，获取待试验井的矿化度M_试验、井深L_射孔、温度T_试验和自然电位U_自然；

步骤四，计算当前矿化度M_试验下的保护长度修正值L_ΔM；

步骤五，计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU，同时将不同保护电位偏移量ΔU换算成保护电位值U；

步骤六，根据步骤五中的保护电位值，拟合后得到内防腐阳极随套管长度的保护电位分布图；

步骤七，根据保护电位分布图，获取套管内防腐阳极的阳极安装模式。

步骤一中，保护长度与保护电位偏移量的关系为L－ΔU关系式，包括三种环境下实验取得的三项关系式方程，三种环境分别是基准温度T_基基准矿化度M_基环境、高温T_高基准矿化度M_基环境和基准温度T_基高矿化度M_高环境，对应的关系式方程分别是基准温度基准矿化度的T_基M_基方程、高温基准矿化度方程的T_高M_基方程和基准温度高矿化度方程的T_基M_高方程。

步骤二中，根据T_基M_基方程和T_高M_基方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的温度梯度值L/ΔT：

L/ΔT＝(L_T基－L_T高)/(T_高－T_基)；

根据T_基M_基方程和T_基M_高方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的矿化度梯度值L/ΔM：

L/ΔM＝(L_M高－L_M基)/(M_高－M_基)。

步骤三中，测待试验井的自然电位U_自然，矿化度M_试验，该井射孔位置井深L_射孔，根据L_射孔确定温度T_试验：

T_试验＝(T_已知/100)×L_射孔，T_已知为已知的定值。

步骤四中，计算试验井矿化度为M_试验下的保护长度修正值L_ΔM：

L_ΔM＝(M_试验－M_基)×L/ΔM；

计算试验井温度为T_试验下的保护长度修正值L_ΔT：

L_ΔT＝(T_试验－T_基)×L/ΔT。

步骤五中，计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU：

L_ΔU＝L₀+L_ΔM+L_ΔT，L₀为基准温度基准矿化度下的保护长度；

同时将不同保护电位偏移量ΔU_i换算成保护电位值U：

U＝U_自然－ΔU_i；

得到数据组：U₁－L_U1，U₂－L_U2，U₃－L_U3，...U_i－L_Ui...，U_n－L_Un。

步骤六中，拟合得到的关系式为：L_试验－U_试验。

步骤七中，获取套管内防腐阳极的阳极安装模式的具体方法如下：

将待定的保护电位偏移量ΔU_待定换算成保护电位值U_待定：

U_待定＝U_自然－ΔU_待定

将U_待定代入L_试验－U_试验关系式方程，得到套管内置阳极的待定的保护电位偏移量ΔU_待定下的分布间距为2L_待定，形成套管内防腐阳极的阳极安装模式，即不同保护电位偏移量ΔU_待定对应的阳极分布间距2L_待定。

与现有技术相比，本发明根据某一地区油井不同的油藏埋深和不同的井液矿化度，通过室内模拟三组不同腐蚀环境的试验，形成三个温度和矿化度组合梯度下的保护长度与保护电位偏移量的关系式方程，由此得到不同保护电位偏移量下保护长度的温度梯度和矿化度梯度，然后根据待试验井的井深和矿化度条件，获取该试验井不同保护电位偏移量下保护长度的温度修正值和矿化度修正值，最后由系列保护长度值与保护电位偏移量值组成的数据组得到该试验井环境下的保护长度与保护电位偏移量的关系式方程，由此快速获取套管内防腐阳极的保护电位分布特征，同时计算出不同保护电位下的阳极分布电距，即明确该试验井的阳极安装模式。本发明能够根据油井基本信息，通过油管带入阳极进行套管内防腐情况下，确定套管内表面的保护电位分布规律，以及在满足阴极保护准则条件下的合理的阳极安装间距，方法独特易行，可以指导现场阳极分布间距，有效解决地下上千米深油井套管内防腐阳极的保护电位难以检测和确定阳极间距的问题。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例1中的井套管内牺牲阳极的保护电位与保护长度关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明根据不同油藏埋深、不同井液矿化度的套管内防腐的阳极电位按以下步骤确定电位分布状况及阳极安装模式：

