FR2508971A1 - Cathodic protection of deep water borehole lining against corrosion - by immersing rows of anodes fed with DC to successive depths in water in borehole - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositifs de protection cathodique contre la corrosion du cuvelage et des équipements d'un forage d'extraction d'eau d'une nappe aquifere profonde. Method and devices for cathodic protection against corrosion of the casing and of the equipment of a water extraction borehole from a deep aquifer.
La présente invention a pour objet un procédé et des dispositifs de protection cathodique contre la corrosion du cuvelage et des équipements d'un forage d'extraction d'eau d'une nappe aquifère profonde. The subject of the present invention is a method and devices for cathodic protection against corrosion of the casing and of equipment for a water extraction borehole from a deep aquifer.
Les forages destinés à extraire de l'eau d'une nappe aquifère située à grande profondeur comportent un cuvelage le plus souvent en acier noir dont les faces externe et interne sont sujettes à la corrosion. The boreholes intended to extract water from an aquifer located at great depth include a casing, most often made of black steel, the external and internal faces of which are subject to corrosion.
I1 est impératif de protéger de la corrosion le cuvelage et les équipements situés à 1" intérieur du forage. En effet, un forage et la mise en place du cuvelage représentent un investissement important qui doit durer un temps suffisamment long pour être amorti. It is imperative to protect the casing and the equipment located inside the borehole from corrosion. Indeed, drilling and placing the casing represent a significant investment which must last long enough to be amortized.
De plus, les nappes profondes d'eau douce ou d'eau peu salée pouvant convenir à l'arrosage, sont généralement surmontées de terrains contenant des nappes aquifères plus salées, qui sont isolées du forage par le cuvelage. Si celui-ci venait à être détérioré par la corrosion, l'eau douce se mélangerait à l'eau plus salée et deviendrait impropre à la consommation ou à l'arrosage d'où perte du forage que l'on devrait obturer et risque de perte d'une réserve d'eau.In addition, the deep layers of freshwater or low-salt water that may be suitable for watering are generally surmounted by soils containing more salty aquifers, which are isolated from the borehole by the casing. If the latter were to be damaged by corrosion, the fresh water would mix with the more salty water and would become unfit for consumption or watering, hence the loss of the borehole which should be closed and the risk of loss of a water reserve.
Enfin la corrosion du cuvelage entraîne la présence de fer dans l'eau, ce qui risque de donner à celle-ci un goût et une coloration la rendant impropre à la consommation. Finally, the corrosion of the casing causes the presence of iron in the water, which risks giving it a taste and a coloring making it unfit for consumption.
On connaît le procédé dit de protection cathodique pour protéger contre la corrosion des canalisations ou d'autres structures métalliques enterrées. Ce procédé consiste à enfouir dans le sol des électrodes d'un métal plus électropositif que la structure à protéger, de sorte que ces électrodes font fonction d'anodes consommables vers lesquelles se dirigent les anions agressifs tandis qu'il y a dé pôt de cations sur la structure métallique qui sert de cathode et qui se trouve ainsi protegée de la corrosion. We know the so-called cathodic protection process to protect against corrosion of pipes or other buried metallic structures. This process consists in burying in the ground electrodes of a metal more electropositive than the structure to be protected, so that these electrodes act as consumable anodes towards which the aggressive anions go while there is deposit of cations on the metal structure which serves as a cathode and which is thus protected from corrosion.
On utilise généralement comme anodes des masses d'un métal plus électropositif que le fer, par exemple des masses de zinc. On peut aussi utiliser des électrodes enfouies dans le sol et connectées à la borne positive d'une source de tension continue dont la borne négative est connectée à la structure à protéger. Generally, masses of a more electropositive metal than iron are used as anodes, for example zinc masses. It is also possible to use electrodes buried in the ground and connected to the positive terminal of a DC voltage source, the negative terminal of which is connected to the structure to be protected.
L'objectif de la présente invention est d'adapter le procédé de protection cathodique au problème particulier de la protection de la face interne du cuvelage sur toute la hauteur immergée de celui-ci qui est élevée, de l'ordre d'un ou plusieurs milliers de mètres, ainsi que la protection des équipements immergés dans l'eau contenue dans le forage. The objective of the present invention is to adapt the cathodic protection method to the particular problem of protecting the internal face of the casing over the entire submerged height thereof which is high, of the order of one or more thousands of meters, as well as the protection of equipment immersed in the water contained in the borehole.
La protection de la face externe du cuvelage ne présente pas de difficulté spéciale et elle est obtenue par les moyens habituels, en enfouissant dans le sol une ou plusieurs masses métalliques qui sont maintenues à un potentiel suffisamment positif par rapport au cuvelage. The protection of the external face of the casing does not present any special difficulty and it is obtained by the usual means, by burying in the ground one or more metallic masses which are maintained at a sufficiently positive potential with respect to the casing.
Par contre la protection de la face interne du cuvelage présente des difficultés particulières. Il faut répartir les anodes sur toute la hauteur du forage et il faut assurer au niveau de chaque anode ou d'un groupe d'anodes une densité de courant suffisante pour assurer une bonne protection cathodique mais pas trop élevée pour éviter une consommation de puissance inutile. I1 faut mettre au point des anodes qui résistent à la corrosion afin que le dispositif qui constitue un investissement important, soit durable. On the other hand, the protection of the internal face of the casing presents particular difficulties. The anodes must be distributed over the entire height of the borehole and a sufficient current density must be ensured at the level of each anode or group of anodes to ensure good cathodic protection but not too high to avoid unnecessary power consumption . It is necessary to develop anodes which resist corrosion so that the device, which constitutes a significant investment, is durable.
