Uprawniony z patentu: Continental Oil Company, Ponca City (Stany Zjednoczone Ameryki) Urzadzenie do ochrony katodowej rur Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do ochro¬ ny (katodowej «rur za pomoca anody protektorowej.Urzadzenie wedlug wynalazku nadaje sie zwla¬ szcza do ochrony rur wiertniczych, w których sto¬ suje sie anode protektorowa w przestrzeni, gdzie prawdopodobienstwo uszkodzen jest najwieksze.Zmaczenie korozyjne w rurach wiertniczych by¬ lo przez dlugi czas uznawane jako zasadnicza przy¬ czyna uszkodzen rur wiertniczych. Zmeczenie ko¬ rozyjne i powstajace pekniecia w rurach wiertni¬ czych powoduja znacznie wczesniej ich wymiane nawet w przypadku braku wyraznego zuzycia na zlaczach lub korpusie rury. Niewyfcryte zmeczenie korozyjne i powstajace pekniecia sa czesto rezul¬ tatem wymywania lub tez czesto nadmiernego skrecania wystepujacego w pracach wiertniczych.Powoduje to nadmierne zwiekszenie kosztów a jednoczesnie przedluzone i zakonczone niepowodze¬ niem operacje wiertnicze. Ponadto powoduje to strate najbardziej kosztownej czesci wykonywane¬ go wiercenia oraz odpowiedniej czesci swidra.W celu usuniecia tych niedogodnosci stosowane sa rózne rozwiazania majace na celu wyeliminowa¬ nia uszkodzen spowodowanych zmeczeniem koro¬ zyjnym. Znane jest stosowanie zmiany srodowiska przez uzycie pluczek wiertniczych o wysokiej war¬ tosci pH, stosowanie oczyszczaczy tlenowych, uni¬ kanie zanieczyszczen sola oraz stosowanie inhi¬ bitorów korozji. Ponadto znane jest redukowanie naprezen zginajacych przez zwiekszenie kontroli 10 is •o wyboczenia oraz dokladny dobór pierscieni wiertni¬ czych. Poza tym znane jest stosowanie wykladziny wewnetrznej z tworzywa sztucznego. Wszystkie znane rozwiazania nie zapewniaja dobrych wyni¬ ków pracy i dlatego konieczne sa równiez okreso¬ we przeglady rur wiertniczych dla wykrycia ko¬ rozji i pekniec. Nie zapewnia to jednak koniecznej ochrony i tym samym nie zapewnia unikniecia strat.Przy stosowaniu plynów zabezpieczajacych ko¬ nieczne jest aby byly znane warunki panujace w dolnej czesci otworu, poniewaz od tego jest zalezny rodzaj stosowanego plynu oraz jego ilosc.Czesto zdarza sie zastosowanie niewlasciwej ilo¬ sci inhibitora, który w rezultacie dziala szkodliwie.Przy zabezpieczaniu rury wiertniczej przed wyto¬ czeniem konieczne sa dodatkowe elementy usztyw¬ niajace, co jednak równiez nie zapewnia dobrych wyników. Stosunkowo najlepsze wyniki daje sto¬ sowanie wykladziny z tworzywa sztucznego, jest jednak limitowane jakoscia tej wykladziny, to zna¬ czy gdy wystapi na przyklad jej przeklucie wtedy ciecz korodujaca przedostaje sie przez powstaly otworek i powoduje korozje powierzchni rury.Okresowe sprawdzanie rur umozliwia usuwanie zu¬ zytych lub skorodowanych czesci. Korozja wyste¬ puje jednak czesto tak szybko, ze okresowe bada¬ nia nie zapewniaja jej wykrycia w odpowiednim czasie, aby zabezpieczyc rure przed zniszczeniem.Jak wynika z powyzszego wszystkie znane roz- 81 MS82 08 8 wiazania maja te wade, ze nie zapewniaja calko¬ witej ochrony rur wiertniczych przed uszkodzenia¬ mi korozyjnymi.Celem wynalazku jest wyeliminowanie wad zna¬ nych rozwiazan i zabezpieczenie wewnetrznej po- 5 wierzchni rur przed zniszczeniem korozyjnym.Cel ten osiagnieto przez opracowanie urzadzenia wedlug wynalazku, sluzacego do przeciwkorozyjnej ochrony katodowej rur, a zwlaszcza rur wiertni¬ czych, za pomoca anody protektorowej. Anode pro- *• tektorowa stosuje sie w miejscach najbardziej