第一步：通过地面模拟实验获取在基准温度和基准矿化度的腐蚀环境下套管材质的保护长度与保护电位偏移量的关系，即L－ΔU关系式，包括三种环境下实验取得的三项关系式方程，三种环境分别是基准温度T_基基准矿化度M_基、高温T_高基准矿化度M_基和基准温度T_基高矿化度M_高环境，对应的关系式方程分别是基准温度基准矿化度方程的T_基M_基方程、高温基准矿化度方程的T_高M_基方程和基准温度高矿方程的T_基M_高方程。

腐蚀环境的矿化度最低值应大于10g/l，温度最低值应小于80℃，基准温度、基准矿化度取实际应用环境的温度和矿化度范围的中间值，且温度和矿化度范围必须在中间值的50％以内，若超出中间值的±50％，则需要进行加密模拟试验。

三种腐蚀环境中的高温和高矿化度也可取低温和低矿化度。

模拟实验的腐蚀介质取自实际油井流体的地层水介质，介质实验流速与现场相同。

保护电位偏移量为ΔU＝U_自然－U，U为保护电位，U_自然为未加牺牲阳极时套管材质的自然腐蚀电位。

保护长度L为保护位置至牺牲阳极处的单侧距离。

套管内防腐的牺牲阳极是通过油管下入，并通过金属弹性触臂与套管形成电性机械连接，同时牺牲阳极与油管本体之间通过塑料形成电性绝缘。

模拟实验时间取值是达到套管稳定极化的时间，即电位不随时间的变化稳定下来的最短时间。

三种环境下实验为模拟实验最低数量但不局限于此，可以增加腐蚀环境。

第二步：根据T_基M_基方程和T_高M_基方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的温度梯度值L/ΔT，单位：m/℃：

L/ΔT＝(L_T基－L_T高)/(T_高－T_基)

根据T_基M_基方程和T_基M_高方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的矿化度梯度值L/ΔM，单位：m/(g/l)：

L/ΔM＝(L_M高－L_M基)/(M_高－M_基)

第三步：检测待试验井的自然电位U_自然、矿化度M_试验，查该井射孔位置井深L_射孔，根据L_射孔确定温度T_试验：

T_试验＝(T_已知/100)×L_射孔，T_已知为已知的定值；

检测待试验井的自然电位U_自然，根据试验井环境通过室内模拟试验获得。

第四步：计算不同保护电位偏移量ΔU_i下矿化度M_试验的保护长度修正值L_ΔM：

L_ΔM＝(M_试验－M_基)×L/ΔM；

计算不同保护电位偏移量ΔU_i下温度T_试验的保护长度修正值L_ΔT：

L_ΔT＝(T_试验－T_基)×L/ΔT；

修正值均是在不同保护电位偏移量ΔU_i下对应的保护长度的温度梯度值、矿化度梯度值计算获得。

第五步：计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU：

L_ΔU＝L₀+L_ΔM+L_ΔT，L₀为基准温度基准矿化度下的保护长度；

同时将不同保护电位偏移量ΔU_i换算成保护电位值U_i：

U_i＝U_自然－ΔU_i

得到数据组：U₁－L_U1，U₂－L_U2，U₃－L_U3，...U_i－L_Ui...，U_n－L_Un；

第六步：根据第五步的数据组，拟合得到关系式：L_试验－U_试验关系式方程，根据该关系方程作曲线得到套管内防腐阳极随套管长度的保护电位分布图，保护电位分布图表示阳极的单侧保护距离与保护电位的关系图。