Les anodes situées dans le forage se trouvent placées à une distance variable du cuvelage qui est généralement télescopique et la résistance du circuit électrique reliant les anodes au cuvelage varie avec la résistivité du liquide contenu dans le forage.Il faut donc pouvoir ajuster avec précision le potentiel positif de chaque anode ou de chaque groupe d'anodes en fonction des caractéristiques électriques du liquide et des terrains encaissants et de la distance entre anode et cuvelage. The anodes located in the borehole are placed at a variable distance from the casing which is generally telescopic and the resistance of the electrical circuit connecting the anodes to the casing varies with the resistivity of the liquid contained in the borehole. It is therefore necessary to be able to precisely adjust the potential positive of each anode or of each group of anodes as a function of the electrical characteristics of the liquid and of the surrounding lands and of the distance between anode and casing.
Les objectifs selon l'invention sont atteints au moyen d'un procédé de protection de la face interne du cuvelage d'un forage d'extraction d'eau d'une nappe aquifère profonde et des équipements immergés dans l'eau de ce forage, selon lequel on descend dans l'eau contenue dans le forage plusieurs chaînes d'anodes superposées, chaque chaîne comportant une série d'anodes superposées qui sont connectées sur un conducteur d'anode, lequel conducteur d'anode est relié à la surface par un conducteur de liaison qui est connecté sur la borne positive d'une source de tension continue ajustable dont la borne négative est connectée audit cuvelage et on règle séparément la tension de chaque source pour obtenir au niveau de chaque chaîne d'anodes une densité de courant déterminée. The objectives according to the invention are achieved by means of a process for protecting the internal face of the casing of a borehole for extracting water from a deep aquifer and equipment immersed in the water of this borehole, according to which one descends into the water contained in the drilling several chains of superimposed anodes, each chain comprising a series of superimposed anodes which are connected on an anode conductor, which anode conductor is connected to the surface by a connecting conductor which is connected to the positive terminal of an adjustable DC voltage source, the negative terminal of which is connected to said casing and the voltage of each source is adjusted separately to obtain a determined current density at each chain of anodes .
Les anodes sont des tiges ou des rubans de niobium, de thorium, de tantale ou de cuivre, revêtus d'un placage en platine très mince. The anodes are rods or ribbons of niobium, thorium, tantalum or copper, coated with a very thin platinum plating.
Selon un mode de realisation préférentiel, les anodes sont composées chacune d'un ruban de niobium, ayant une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres, qui est revêtu d'un placage en platine ayant une épaisseur de l'ordre de 15 microns et on préfabrique en usine des chaînes d'anodes en enroulant en hélice des tronçons de ce ruban autour de la gaine isolante d'un câble conducteur, le placage de platine étant dirigé vers l'extérieur, et en connectant une extrémité de chaque tronçon sur ledit conducteur; on enroule ensuite les conducteurs portant les anodes sur des tourets qu'on transporte à la tête de forage; on descend dans le forage un câble porteur auquel on accroche les unes après les autres des chaînes d'anodes superposées dont l'extrémité supérieure est connectée sur un câble conducteur de. liaison que l'on accroche au câble porteur; et on connecte l'extrémité supérieure de chaque conducteur de liaison a la borne positive d'une source de tension continue réglable. According to a preferred embodiment, the anodes are each composed of a niobium ribbon, having a thickness of a few tenths of a millimeter, which is coated with a platinum plating having a thickness of the order of 15 microns and is prefabricated in the factory anode chains by helically winding sections of this strip around the insulating sheath of a conductive cable, the platen plating being directed towards the outside, and by connecting one end of each section to said conductor; the conductors carrying the anodes are then wound on drums which are transported to the drilling head; a carrier cable is lowered into the borehole to which one after the other hooks superimposed anode chains, the upper end of which is connected to a conducting cable. connection that is attached to the carrying cable; and connecting the upper end of each connecting conductor to the positive terminal of an adjustable DC voltage source.
Un dispositif de protection cathodique contre la corrosion de la face interne du cuvelage d'un forage pour extraire de l'eau d'une nappe aquifère et des équipements immergés dans l'eau du forage comporte plusieurs chaînes d'anodes superposées, immergées dans l'eau contenue dans le forage, chaque chaîne d'anodes comportant une pluralité d'anodes superposées, qui sont connectées en parallèle sur un même conducteur d'anode dont l'extrémité supérieure est connectée sur un conducteur de liaison avec la surface et le dispositif comporte, en outre, une pluralité de sources de tension continues, dont les bornes négatives sont connectées audit cuvelage et aux équipements et dont les bornes positives sont connectées respectivement sur les extrémités supérieures desdits conducteurs de liaison par l'intermédiaire de dispositifs potentiométriques permettant d'ajuster séparément le potentiel positif de chaque channe d'anodes. A cathodic protection device against corrosion of the internal face of the casing of a borehole to extract water from an aquifer and equipment immersed in the borehole water comprises several superimposed anode chains immersed in the water contained in the borehole, each chain of anodes comprising a plurality of superimposed anodes, which are connected in parallel on the same anode conductor, the upper end of which is connected on a conductor for connection with the surface and the device furthermore comprises a plurality of DC voltage sources, the negative terminals of which are connected to said casing and to the equipment and the positive terminals of which are connected respectively to the upper ends of said connecting conductors by means of potentiometric devices making it possible to separately adjust the positive potential of each anode channel.
L'invention a pour résultat la protection contre la corrosion d'un cuvelage en acier noir d'un forage d'extraction d'eau d'une nappe aquifère située à grande profondeur, de l'ordre de deux cents mètres ou plus, et la protection des équipements immergés dans l'eau du puits. The invention results in the protection against corrosion of a black steel casing of a water extraction borehole from an aquifer located at great depth, of the order of two hundred meters or more, and the protection of equipment immersed in well water.