na¬ razonych na zniszczenie korozyjne, przy czym umie¬ szcza sie ja w ten sposób, ze przeplyw wewnatrz rury pozostaje nie zaklócony.Anody protektorowe stosowano juz do ochrony 15 gwintów, jednakze zastosowanie ich do ochrony przeciwkorozyjnej rur oraz zwiazane z tym roz¬ wiazanie konstrukcyjne stanowi calkowita nowosc.Rozwiazanie wedlug wynalazku charakteryzuje sie tym, ze na kazdym koncu rury o powiekszonej * srednicy zewnetrznej znajduje sie gwint sluzacy do dokonywania polaczen rozlacznych, oraz anoda pro¬ tektorowa i elementy do jej mocowania co naj¬ mniej przy jednym poszerzonym koncu rury.Urzadzenie wedlug wynalazku sluzace zwlaszcza 2S do ochrony przeciwkorozyjnej rur wiertniczych daje bardzo dobre wyniki przy wykonywaniu wier¬ cen w formacjach podziemnych. Jest powszechnie wiadome, ze przy wierceniach takich jakie zwykle sa stosowane do wykonywania odwiertów nafto- * wych, najwieksze uszkodzenia rur wystepuja przy obracaniu lub uderzaniu rury. Wiadomo ponadto, ze najczesciej uszkodzenia wystepuja w odleglosci okolo 90 cm od kazdego konca rury.Oprócz pekniec na wewnetrznej powierzchni ru- 3o ry wystepuja wzery korozyjne. Uszkodzenia te po- . woduja równiez zniszczenia na zewnetrznej po¬ wierzchni rury takie jak rysy, szczerby i podobne.Zniszczenia wystepuja najczesciej w miejscach, gdzie wytwarzaja sie pekniecia z wzerek korozyj- 40 nych.Rozwiazanie wedlug wynalazku jest przedstawio¬ ne przykladowo na rysunku, na którym fig. 1 po¬ kazuje schematycznie anode protektorowa zastoso¬ wana do ochrony rury wiertniczej, a fig. 2 — gra- 45 ficzna ilustracje uzyskiwanej ochrony.Odcinek 1 rury wiertniczej majacy zewnetrzny odcinek gwintowany, zawiera wglebienie 2 sluzace do umieszczenia w nim anody protektorowej 3.Anoda 3 ma wymiar srednicy dostosowany do mo- 50 cowania we wglebieniu 2 posiada weisk, wtlaczania na goraco lub tez mocowania innymi podobnymi sposobami, zapewniajacymi dobra stycznosc elek¬ tryczna anody 3 z odcinkiem 1 rury wiertniczej.Drugi odcinek 4 rury wiertniczej zawiera gwint 55 wewnetrzny, który sluzy do laczenia odcinka 4 z odcinkiem 1 w celu utworzenia zlacza otaczajace¬ go anode protektorowa 3. Wglebienie 2 ma ksztalt i wymiary dobrane tak, aby byla zachowana wy¬ magana wytrzymalosc zlaczau Anoda protektorowa 60 równiez ma rozmiar i ksztalt zgodny z ksztaltem i rozmiarami wglebienia, najlepiej jednak jezeli anoda ma rozmiary zabezpieczajace pasowanie wci¬ skowe, przy umieszczaniu jej we wglebieniu 2, przy czym ksztalt anody jest równiez tak dobra- 63 4 ny, aby nie hamowac przeplywu wewnatrz rury wiertniczej. Korzystny ksztalt anody protektorowej stanowi tuleja o dlugosci równej dlugosci wgle¬ bienia 2. Jest zrozumiale, ze urzadzenie wedlug wynalazku nie ogranicza sie do opisanego wyzej ksztaltu anody, który podany zostal tylko przy¬ kladowo i jest oczywisty, ze moga byc stosowane rózne inne odpowiednie uksztaltowania, mieszczace sie w okresie wynalazku.Umieszczona w zlaczu anoda protektorowa sta¬ nowi element usztywniajacy tego zlacza i zapewnia ochrone katodowa.Stwierdzono, ze po zastosowaniu urzadzenia we¬ dlug wynalazku w miejscach, w których uszkodze¬ nia wystepuja najczesciej, ilosc- tych uszkodzen zo¬ stala znacznie zmniejszona.Najbardziej odpowiednie do zastosowania jako metale anodowe sa metale mniej szlachetne niz metal, z którego jest wykonana rura, a mianowi¬ cie magnez i stopy magnezu, glin i stopy glinu oraz cynk i stopy cynku.Ponizej podane sa przykladowo rodzaje korzy¬ stnie