第七步：将待定的保护电位偏移量ΔU_待定换算成保护电位值U_待定：

U_待定＝U_自然－ΔU_待定

将U_待定代入L_试验－U_试验关系式方程，得到套管内置阳极的待定的不同标准的保护电位偏移量ΔU_待定i下的分布间距为2L_待定i，形成套管内防腐阳极的阳极安装模式(ΔU_待定i－2L_待定i)，即不同保护电位偏移量ΔU_待定i对应的阳极分布间距2L_待定i。

套管内防腐阳极电位分布的表达式可以是保护电位偏移量与保护长度的关系，也可以是绝对保护电位与保护长度的关系。

实施例1：

某一区域欲进行套管内防腐阳极油井的井筒温度约25℃～55℃，地层水矿化度约70g/l～30g/l，该区域的宁5AX－20井套管采用牺牲阳极进行内防腐，需要掌握套管内牺牲阳极的电位分布情况，并求出保护电位负偏移100mV下的阳极安装距离，按以下步骤进行：

第一步：确定地面模拟实验的基准温度为40℃[(25+55)/2]，基准矿化度为30g/l[(15+45)/2]；

实验测得40℃、30g/l腐蚀环境下套管材质的保护长度L与保护电位偏移量ΔU的关系，即T_基M_基方程：

L＝75.92(ΔU)²－57.20(ΔU)+11.34……………………(1)

实验测得30g/l+60℃腐蚀环境下的T_高M_基方程：

L＝60.69(ΔU)²－39.73(ΔU)+6.631……………………(2)

实验测得45g/l+40℃腐蚀环境下的T_基M_高方程：

L＝97.81(ΔU)²－68.74(ΔU)+12.80……………………(3)

三种腐蚀环境下的保护电位U、保护电位偏移量ΔU与单侧保护距离L见下面表1。

表1模拟实验的保护电位、保护电位偏移量与单侧保护距离数据表

第二步：采用公式L/ΔT＝(L_T基－L_T高)/(T_高－T_基)，由T_基M_基方程(1)和T_高M_基方程(2)计算不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的温度梯度值L/ΔT(单位：m/℃)；采用公式L/ΔM＝(L_M高－L_M基)/(M_高－M_基)，由T_基M_基方程(1)和T_基M_高方程(3)计算不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的矿化度梯度值L/ΔM[单位：m/(g/l)]。

在不同保护电位偏移下保护长度的矿化度梯度、温度梯度见下面表2。

表2不同保护电位偏移下保护长度的矿化度梯度、温度梯度数据表

第三步：确定实验井宁5AX－20井参数。

取宁5AX－20井的套管内流体，从中分离出地层水，检测该地层水的矿化度M_试验＝20g/l，宁5AX－20井井射孔位置井深1600m，确定温度48℃[(3/100)×1600]，采用该地层水、该井套管材质实验检测得自然电位U_自然＝－0.56V。

第四步：根据L_ΔM＝(M_试验－M_基)×L/ΔM＝(20－30)×L/ΔM＝－10×L/ΔM计算不同保护电位偏移量ΔU_i下矿化度M_试验的保护长度修正值L_ΔM；根据L_ΔT＝(T_试验－T_基)×L/ΔT＝(48－40)×L/ΔT计算不同保护电位偏移量ΔU_i下温度T_试验的保护长度修正值L_ΔT。

各保护电位偏移下的修正值见表3。

表3不同保护电位偏移下保护长度的矿化度、温度修正值数据表

第五步：计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU：

L_ΔU＝L₀+L_ΔM+L_ΔT(L₀为基准温度基准矿化度下的保护长度)

同时将不同保护电位偏移量ΔU_i换算成保护电位值U_i：

U_i＝U_自然－ΔU_i

得到数据组：U₁－L_U1，U₂－L_U2，U₃－L_U3，...U_i－L_Ui...，U_n－L_Un，见表4。

表4保护电位与保护长度数据组表

第六步：由表4拟合L_试验－U_试验关系式方程：

L_试验＝78.07U_试验 ²+139.8U_试验+63.03

根据该关系方程作曲线得到套管内防腐阳极随套管长度的保护电位分布图，见图2。

第七步：将待定的保护电位偏移量ΔU_待定换算成保护电位值U_待定：

U_待定＝U_自然－ΔU_待定

将U_待定代入L_试验－U_试验关系式方程，得到套管内置阳极的待定的不同保护标准的保护电位偏移量ΔU_待定i下的分布间距为2L_待定i，形成套管内防腐阳极的阳极安装模式(ΔU_待定i－2L_待定i)，即不同保护电位偏移量ΔU_待定i对应的阳极分布间距2L_待定i，见表5。