La disposition des anodes selon plusieurs chaînes d'anodes ayant chacune une alimentation en tension continue séparée et réglable, permet d'ajuster séparément le potentiel positif de chaque chai- ne d'anodes pour tenir compte des chûtes de tension en ligne et des caractéristiques électriques propres à chaque tronçon vertical du puits et des terrains encaissants, afin d'obtenir une densité de courant optimum pour une bonne protection cathodique sans dépense d'énergie excessive et une différence de potentiel, entre anodes et cuvelage, légèrement supérieure au potentiel de polarisation et de corrosion. The arrangement of the anodes according to several anode chains, each having a separate and adjustable DC voltage supply, makes it possible to separately adjust the positive potential of each anode chain to take account of line voltage drops and electrical characteristics. specific to each vertical section of the well and the surrounding land, in order to obtain an optimum current density for good cathodic protection without excessive energy expenditure and a potential difference, between anodes and casing, slightly greater than the polarization potential and corrosion.
Les anodes composées d'un ruban en niobium revêtues d'un placage très mince en platine, permettent de réaliser des chaînes d'anodes qui résistent bien à la corrosion et qui ont une très grande longévité. De plus, ces anodes souples enroulées en hélice autour du câble d'anode peuvent être fabriquées en usine et enroulées sur un touret qui est transporté sur les lieux du forage, ce qui facilite la mise en place du dispositif dans le forage. The anodes composed of a niobium ribbon coated with a very thin platinum plating, make it possible to produce anode chains which resist corrosion well and which have a very long service life. In addition, these flexible anodes wound helically around the anode cable can be manufactured in the factory and wound on a reel which is transported to the place of drilling, which facilitates the installation of the device in the drilling.
La disposition des anodes superposées a faible distance, de l'ordre d'un a deux mètres, permet d'obtenir un système anodique qui protège uniformément toute la surface interne du cuvelage. Ce résultat nécessite la disposition d'un système anodique quasiment continu sur toute la hauteur du puits car le périmètre de protection ou portée utile de chaque anode est limité par le couplage électrolytique avec l'acier du cuvelage qui intéresse une surface de cuvelage relativement faible par suite du faible diamètre de celui-ci. The arrangement of the anodes superimposed at a short distance, of the order of one to two meters, makes it possible to obtain an anode system which uniformly protects the entire internal surface of the casing. This result requires the provision of an almost continuous anode system over the entire height of the well because the protective perimeter or useful range of each anode is limited by the electrolytic coupling with the casing steel which interests a relatively small casing surface by following the small diameter of it.
De plus, la résistance de contact entre l'anode et le liquide conduit à utiliser des anodes dont la surface ne doit pas être inférieure à un minimum et cet objectif est atteint grâce aux chaînes d'anodes individuelles qui sont connectées en parallèle sur un même conducteur portant une pluralité d'anodes superposées. In addition, the contact resistance between the anode and the liquid leads to the use of anodes whose surface must not be less than a minimum and this objective is achieved thanks to the individual anode chains which are connected in parallel on the same conductor carrying a plurality of superimposed anodes.
Un exemple numérique permet de préciser l'ordre de grandeur de l'énergie électrique dépensée. Un forage de 2000 m de profondeur immergée comporte tous les deux mètres une anode formée par un ruban de niomium revêtu de platine ayant une largeur de 5 mm et une longueur dévelopée de I mètre, soit une surface de placage de 0,005 m2. La densité de courant utilisée est de 100 à 150 mA/m2. La tension continue est de l'ordre de 20 volts. La puissance élecrrique consomée est de 2 à 5 Kw, c'est-à-dire une puissance très faible. A numerical example makes it possible to specify the order of magnitude of the electrical energy expended. A 2000 m deep submerged borehole includes every two meters an anode formed by a platinum-coated niomium ribbon having a width of 5 mm and a developed length of I meter, or a plating surface of 0.005 m2. The current density used is 100 to 150 mA / m2. The DC voltage is around 20 volts. The electrical power consumed is 2 to 5 Kw, that is to say a very low power.
Les dispositifs de protection cathodiques selon l'invention permettent de supprimer les risques de corrosion du cuvelage et d'assurer une grande longévité des forages de puisage d'eau dans une nappe profonde et une exploitation sans les risques très graves dus à une rupture de cuvelage. The cathodic protection devices according to the invention make it possible to eliminate the risks of corrosion of the casing and to ensure a great longevity of the boreholes for drawing water from a deep sheet and an operation without the very serious risks due to a rupture of the casing. .
La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de dispositifs selon l'invention. The following description refers to the appended drawings which represent, without any limiting nature, exemplary embodiments of devices according to the invention.
La figure 1 est une coupe verticale d'un forage servant à extraire de l'eau d'une nappe aquifère. Figure 1 is a vertical section of a borehole used to extract water from an aquifer.
La figure 2 est une demi-coupe schématique du puits selon la figure 1. FIG. 2 is a schematic half-section of the well according to FIG. 1.
La figure 3 est une coupe verticale d'un tronçon de dispositif et la figure 4 une coupe transversale de la figure 3. FIG. 3 is a vertical section of a section of device and FIG. 4 a cross section of FIG. 3.
La figure 5 est une coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'une anode. Figure 5 is a vertical section of a first embodiment of an anode.
Les figures 6 et 7 sont une coupe verticale partielle et une coupe horizontale d'un deuxième mode de réalisation. Figures 6 and 7 are a partial vertical section and a horizontal section of a second embodiment.
