油井井下管串和联合站储油罐阴极保护

油井井下管串和联合站储油罐阴极保护技术

一、项目开展的必要性和重要性

幸福油田属复杂断块油田，油藏埋藏深，断块之间的岩性差异大，油井产出液具有“六高一低”特点：即矿化度高、CL-含量高、CO2含量高、H2S含量高、细菌含量高、温度高、pH值低，显弱酸性。目前幸福油田共有油井775口,随多年的强注强采,井均含水升高，井下技术状况逐年变差，当含水＞74.02%时产出液换相，即油包水型转换为水包油型，管杆表面失去了原油的保护，产出水直接接触金属，井下油管与抽油杆偏磨部位防护层脱落，腐蚀日趋严重，腐蚀速度增大，偏磨腐蚀相互作用，相互促进，在井温和摩擦表面产生热能的作用下，使管杆表面铁分子活化，成为电化学腐蚀的阳极，在产出液强腐蚀电解质的作用下，形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，加剧了井下管杆泵及地面集输干线、生产阀组、联合站储油罐、分离器、等系统的腐蚀，具有较大的破坏性。

统计分析：2001年偏磨腐蚀油井228口，偏磨腐蚀占频繁作业井数的66.5%，因偏磨腐蚀造成抽油井检泵作业的工作量占全年检泵作业工作量总和的35.55%，管、杆的使用寿命也因偏磨腐蚀而缩短了40∽60%，因油井频繁躺井，修井作业工作量大，费用高；在油井支干线2001年穿孔数约851次，增加了工农赔偿及环境污染费用。因此，高含水油田开发后期井筒、地面生产设备的严重腐蚀已成为影响油田正常开发的重要技术难题，推广创新实施阴极保护技术，是降低生产成本的有效途径之一。

主要解决问题：①对偏磨腐蚀严重油井、大排量提液油井、边缘零散油井，使井下管串长期不间断得到保护，解决边缘零散井液体缓蚀剂加药施工困难，特别是对电泵井油井，加药使用量、加药时间更难掌握的问题，减少成本支出；②解决并减缓井下管串偏磨表面的活化

性和管串材质性能差异所形成的大阴极小阳极的电化学腐蚀，延长油井生产周期，增加原油产量。③解决常规油井加液体缓蚀药剂配方多变，浓度不一，加药施工还需要配备专门泵车及配液池，占用人力多，加药周期及加药量不易确定，造成缓蚀剂实施效果差的等问题。④减缓生产系统（输油干线、储油罐、联合站）等设备的腐蚀、延长生产系统相关设备的使用周期。

二、生产系统腐蚀的主要原因分析

1、井斜导致偏磨，从而加剧腐蚀

（1）、井斜原因

首先，在钻井过程中，随着钻井深度的增加和油田开发需用，所钻油井当井深超过600-800m以后，钻头与井口的同心度变差。从纵向上看，井筒是一条弯曲旋扭的线条。其次，在油田开发过程中，地层蠕变造成套管变形，使井段出现弯曲，俗称“狗腿子”，严重时会造成油井报废。

（2）、偏磨原因

①由于套变和井斜，使井下

抽油杆的综合拉力F或综合重力W

产生了一个水平分力N，在水平分

力N(正压力)的作用下，抽油机上

下冲程中，在水平分力N

的作用下，抽油杆与油管产生摩擦（上、下冲程受力分析示意图1）。

②生产参数对偏磨的影响

A、冲程与冲次的影响：在偏磨腐蚀的油井中，冲程短、冲次高时，

偏磨的部位相对较小，偏磨次数频繁，磨损较严重，破坏力大。

B、底部抽油杆弯曲的影响：抽油杆弯曲产生于下冲程。下冲程时，

抽油杆主要受两个方向的力：一个是自身在液体中向下的重力，另一个就是活塞下冲程时受到向上的阻力。阻力随着活塞直径、抽油杆在油管内的各种摩擦阻力、抽油泵冲次以及液体运动粘度的变大而加大。而两个方向力的平衡点，即中性点，在中性点以上抽油杆呈拉伸状态，中性点以下的抽油杆受压而弯曲，由于抽油杆弯曲，使抽油杆与油管发生偏磨。