表5不同保护标准下的分布间距表

Claims (7)

1.一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获取在基准温度T_基和基准矿化度M_基的腐蚀环境下，套管材质的保护长度L与保护电位偏移量ΔU_i的关系；保护长度与保护电位偏移量的关系为L－ΔU关系式，包括三种环境下实验取得的三项关系式方程，三种环境分别是基准温度T_基基准矿化度M_基环境、高温T_高基准矿化度M_基环境和基准温度T_基高矿化度M_高环境，对应的关系式方程分别是基准温度基准矿化度的T_基M_基方程、高温基准矿化度方程的T_高M_基方程和基准温度高矿化度方程的T_基M_高方程；

步骤二，确定不同保护电位偏移量下ΔU_i，保护长度的温度梯度值L/ΔT和矿化度梯度值L/ΔM；

步骤三，获取待试验井的矿化度M_试验、井深L_射孔、温度T_试验和自然电位U_自然；

步骤四，计算当前矿化度M_试验下的保护长度修正值L_ΔM；

步骤五，计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU，同时将不同保护电位偏移量ΔU换算成保护电位值U；

步骤六，根据步骤五中的保护电位值，拟合后得到内防腐阳极随套管长度的保护电位分布图；

步骤七，根据保护电位分布图，获取套管内防腐阳极的阳极安装模式。

2.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤二中，根据T_基M_基方程和T_高M_基方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的温度梯度值L/ΔT：

L/ΔT＝(L_T基－L_T高)/(T_高－T_基)；

根据T_基M_基方程和T_基M_高方程确定不同保护电位偏移量ΔU_i下保护长度的矿化度梯度值L/ΔM：

L/ΔM＝(L_M高－L_M基)/(M_高－M_基)。

3.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤三中，测待试验井的自然电位U_自然，矿化度M_试验，该井射孔位置井深L_射孔，根据L_射孔确定温度T_试验：

T_试验＝(T_已知/100)×L_射孔，T_已知为已知的定值。

4.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤四中，计算试验井矿化度为M_试验下的保护长度修正值L_ΔM：

L_ΔM＝(M_试验－M_基)×L/ΔM；

计算试验井温度为T_试验下的保护长度修正值L_ΔT：

L_ΔT＝(T_试验－T_基)×L/ΔT。

5.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤五中，计算不同保护电位偏移量ΔU_i下的保护长度L_ΔU：

L_ΔU＝L₀+L_ΔM+L_ΔT，L₀为基准温度基准矿化度下的保护长度；

同时将不同保护电位偏移量ΔU_i换算成保护电位值U：

U＝U_自然－ΔU_i；

得到数据组：U₁－L_U1，U₂－L_U2，U₃－L_U3，...U_i－L_Ui...，U_n－L_Un。

6.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤六中，拟合得到的关系式为：L_试验－U_试验。

7.根据权利要求1所述的一种确定套管内防腐阳极的电位分布及其安装模式的方法，其特征在于，步骤七中，获取套管内防腐阳极的阳极安装模式的具体方法如下：

将待定的保护电位偏移量ΔU_待定换算成保护电位值U_待定：

U_待定＝U_自然－ΔU_待定

将U_待定代入L_试验－U_试验关系式方程，得到套管内置阳极的待定的保护电位偏移量ΔU_待定下的分布间距为2L_待定，形成套管内防腐阳极的阳极安装模式，即不同保护电位偏移量ΔU_待定对应的阳极分布间距2L_待定。

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