Les figures 8 et 9 sont une coupe verticale et transversale d'une anode utilisée dans un dispositif selon les figures 6 et 7. Figures 8 and 9 are a vertical and cross section of an anode used in a device according to Figures 6 and 7.
La figure I représente un forage 1, d'axe z zl, destiné à extraire de l'eau d'une nappe aquifère 2 qui est située à grande profondeur, supérieure à 200 m et pouvant atteindre 1000 mètres ou plus. FIG. I represents a borehole 1, of axis z zl, intended for extracting water from an aquifer 2 which is located at great depth, greater than 200 m and which can reach 1000 meters or more.
Le forage traverse des couches de terrain qui comportent généralement des nappes d'eau plus ou moins salée, qui ne doit pas pénétrer dans le forage. Pour cette raison, celui-ci est équipé d'un cuvelage 3 (casing) qui est constitué par des tubes en acier noir, qui ont des diamètres décroissants. Le tronçon 3a du cuvelage, qui traverse la formation aquifère 2, est perforé (crépine). The borehole crosses layers of land which generally include more or less salt water, which must not penetrate the borehole. For this reason, it is equipped with a casing 3 (casing) which is constituted by black steel tubes, which have decreasing diameters. The section 3a of the casing, which crosses the aquifer 2, is perforated (strainer).
La figure 1 représente un exemple de puits équipé d'un tubage de production 4 portant à l'extrémité inférieure une pompe immergée 5 équipée d'une crépine 6. En variante, la formation aquifère peut être artésienne. FIG. 1 represents an example of a well equipped with a production casing 4 carrying at the lower end a submerged pump 5 equipped with a strainer 6. As a variant, the aquifer formation can be artesian.
La figure 1 représente un puits qui est rempli d'eau jusqu'au sommet. Dans le cas où l'eau ne monte que dans une partie du puits, on place les anodes dans la partie immergée seulement. Figure 1 shows a well that is filled with water to the top. In the case where the water only rises in one part of the well, the anodes are placed in the submerged part only.
Le cuvelage est exposé à des risques de corrosion généralisée par attaque chimique due aux anions contenus dans liteau provenant notamment des chlorures et des sulfates. De plus, le cuvelage qui est au contact des terrains encaissants est exposé à des risques de corrosion par effet de piles géologiques dues aux terrains de nature différente traversés par le forage. Enfin, le cuvelage est attaqué par corrosion électrochimique due à la structure plus ou moins régulière du métal, à des variations locales de débit, à des concentrations locales de CO qui créent à la surface interne des plages anodiques et cathodiques, permanentes ou temporaires, génératrices de courants électriques et de corrosion. The casing is exposed to risks of generalized corrosion by chemical attack due to the anions contained in the strip, in particular from chlorides and sulphates. In addition, the casing which is in contact with the surrounding land is exposed to risks of corrosion by the effect of geological piles due to the land of different nature crossed by the drilling. Finally, the casing is attacked by electrochemical corrosion due to the more or less regular structure of the metal, to local variations in flow, to local concentrations of CO which create on the internal surface anodic and cathodic ranges, permanent or temporary, generating electrical currents and corrosion.
I1 est absolument impératif de protéger le cuvelage des corrosions. En effet, un forage profond représente un investissement important et il faut que celui-ci se conserve dans le temps pour amortir la dépense. S'il arrivait que le cuvelage se perce au droit d'une nappe plus salée, ceci entraînerait un mélange de l'eau contenue dans la nappe aquifère 2 avec l'eau salée, ce qui la rendrait impropre aux usages à laquelle elle est destinée pour la boisson ou pour l'arrosage d'où une perte très importante de réserves d'eau. It is absolutely imperative to protect the casing from corrosion. Indeed, deep drilling represents a significant investment and it must be kept over time to amortize the expense. If it happened that the casing was pierced in line with a more salty aquifer, this would cause the water contained in the aquifer 2 to mix with the salt water, which would make it unsuitable for the uses for which it is intended. for drinking or watering where a very significant loss of water reserves.
De plus, la corrosion du cuvelage peut entraîner la présence de fer dans l'eau qui colore celle-ci ou qui lui confèrent un mauvais goût la rendant impropre à la consommation.In addition, corrosion of the casing can lead to the presence of iron in the water which colors it or which gives it a bad taste making it unfit for consumption.
Le problème à résoudre est de protéger efficacement le cuvelage et les équipements de pompage contre toutes formes de corrosion en assurant à la fois la protection intérieure et extérieure du cuvelage de manière ajustable pour tenir compte des paramètres propres à chaque forage et qui varient avec la composition de l'eau et la nature des terrains encaissants. The problem to be solved is to effectively protect the casing and the pumping equipment against all forms of corrosion by ensuring both the internal and external protection of the casing in an adjustable manner to take account of the parameters specific to each drilling and which vary with the composition. of water and the nature of the surrounding land.
La protection cathodique a déjà été utilisée pour protéger la surface externe du cuvelage d'un puits ou d'un forage contre la corrosion en enfouissant dans le sol autour du puits des anodes portées à un potentiel positif par rapport au potentiel du cuvelage. Cathodic protection has already been used to protect the external surface of the casing of a well or of a borehole against corrosion by burying in the soil around the well anodes brought to a positive potential with respect to the potential of the casing.
L'invention a pour objet des dispositifs de protection cathodique qui assurent en même temps la protection contre les corrosions de la surface interne immergée du cuvelage et des équipements (pompe, crépine, tubage) immergés dans l'eau du forage. The subject of the invention is cathodic protection devices which at the same time provide protection against corrosion of the submerged internal surface of the casing and of the equipment (pump, strainer, casing) immersed in the borehole water.