stosowanych stopów: Skladnik stopowy •/o wagowe glin cynk i mangan zelazo nikiel miedz cyna bor krzem | kadm Podstawa stopu glin 6.0 — 8.0 0.10 max 0.01 max 0.009 max 0.08 — 0.16 0.02 — 0.07 0.10 max magnez 5.0 — 7.0 2.5 — 3.5 0.15 min 0.003 max 0.002 max 0.02 max 0.10 max cynk 0.10 | 002 max 0.05 Wymienione wyzej stopy podane sa tylko przy¬ kladowo i nie ograniczaja rodzaju stosowanych stopów.Okazalo sie, ze przez zastosowanie anody pro¬ tektorowej wedlug wynalazku uzyskuje sie ochro¬ ne katodowa przy zlaczach oraz na najwazniej¬ szych powierzchniach po kazdej stronie zlacza, co zasadniczo redukuje korozje i wynikajace z niej uszkodzenia. Tak wiec rozwiazanie wedlug wyna-^ lazku zapewnia calkowicie wymagana ochrone rur wiertniczych. Dalsze wlasciwosci i mozliwosci sto¬ sowania rozwiazania wedlug wynalazku sa wy¬ jasnione dokladniej w podanych nizej przykla¬ dach.Przyklad I. Badanie przeprowadzono dla okreslenia skutecznosci ochrony stosujac rure sta¬ lowa S-135. Stalowa rura wiertnicza S-135 zostala dlatego wybrana do badan, ze wytrzymalosc zme¬ czeniowa tego rodzaju rur jest bardzo dokladnie okreslona w literaturze. Jako czynnik korodujacy zastosowano sztuczna wode morska przygotowana przez zmieszanie 155,9 g ASTM (Formula A) z 4,5 1 wody wodociagowej. Otrzymano mieszanine o skla¬ dzie podanym w procentach wagowych: NaCl — 58,49Vo; MgCl2 • 6H20 — 26,46, NaS04 — 9,75, CaCl2 — 2,765, KC1 — 1,645, Na,HC03 — 0,477, KBr — 0,238, H3BO3 — 0,071, SrCl2 * 6H20 — 0,095.82 083 Badania przeprowadzono poddajac próbki rur wiertniczych wielokrotnemu zginaniu. Próbke o srednicy 6 mm obracano z szybkoscia 1700 obr/min, pod obciazeniem zginajacym. Po dokladnym uszczelnieniu konców rury zostala ona calkowicie zanurzona. Zastosowano oddzielny zbiornik, rury t pompe dla utrzymywania stalej cyrkulacji okolo 150 cmtymin sztucznej wody morskiej dokola za¬ nurzonej próbki.Uzyskane dane sa podane w tabeli I.Tabela I Wartosci zmeczenia korozyjnego próbki stalowej rury wiertniczej S-135 poddanej ochronie katodo¬ wej w napowietrzonej wodzie morskiej Potencjal (Ag—Ag Cl) 0,685 V | 0,725 V 0,750 V Poten¬ cjal Shift MV** 30 75 100 Wspólczynniki sredniego czasu zycia*) Maksymalne naprezenie przy wielokrotnym zginaniu, kg/cml 80,000 2,22 4,23 3,78 65,000 7,55 4,30 8,07 60,000 6,48 15,30 50,000 7,65 7,59 *) Stosunek sredniego czasu zycia próbek chronionych katodowo do sredniego czasu zycia próbek niechronio- nych poddawanych takiemu samemu naprezeniu w na¬ powietrzonej wodzie morskiej. **) róznica pomiedzy regulowanym potencjalem ochro¬ ny i swobodnym potencjalem korodujacym wyznaczona eksperymentalnie dla niechronlonych próbek poddawa¬ nych okresowym naprezeniom w napowietrzonej wodzie morskiej.Do badan zastosowano próbke rury wiertniczej o podanych ponizej wlasnosciach.Granica plastycznosc (0,2% uchybu) — 11 kg/cm2 Wydluzenie przy 5 cm dlugosci pomiarowej — 16% Wytrzymalosc na rozciaganie — 12 kg/cm* Twardosc wedlug Rookwella — 36,0 — 36,6 Zastosowano podane ponizej skladniki stopowe. wegiel mangan fosfor siarka chrom nikiel molibden miedz wanad glin krzem — 0,32% wagowych — 1,71% wagowych — 0,002% wagowych — 0,01% wagowych — 0,04% wagowych — 0,09% wagowych — 0,48% wagowych — 0,09% wagowych — 0,03% wagowych — 0,01% wagowych — 0,20% wagowych.Badania wszystkich próbek po uszkodzeniu albo po zakonczeniu badan wykazaly obecnosc drobnych wapniowych zluszczen na zanurzonej czesci prób¬ ki. Po usunieciu tych zluszczen osadzonych na kaz¬ dej