油井套管的描述和腐蝕危險的起因

18.1 油井套管的描述

在油氣田和油氣藏，要在井筒里下人套管以增強油氣井的穩定性。根據井的深度和運行條件，在接近地表的井簡(jiǎn)里幾根套管要套接在一起(稱(chēng)為套接式油井套管，見(jiàn)圖18-1)。在外層套管與周?chē)貙訋r石之間的環(huán)形空間里要注人水泥，直到新井地面的整個(gè)井筒深度，目的是封堵上部地層，隔開(kāi)淡水地層與鹽水地層，并靠它承受周?chē)鷰r石土層的擠壓力。只要沒(méi)有延伸的電池腐蝕影響，或者沒(méi)有外來(lái)陽(yáng)極干擾，腐蝕防護總是有效的。并筒套管里注水泥時(shí)，在整個(gè)套管表面水泥的分布通常是很不均勻的，總是有些管段沒(méi)有水泥覆蓋或者只有極薄的一點(diǎn)水泥覆蓋在表面。"

早年的井筒套管，往往只在油氣生產(chǎn)層段以及它們的上部地層注水泥。無(wú)水泥的層段里含有殘余的鉆井泥漿和大小不等的巖石顆粒。鉆井過(guò)程的循環(huán)泥漿里含有硫酸鋇和水的懸浮液，它們密度很高，而且常含有鹽分，這會(huì )促進(jìn)腐蝕電池的作用。

18.2 腐蝕危險的起因

通常只在油井外套管部分注水泥的做法往往導致在到無(wú)覆蓋層的較短的過(guò)渡區域里形成電池(水泥中的鋼/土壤里的鋼)(見(jiàn)4.2節和4.3節)。與人們熟悉的地表面附近“鋼土壤”的陰極情況不同，注人水泥的鋼陰極活性是受限制的，因為在潮濕狀態(tài)下，氧的進(jìn)人受到阻礙(見(jiàn)5.3.2節)。因此，預期主要在地表附近的土壤里會(huì )發(fā)生以“鋼-水泥”作為陰極的腐蝕電池的腐蝕[見(jiàn)圖 4-3(d)]。

18.2.1 腐蝕電池的形成

由于不同油氣井之間通過(guò)輸油管線(xiàn)建立起電連接，因自然腐蝕電位的差異，所以在不同油氣井之間會(huì )有電池電流流動(dòng)，由此使這些井起到電池中的陰極或者陽(yáng)極的作用。這樣的電流量可以達到幾安培，因此會(huì )造成嚴重的腐蝕破壞。在鉆井與油田之間安裝絕緣裝置

就能夠阻止這些電池的活動(dòng)。

用第18.3.1節描述的油井剖面曲線(xiàn)測量技術(shù)能夠查明受到腐蝕威脅的井下套管的井段位置，但是，這種油井剖面曲線(xiàn)測量技術(shù)一般無(wú)法識別哪些因素是造成腐蝕破壞的主要因素。

在油氣井整個(gè)深度上，井下套管要穿過(guò)若于種不同的地質(zhì)地層，包括鹽水層和惰性基巖。此外，根據地層條件，還會(huì )有腐蝕性氣體(CO、HS)，并且不同地層的溫度差異可能高達50℃。這些因素都增加了深層土質(zhì)的腐蝕性，因為地層里的鹽分和形成的濃差電池會(huì )限制套管表面保護膜的形成[見(jiàn)圖4-3(b)、圖4-3(c)]。18.2.3 發(fā)生應力腐蝕的條件

18.2.2 不同土層的自然腐蝕

隨著(zhù)深度的增加，并下套管受到越來(lái)越高的溫度的影響，加上不斷增加的拉應力作用，所以存在應力腐蝕的危險。根據第2.3.3節的數據，在套管實(shí)施陰極保護的情況下按照式(2-17)和式(2-19)會(huì )產(chǎn)生NaOH，并且因為NaOH與土壤里的CO反應會(huì )生成其他成分，那么，在第2.3.3節所列舉的e、g、h條件下(e.溫度升高時(shí)，在苛性蘇打中的普通碳鋼或低合金鋼;8.在NaHCO:溶液里的普通碳鋼或低合金鋼;h.溫度升高時(shí)，在 NazCO;溶液里的普通碳鋼或低合金鋼)，就有發(fā)生晶間應力腐蝕的危險。第2.4節說(shuō)明了臨界電位與保護電位范圍。在通常的使用條件下，可以認為不會(huì )發(fā)生NaHCO:引起的應力腐蝕，因為有適當的陰極極化，也不會(huì )發(fā)生 NazCO;和 NaOH 引起的應力腐蝕，因為它們的濃度很低。而且，高碳、高強度套管鋼材增強了抗應力腐蝕的能力[1]特別不容易達到必要的臨界應力值。以往的經(jīng)驗已經(jīng)表明，在實(shí)施陰極保護的套管管上，從沒(méi)有發(fā)生過(guò)應力腐蝕破壞。

18.2.4 陽(yáng)極干擾(電池形成、雜散電流)引起的腐蝕

  在高含蠟原油的油田，生產(chǎn)油管必須每星期加熱清蠟。用大約1.2kA的直流電從井口通到井下生產(chǎn)油管使管子加熱。電流再通過(guò)井簡(jiǎn)下部生產(chǎn)油管與套管的觸點(diǎn)經(jīng)由套管返回此直流電源裝置。在套管里，部分返回電流被分出，通過(guò)巖石土層返回井口，其結果是，在加熱過(guò)程中，套管下部被陽(yáng)極極化了，這會(huì )對1000m半徑范圍里的其他油氣井產(chǎn)生干擾。

由于油田或油藏的井下套管互相距離往往比較近，所以它們會(huì )受到陽(yáng)極地床的電壓錐和其他套管的陰極電壓錐的影響。因此，最好對大型油田和油藏的所有井都實(shí)施陰極保護。