On a représenté sur la figure 1 un dispositif de protection cathodique selon l'invention qui comporte, plusieurs conducteurs portés par un câble porteur 7, qui descend dans le forage jusqu'au fond de celui-ci. Chacun des conducteurs alimente une chaîne d'anodes et est alimenté en courant continu par un redresseur séparé 8l...8n ou par toute autre source de courant continu. La
n borne négative des redresseurs est connectée au sommet du cuvelage 3 et il y a continuité électrique entre les différents tronçons du cuvelage.FIG. 1 shows a cathodic protection device according to the invention which comprises, several conductors carried by a carrying cable 7, which descends in the borehole to the bottom thereof. Each of the conductors feeds an anode chain and is supplied with direct current by a separate rectifier 8l ... 8n or by any other source of direct current. The
n negative terminal of the rectifiers is connected to the top of the casing 3 and there is electrical continuity between the different sections of the casing.
L'extrémité inférieure du câble 7 comporte un lest 7a pour éviter que le câhle ne se déplace. The lower end of the cable 7 includes a ballast 7a to prevent the cable from moving.
De plus, le dispositif comporte une anode 9 qui est enfouie dans le sol et qui est constituée par exemple par des tubes ou profilés de récupération en acier doux qui sont portées à un potentiel positif par rapport au cuvelage par un redresseur 9a ou par toute autre source de courant continu. In addition, the device comprises an anode 9 which is buried in the ground and which is constituted for example by recovery tubes or profiles made of mild steel which are brought to a positive potential with respect to the casing by a rectifier 9a or by any other direct current source.
La figure 2 est un schéma sur lequel on a représenté, sous une forme éclatée, le cable 7 composé de six conducteurs 71 à portant chacun à l'extrémité inférieure une chaîne d'anodes 11. Les channes d'anodes sont superposées et plongees dans l'eau située dans le forage. Figure 2 is a diagram in which there is shown, in an exploded form, the cable 7 composed of six conductors 71 each carrying at the lower end a chain of anodes 11. The anode channels are superimposed and immersed in water located in the borehole.
On a représenté sur la figure 2 un dispositif potentiomé trique 101, 102... 10 , associé à chaque redresseur. FIG. 2 shows a potentiometric device 101, 102 ... 10, associated with each rectifier.
n
La figure 3 est une coupe longitudinale partielle représentant un premier mode de réalisation et de disposition des anodes situées à l'intérieur du puits.not
Figure 3 is a partial longitudinal section showing a first embodiment and arrangement of the anodes located inside the well.
Le repère 12 représente un câble porteur qui est par exemple un câble en fibre synthétique s'étendant sur toute la hauteur du puits. The reference 12 represents a carrying cable which is for example a synthetic fiber cable extending over the entire height of the well.
Les repères 71 72...7n représentent les câbles électri- ques portant les chaînes d'anodes. Chaque chaîne d'anode comporte, à l'extrémité inférieure, un premier tronçon ayant une longueur comprise entre 50 et 150 m portant une série d'anodes 11 superposées ayant une hauteur individuelle de 0,50 m par exemple. The references 71 72 ... 7n represent the electrical cables carrying the anode chains. Each anode chain comprises, at the lower end, a first section having a length of between 50 and 150 m carrying a series of superimposed anodes 11 having an individual height of 0.50 m for example.
Ces anodes sont réparties par exemple à raison d'une anode tous les deux mètres, le long d'un câble d'anode 13 ayant par exem
2 ple une section de 25 mm , qui est connecté par une boîte de jonction
2 étanche dont la section varie entre 10 et 55 mm selon la longueur. These anodes are distributed for example at the rate of one anode every two meters, along an anode cable 13 having for example
2 ple a section of 25 mm, which is connected by a junction box
2 waterproof whose section varies between 10 and 55 mm depending on the length.
L'extrémité inférieure de chaque câble d'anode comporte une tête de câble 15 qui sert de lestage. The lower end of each anode cable has a cable head 15 which serves as ballasting.
La figure 4 est une coupe transversale selon IV-IV de la figure 3. On retrouve sur cette figure le câble porteur 12 qui est composé d'une âme centrale A en fibres synthétiques, d'une première enveloppe B en polyéthylène qui protège le câble central du contact de l'eau et d'une gaine externe C en chlorure de polyvinyle qui protège efficacement l'enveloppe du câble contre le chlore naissant. Figure 4 is a cross section along IV-IV of Figure 3. This figure shows the carrying cable 12 which is composed of a central core A of synthetic fibers, a first envelope B of polyethylene which protects the cable central contact of water and an external sheath C in polyvinyl chloride which effectively protects the cable jacket against nascent chlorine.
Autour du câble porteur sont disposés les câbles électriques de liaison 14 et les câbles d'anode 13 portant les anodes 11. Around the carrying cable are arranged the electrical connection cables 14 and the anode cables 13 carrying the anodes 11.
Les câbles de liaison et les câbles d'anode comportent une âme centrale D qui est un câble porteur en acier, des conducteurs en cuivre E, une gaine F en polyéthylène réticulé qui est une gaine isolante électrique résistant à la température de l'eau et une gaine externe G en chlorure de polyvinyle de protection mécanique contre les chocs et de protection contre le chlore naissant. The connection cables and the anode cables include a central core D which is a steel carrying cable, copper conductors E, a sheath F of crosslinked polyethylene which is an electrical insulating sheath resistant to water temperature and an external sheath G made of polyvinyl chloride for mechanical protection against impact and protection against nascent chlorine.
Tous les câbles sont reliés ensemble par des colliers 16 en matière plastique. L'âme centrale D en câble d'acier des cables électriques rend ceux-ci autoporteurs à titre de sécurité en cas de rupture du câble porteur 12. All the cables are connected together by plastic collars 16. The central core D of steel cable of the electric cables makes them self-supporting as a safety in the event of a break in the carrying cable 12.