próbce za pomoca kwasu solnego, próbki by¬ ly badane pod mikroskopem. Oczyszczone powierz¬ chnie mialy wyglad nowych nie stosowanych do pracy powierzchni i nie mialy zadnych spekan ani sladów korozji.Przy wszystkich wielkosciach stosowanego pod* 10 15 20 35 40 45 50 55 60 czas badan naprezenia uzyskano istotne przedlu¬ zenie zywotnosci rur wiertniczych. Wynika z tego, ze opisane rozwiazanie stanowi efektywne zabez¬ pieczenie przed korozja i przedluza zywotnosc rur.Po wyznaczeniu'skutecznosci zastosowanego po¬ tencjalu do zapobiegania zniszczeniom korozyjnym, okreslono nastepnie skutecznosc anody protektoro¬ wej w podobnym zastosowaniu. Zgodnie z tym przeprowadzono dalsze badania przy zastosowaniu rur ze stali weglowej dla wyznaczenia skutecznosci anody protektorowej. Do badan uzyto odcinki rury wiertniczej z anoda ze stopu aluminiowego, za¬ wierajacego skladniki stopowe wymienione poni¬ zej, przy czym ich udzial jest podany w procentach wagowych: cynk — 6,8 do 8,0, cyna — 0,08 do 0,16; bor — 0,2 do 0,07; zelazo — 0,10 maximum, nikiel — 0,01 maximum; miedz — 0,009 maximum; krzem — 0—10 maximum. Zastosowano jako czynnik ko¬ rodujacy ASTM napowietrzona wode morska.Podczas badan stosowano wymuszony przeplyw wody morskiej poprzez rure. Urzadzenie do mie¬ rzenia potencjalu zostalo wprowadzone do wnetrza rury i pomiarów dokonywano przy wewnetrznej powierzchni rury w róznych odleglosciach od ano¬ dy. Dane wynikowe sa przedstawione graficznie na fig. 2 Tysunku. Stwierdzono, ze róznica potencjalów zmniejsza sie, gdy wzrasta odleglosc od anody pro¬ tektorowej, na okolo 90 cm, co jest zilustrowane krzywymi wykresu na fig. 2. Zjawisko to tluma¬ czy sie uksztaltowaniem geometrycznym elemen¬ tów badanych i nie jest prawdopodobne aby swiad¬ czylo ono w istotny sposób o przebiegu ochrony rur ogólnia Nie jest bowiem wiadome dlaczego róz¬ nica potencjalów nie zmniejsza sie w sposób cia¬ gly przy zwiekszaniu odleglosci od anody. Stwier¬ dzono w wiekszosci przypadków, ze róznica poten¬ cjalów zapobiega w sposób zasadniczy korozji przy odleglosci od anody wynoszacej co najmniej 90 cm. Przy wykonywaniu pomiarów po 48 godzinach, przestrzenie oddalone od anody o okolo 60 cm oka¬ zaly sie slabo skorodowane i dlatego przypuszcza sie, ze proces korozji moze w tych obszarach wy¬ stapic.Po dluzszym czasie pracy wszystkie badane ob¬ szary znajduja sie poza zasiegiem potencjalu ko¬ rodujacego. Z tego wynika, ze proces korozji zosta¬ je zahamowany po wymaganym okresie stosowania anody protektorowej wedlug wynalazku.Wszystkie wartosci potencjalu byly mierzone w odniesieniu do elektrody chlorosrebrnej. Stwierdzo¬ no, ze potencjal korodujacy powstaje po 24 go¬ dzinach. Poniewaz potencjal ten nie jest staly, ko¬ nieczne jest stabilizowanie go natychmiast po zetk¬ nieciu sie wszystkich elementów zespolu.W rozwiazaniu wedlug wynalazku anoda pro¬ tektorowa zainstalowana jest w taki sposób, ze naj¬ bardziej intensywna ochrona jest zapewniona w obszarach, gdzie mozliwosc uszkodzen jest najwiek¬ sza. Ponadto anoda protektorowa zainstalowana jest w taki sposób, ze nie wystaje do wewnetrznej przestrzeni rury, tak wiec nie powoduje ona zad¬ nych zaklócen przeplywu wewnatrz rury. Ta za¬ leta jest bardzo istotna podczas pracy, gdy plyny sa pompowane w dól przy operacjach wiercenia lub7 88 088 8 podobnych, a zwlaszcza jest to wazne gdy anoda protektorowa jest wykonana z metalu mniej od¬ pornego na erozje pod dzialaniem plynów, niz rura. PL PL PL PL PL PL PL PL