③油管弯曲与抽油杆磨损：抽油杆在上冲程时，游动凡尔关闭，活塞带动油管内介质上移。由于管内介质的重力、油管与管内介质和抽油杆的阻力作用，使抽油杆拉直，而油管在中性点以下产生弯曲，使管杆接触产生磨损。油管弯曲造成的偏磨主要局限于泵上部附近，即中性点以下到泵位置。中性点位置又与泵以下尾管的长度有关。若尾管加长，则泵下油管的重量加大，就可以把弯曲应力抵消。

④产出液对偏磨腐蚀的影响

A、综合含水的影响：随开发时间的延长，产出液综合含水逐年上升，偏磨腐蚀的油井逐渐增多。2001年统计，偏磨腐蚀井数达到228口。其原因：当油井含水大于74.02%时产出液换相，由油包水型转换为水包油型，管杆表面失去了原油的保护作用，产出水直接接触金属，腐蚀速度增大。润滑剂由原油变为产出水，失去原油润滑作用，油管内壁和抽油杆磨损速度加快，磨损严重。

同样生产状态的油井含水低和不含水生产时没有偏磨现象，含水升高后偏磨现象严重；在偏磨的同一位置，抽油杆接箍磨蚀严重而油管磨蚀较轻。抽油杆杆体和接箍材质相同的井偏磨较轻，而更换新接箍的井接箍的磨蚀速度反而加快；很多井身斜度不大的井高含水后，偏磨程度增加。

B、腐蚀介质影响：幸福油田油井产出水具有“六高一低”特点：即矿化度高（6×104～30×104mg/l）：Cl-含量高(2×104～11×

104mg/l)，CO2含量高（20～400mg/l），H2S含量高（0∽30mg/l）、细菌含量高（10×104～104个/ml），温度高（80～120℃），pH值低（5.0～6.5），显弱酸性。产出水中存在如下反应：

CO2+H2OH→H++HCO3- Fe+H2S→FeS↓+H2↑ H++CL-→ HCL

产出水中H2S与铁反应生成FeS和H2，对油管和抽油杆在强腐蚀体系中产生氢脆腐蚀。

C、偏磨和腐蚀具有同效应：偏磨和腐蚀并不是简单的叠加，而是相互作用，相互促进，二者结合具有更大的破坏性。

管、杆偏磨，表面氧化层保护膜或防护层脱落，在井温和摩擦表面产生热能的作用下，使管杆表面铁分子活化，而产出液具有强腐蚀性，使偏磨处优先被腐蚀。

由于偏磨处表面被活化，成为电化学腐蚀的阳极，从而形成了大阴极小阳极的电化学腐蚀，而产出液是强电解质，对电化学腐蚀起到了催化作用，更加剧了腐蚀。

由于腐蚀，使管杆偏磨表面更粗糙，从而磨损更严重。

D、抽油井偏磨与电化学腐蚀

以上这些现象都说明：抽油井偏磨并不仅仅是两种金属因磨擦产生的磨损，偏磨还包含许多化学腐蚀的原因，特别在含水较高的抽油井中由于地层产出水矿化度高，使油管和抽油杆处于一种强电解质中，油管、抽油杆接箍等不同材料的金属在地层液的强电解质中，产生电化学腐蚀。由于抽油杆腐蚀的阳极被腐蚀，其机械性能大幅度下降，而使腐蚀速度加快。

E、缝隙腐蚀和冲蚀明显：由于产出液含水较高及产出水的强腐蚀性，使油管、抽油杆丝扣连接处产生缝隙腐蚀。另外，由于产出水对油管公扣外缘的冲刷作用，再加上产出水的强腐蚀性，发生冲蚀，易使油管公扣老化。油管丝扣连接处在偏磨腐蚀、缝隙腐蚀和冲蚀的综