La figure 5 représente un tronçon de câble d'anode 13 portant une anode 11. L'anode 11 est un ruban de niobium ayant une largeur de 5 mm et une épaisseur de 0,3 mm. Ce ruban est revêtu du côté externe d'un placage de platine ayant une épaisseur de l'ordre de 15 microns. FIG. 5 represents a section of anode cable 13 carrying an anode 11. The anode 11 is a niobium strip having a width of 5 mm and a thickness of 0.3 mm. This tape is coated on the outside with a platinum plating having a thickness of the order of 15 microns.
Comme on le voit sur la figure 5, le ruban composant chaque anode est enroulé en hélice autour de la gaine extérieure du câble d'anode. As can be seen in FIG. 5, the ribbon making up each anode is wound in a helix around the outer sheath of the anode cable.
Chaque anode a une longueur déroulée de l'ordre d'un mètre. Each anode has an unwound length of around one meter.
Elle est enroulée sur une gaine dont le diamètre externe est de l'or- dre de 12,5 imn avec un pas de 19 mm et occupe une hauteur de l'ordre de 50 cm.It is wound on a sheath whose external diameter is of the order of 12.5 mm with a pitch of 19 mm and occupies a height of the order of 50 cm.
Une des extrémités de l'anode, par exemple l'extrémité supérieure, est connectée par une ligature 17 sur les conducteurs en cuivre 13e du câble d'anode, qui sont mis à nu par une découpe des gaines isolantes 13g et 13f. La connexion est placée à l'inté- rieur d'une boîte en matière plastique 18, qui est remplie de résine isolante 19. L'autre extrémité de l'anode est enfermée à l'intérieur d'une bofte de jonction 18, également remplie de résine isolante 19. One end of the anode, for example the upper end, is connected by a ligature 17 to the copper conductors 13e of the anode cable, which are exposed by cutting the insulating sheaths 13g and 13f. The connection is placed inside a plastic box 18, which is filled with insulating resin 19. The other end of the anode is enclosed inside a junction box 18, also filled with insulating resin 19.
il n'est pas nécessaire de connecter les deux extrémités de chaque anode, ce qui entraîne une économie de travaux de connexion.it is not necessary to connect the two ends of each anode, which saves connection work.
Chaque anode 11 est protégée mécaniquement contre les chocs lors de la descente par une cage formée par un grillage métal lique ou par un fil métallique 20 revêtu d'une gaine en matière plastique, par exemple une gaine en chlorure de polyvinyle ou en polyamide. Le fil 20 est placé à une certaine distance de l'anode afin qu'il ne vienne pas en contact avec celle-ci. Le fil 20 va d'une boîte de jonction à l'autre. Each anode 11 is mechanically protected against impact during the descent by a cage formed by a metallic wire mesh or by a metal wire 20 coated with a plastic sheath, for example a sheath made of polyvinyl chloride or polyamide. The wire 20 is placed at a certain distance from the anode so that it does not come into contact with the latter. Wire 20 goes from one junction box to another.
Les anodes souples en ruban 11 sont enroulées sur les câbles d'anode en usine et les câbles portant les anodes peuvent être enroulés sur un touret et livrés sur le chantier prêts à etre descendus dans le forage. Chaque chaîne d'anode comporte un nombre d'anodes variable, mais limité à environ 150 pour tenir compte des chûtes de tension en ligne et de la répartition du courant. Chacune des chaînes d'anode intéresse un tronçon de cuvelage déterminé. Elle est alimentée par un câble de liaison 14 dont la section varie de 2 10 à 55 mm ou plus, selon la profondeur à laquelle se situe la chaîne d'anode. Chaque chaîne d'anode est alimentée séparément, ce qui permet de régler individuellement la tension pour obtenir sur les anodes la différence de potentiel et la densité de courant voulue. The flexible ribbon anodes 11 are wound on the anode cables in the factory and the cables carrying the anodes can be wound on a reel and delivered to the site ready to be lowered into the borehole. Each anode chain has a variable number of anodes, but limited to around 150 to take account of line voltage drops and current distribution. Each of the anode chains involves a specific section of casing. It is supplied by a connecting cable 14 whose section varies from 2 10 to 55 mm or more, depending on the depth at which the anode chain is located. Each anode chain is supplied separately, which allows the voltage to be individually adjusted to obtain the potential difference and the desired current density on the anodes.
Le choix du matériau constitutif des anodes a fait l'objet de recherches particulières et d'essais en laboratoire. The choice of the constituent material of the anodes was the subject of special research and laboratory tests.
Le niobium présente une bonne résistance à la corosion. il est facile à travailler par les procédés métallurgiques, notamment il est facile à fabriquer sous forme de rubans très minces. Il contracte une forte polarisation, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de revê- tir de platine la face interne des rubans quoi est plaquee contre la gaine 13g. La polarisation évite que le courant ne sorte par cette face interne qui n'est donc pas corrodée. Niobium has good corrosion resistance. it is easy to work by metallurgical processes, in particular it is easy to manufacture in the form of very thin ribbons. It contracts a strong polarization, so that it is not necessary to coat platinum the internal face of the ribbons which is pressed against the 13g sheath. The polarization prevents the current from going out through this internal face which is therefore not corroded.
La platine résiste parfaitement à la corrosion meme dans un milieu agressif en présence d'eaux chaudes et chlorées. The plate is perfectly resistant to corrosion even in an aggressive environment in the presence of hot and chlorinated water.
Etant donné sa bonne résistance à la corrosion, la longévité des anodes revetues de platine est très grande, de plusieurs dizaines d'années. Given its good resistance to corrosion, the longevity of anodes coated with platinum is very long, of several decades.
Le platine est facile à appliquer en placage très mince par simple écrasement. Il supporte de fortes densités de courant avec des polarisations très inférieures à celles des autres métaux. C'est un excellent conducteur de l'électricité. Platinum is easy to apply in very thin plating by simple crushing. It supports high current densities with polarizations much lower than those of other metals. It is an excellent conductor of electricity.
Malgré le prix élevé du platine, ses qualités l'on fait choisir comme revêtement des anodes. La quantité mise en oeuvre est relativement faible, de l'ordre de 1,5 à 2 g par anode de 1 mètre de longueur. Despite the high price of platinum, its qualities have made it an anode coating choice. The quantity used is relatively small, of the order of 1.5 to 2 g per anode of 1 meter in length.
il est précisé que le niobium pourrait être remplacé par du thorium ou du tentale, mais le niobium est préférentiel. it is specified that niobium could be replaced by thorium or tental, but niobium is preferable.
On décrira également ci-après un exemple de réalisation d'anodes en tiges de cuivre entièrement recouvertes de platine. An exemplary embodiment of copper rod anodes entirely covered with platinum will also be described below.
Chaque chaîne d'anodes comporte une alimentation indépendante en courant électrique continu constituée par exemple par un redresseur monté en série avec un dispositif potentiométrique permettant un réglage indépendant de la tension appliquée sur chaque câble d'anode. Each chain of anodes comprises an independent supply of direct electric current constituted for example by a rectifier mounted in series with a potentiometric device allowing an independent adjustment of the voltage applied to each anode cable.
Un même redresseur peut alimenter en parallèle plusieurs chaînes d'anodes comportant chacune un potentiomètre indépendant. La tension appliquée en tête de chaque conducteur de liaison 14 est limitée à 48 V pour des raisons de sécurité. The same rectifier can supply several anode chains in parallel, each comprising an independent potentiometer. The voltage applied at the head of each connecting conductor 14 is limited to 48 V for safety reasons.
On règle la tension pour obtenir sur les surfaces métal liques à protéger une densité de courant déterminée en fonction de la nature de l'eau et des terrains encaissants. The voltage is adjusted to obtain a specific current density on the metal surfaces to be protected, depending on the nature of the water and the surrounding land.
La tension à appliquer est calculée et on ajuste ensuite expérimentalement en jouant sur les potentiomètres. The voltage to be applied is calculated and then adjusted experimentally by playing on the potentiometers.
Les câbles d'anode équipés des anodes arrivent sur touret sur le chantier et la mise en place dans le forage est très rapide. The anode cables equipped with the anodes arrive on a reel on the site and the installation in the drilling is very fast.
Le câble porteur porte un lest à son extrémité et il est maintenu suspendu à une poulie située au-dessus du forage. On le descend progressivement au moyen d'un treuil motorisé. Au cours de la descente, on fixe au câble porteur une première chaîne d'anodes qui se déroule d'un touret. The carrying cable carries a ballast at its end and it is kept suspended from a pulley located above the borehole. It is gradually lowered by means of a motorized winch. During the descent, a first chain of anodes is attached to the carrying cable, which unwinds from a reel.
Lorsque la longueur voulue est déroulée, on connecte l'ex- trémité de cette première chaîne sur un câble de liaison et on continue à descendre le câble de liaison et une deuxième chaîne d'anodes et ainsi de suite. Le nombre de câbles réunis par des colliers au câble porteur passe progressivement de 1 à n. Le câble porteur est ensuite fixé en tête du forage et les câbles électriques de liaison sont connectés chacun sur un potentiomètre qui est lui-même connecté sur un redresseur dont la borne négative est connectée à la tete du cuvelage 3. When the desired length is unwound, the end of this first chain is connected to a connecting cable and the connecting cable and a second chain of anodes are continued to descend, and so on. The number of cables joined by collars to the carrying cable progressively goes from 1 to n. The carrying cable is then fixed at the head of the borehole and the electrical connection cables are each connected to a potentiometer which is itself connected to a rectifier whose negative terminal is connected to the head of the casing 3.
La protection extérieure du cuvelage est obtenue en enfouissant dans le sol à une distance du forage de plusieurs centaines de mètres, une ou plusieurs masses de ferraille 9 qui sont connectées à la borne positive d'un redresseur dont la borne négative est connectée à la tête du cuvelage 3. Les masses 9 sont enrobées de préférence d'un produit bon conducteur, par exemple de la bentonite humectée d'un liquide contenant des ions conducteurs si nécessaire. The external protection of the casing is obtained by burying in the ground at a drilling distance of several hundred meters, one or more masses of scrap 9 which are connected to the positive terminal of a rectifier whose negative terminal is connected to the head. of the casing 3. The masses 9 are preferably coated with a good conductive product, for example bentonite moistened with a liquid containing conductive ions if necessary.
Les masses 9 sont arrosées périodiquement ou en permanence pour maintenir l'humidité du sol et un bon degré de conduction électrique. The masses 9 are watered periodically or permanently to maintain the humidity of the soil and a good degree of electrical conduction.
On peut aussi utiliser comme anode externe des barres métalliques par exemple des barres en ferro-silicium plantees dans le sol à plusieurs centaines de mètres de la tête de forage. Metal bars can also be used as the external anode, for example ferro-silicon bars planted in the ground several hundred meters from the drilling head.
La figure 6 représente schématiquement, en coupe verticale, un tronçon d'un deuxième dispositif de protection cathodique selon l'invention. FIG. 6 schematically represents, in vertical section, a section of a second cathodic protection device according to the invention.
La figure 7 est une coupe transversale selon Vil-Vil de la figure 6. Figure 7 is a cross section along Vil-Vil of Figure 6.
Ces deux figures représentent un dispositif qui est descendu dans un forage profond et qui comporte un câble central porteur 21, par exemple un câble en fibres synthétiques du type polyamides ou équivalent. Autour de ce câble, sont disposés quatre câbles électriques 22 qui comportent un conducteur 22a, isolé par une gaine 22b. These two figures represent a device which is lowered into a deep borehole and which comprises a central carrying cable 21, for example a cable made of synthetic fibers of the polyamide type or equivalent. Around this cable, are arranged four electric cables 22 which comprise a conductor 22a, insulated by a sheath 22b.
En variante, les câbles 22 peuvent être du meme type que les câbles 13 et 14 de la figure 4. As a variant, the cables 22 can be of the same type as the cables 13 and 14 in FIG. 4.
Le cable porteur 21 et les cabales conducteurs 22 sont placés à l'intérieur d'une première gaine cylindrique 24 en matière plastique. The carrying cable 21 and the conductive cabals 22 are placed inside a first cylindrical sheath 24 made of plastic.
Les anodes 25 sont placées verticalement à l'extérieur de la gaine 24 à laquelle elles sont fixées par des colliers 26 en matière plastique. Le dispositif comporte, en outre, un câble 27 qui est diamétralement opposé aux anodes pour rétablir la symétrie. Ce câble 27 comporte une âme en fibres synthétiques entourée d'une gaine en matière plastique. The anodes 25 are placed vertically outside the sheath 24 to which they are fixed by collars 26 made of plastic. The device further comprises a cable 27 which is diametrically opposite the anodes to restore symmetry. This cable 27 comprises a core of synthetic fibers surrounded by a plastic sheath.
La figure 8 est une coupe longitudinale d'une anode 25 et la figure 9- est une coupe transversale de la figure 8. FIG. 8 is a longitudinal section of an anode 25 and FIG. 9 is a cross section of FIG. 8.
L'anode 25 est composée d'une tige en cuivre 25a, par exemple une tige de 80 cm de long et de 1,6 cm de diamètre, qui est entièrement revêtue d'un placage en platine très mince 25b, par exemple de 20 microns d'épaisseur. The anode 25 is composed of a copper rod 25a, for example a rod 80 cm long and 1.6 cm in diameter, which is entirely coated with a very thin platinum plating 25b, for example 20 microns thick.
On voit sur la figure 6 que les anodes sont connectées par paires sur un même conducteur 224. La figure 8 représente par exemple l'anode inférieure d'une paire. We see in Figure 6 that the anodes are connected in pairs on the same conductor 224. Figure 8 shows for example the lower anode of a pair.
L'extrémité inférieure est engagée dans une boîte en matière plastique 28 remplie de résine isolante 29. The lower end is engaged in a plastic box 28 filled with insulating resin 29.
L'extrémité supérieure de la tige 25a est brasée sur un conducteur en cuivre 30 qui est connecté sur un câble anodique souple 31. La brasure et la connexion électrique sont enfermées dans une botte de jonction en matière plastique 32 qui est remplie de résine isolante 33. The upper end of the rod 25a is brazed on a copper conductor 30 which is connected to a flexible anode cable 31. The solder and the electrical connection are enclosed in a plastic junction boot 32 which is filled with insulating resin 33 .
Chaque anode comporte une protection mécanique contre les chocs et les contacts intempestifs qui est constituée par exemple par des tiges 34 reliant entre elles les deux bottes de jonction, qui sont séparées de l'anode par des bagues isolantes 35 et autour desquelles est enroulé, en hélice, un fil 36, qui est un fil métallique revêtu de matière plastique. Le fil enroulé en hélice peut être remplacé par un grillage plastifié ou en matière plastique. Each anode comprises a mechanical protection against shock and untimely contact which is constituted for example by rods 34 connecting together the two junction boots, which are separated from the anode by insulating rings 35 and around which is wound, in helix, a wire 36, which is a metal wire coated with plastic. The helically wound wire can be replaced by a plastic or plastic mesh.
On voit sur la figure 6 la connexion entre deux anodes et l'un des câbles 22. FIG. 6 shows the connection between two anodes and one of the cables 22.
Une ouverture est réalisée dans la gaine 24 pour accéder au câble 22 et l'on fixe sur celui-ci un collier 37 comportant un pointeau à vis 37a permettant de réaliser le contact électrique avec le conducteur 22a. Les deux câbles souples 31 sont-connectés sur le collier 37. An opening is made in the sheath 24 to access the cable 22 and a collar 37 is fixed thereon having a screw needle 37a for making electrical contact with the conductor 22a. The two flexible cables 31 are connected to the collar 37.
Une fois la connexion effectuée, on enveloppe l'ouverture pratiquée dans la gaine et les câbles 31 dans une boîte de jonction remplie de résine isolante 38. Once the connection has been made, the opening made in the sheath and the cables 31 is wrapped in a junction box filled with insulating resin 38.
Les anodes selon les figures 6 à 9 sont des anodes rigides qui doivent être branchées en dérivation sur les conducteurs sur le chantier à mesure que l'on descend les câbles dans le forage. The anodes according to FIGS. 6 to 9 are rigid anodes which must be branched to the conductors on the site as the cables are lowered into the borehole.
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FR8113372A FR2508971A1 (en) | 1981-07-03 | 1981-07-03 | Cathodic protection of deep water borehole lining against corrosion - by immersing rows of anodes fed with DC to successive depths in water in borehole |
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Cited By (3)
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FR2508971B1 (en) | 1984-07-13 |
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