一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构、系统及方法

技术领域

本发明属于油田开采设备技术领域，具体涉及一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构、系统及方法。

背景技术

为适应油田外部恶劣环境，增加运行可靠性并降低成本，丛式井组阴极保护工艺采取以井组为单元，以套管为重点建立阴极保护系统。丛式井组阴极保护实现这一原理的过程是，直流电源负极与各单井套管连接，直流电源正极与阳极井阳极体连接，从而构成保护回路。

随着油田开发时间的延长,丛式井组套管的腐蚀也日益严重,近年来还有加快的趋势，直接影响着油田的进一步开采，对油田的稳产造成了很大的威胁，同时也给油田造成了巨大的经济损失。井场分布区域广，还没有专职人员巡查管理。现有技术阳极井是裸眼完井，通过深黄土层打到崖石层见到水层为止，深度一般为200～300m。运行一段时间后井壁容易坍塌，导致阳极体及管线被埋，阳极井故障后很难修复，需要重建阳极井；阳极井的阳极本体消耗完后不能直接更换，需要重建阳极井，重建新阳极井成本比较高，而且造成一定的浪费，增加了维护成本；同时出现故障后不能及时派人去维护，给管理和维护上造成一定的滞后性，削弱了阴极保护的效果。

综上所述，亟需发明一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构、系统及方法来满足油田发展的要求。

发明内容

为了提高除尘效果、提高设备的使用性能，本发明提供了一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构、系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，包括阳极井井筒和至少两套阳极体机构；所述两套阳极体机构均竖直置于阳极井井筒内且可分别独立运行。

所述的两套阳极体机构为备用阳极体机构和主用阳极体机构且两者结构相同。

所述的备用阳极体机构包括阳极井排气管和备用阳极体；所述的阳极井排气管连接在备用阳极体的上端且其中部贯通。

所述的备用阳极体的上端口设置有用于与排气管连接的钢套管法兰。

所述的备用阳极体包括阳极体钢套管、第一电缆、两个上下串联的阳极芯和阳极串配重；所述第一电缆、两个上下串联的阳极芯和阳极串配重均置于阳极体钢套管内，两个阳极芯和阳极串配重从上至下依次悬挂在第一电缆的下端；两个阳极体阳极芯的混合金属氧化物钛极芯引线与第一电缆并联；所述的阳极体钢套管上端与排气管连接，且其下部侧壁上开有通孔。

所述的阳极体钢套管的下端为锥形。

所述的阳极芯采用的是金属氧化物筒状钛阳极芯。

所述的阳极芯采用的是MMO/TI贵金属氧化物阳极，外面采用镀铂钽，击穿电压为160V，氧化物涂层电阻率10-7Ω.m。

一种丛式井组套管阴极保护系统，至少包括一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，还包括阴极井、远程监控PC机、数字化阴极保护监控柜和硫酸铜参比电极；所述的阴极井由油水井套管和油水井井筒组成；油水井套管置于油水井井筒内；远程监控PC机与数字化阴极保护监控柜电信号连接；数字化阴极保护监控柜分别与阴极井中的油水井套管和阳极井中的第一电缆电连接；所述数字化阴极保护监控柜通过硫酸铜参比电极接地。

一种丛式井组套管阴极保护的阳极井抽芯更换方法，包括如下步骤，

步骤一：当数字化阴极保护监控柜或远程监控PC机通过硫酸铜参比电极，检测到备用阳极体机构和主用阳极体机构的保护电位均达不到要求或检测电位值为零时，停电断开数字化阴极保护监控柜上与备用阳极体机构和主用阳极体机构上的第一电缆接线；

步骤二：从备用阳极体机构和主用阳极体机构的排气管里通过第一电缆将旧阳极芯抽出，换上新的阳极芯后，从排气管里下入放到阳极体钢套管内；

步骤三：接上数字化阴极保护监控柜上第一电缆，通电后，在数字化阴极保护监控柜或远程监控PC机上能检测到正常的保护电位值后，即完成阳极井双阳极抽芯的更换。

有益效果：

(1)本发明采用丛式井组套管阴极保护双阳极的抽芯阳极井，阳极体采用二个，一主用一备用工作，有效延长了阳极井使用寿命。

(2)本发明的井筒中全井段采用了钢质套管固井，直至井低崖石层。当主用备用阳极体同时使用释放电子能力都不能满足系统运行要求，可从排气管里通过第一电缆将主用备用阳极体里阳极芯抽出更换，再下放新的阳极芯，使系统正常工作，达到重复利用阳极地床的目的，避免了重复打井的工作，且更换简单，工期短，填补了丛式井组阴极保护空白期，延长了阳极井使用寿命，节约了重新打阳极井费用，经济效益明显，同时也有利于井场环境保护，实现和吻合了油田发展的需求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例进行详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图中：1-远程监控PC机；2-光纤；3-数字化阴极保护监控柜；4-第二电缆；5-油水井套管；6-油水井井筒；7-硫酸铜参比电极；8-阳极井排气管；9-第一电缆；10-阳极井井筒；11-阳极井水位；12-主用阳极体；13-备用阳极体；14-阳极芯；15-混合金属氧化物钛极芯引线；16-通孔；17-混凝土重块；18-崖石层。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下通过本发明的较佳实施例进行详细说明。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参照图1所示的一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，包括阳极井井筒10和至少两套阳极体机构；所述两套阳极体机构均竖直置于阳极井井筒10内且可分别独立运行。

在具体应用时，阳极井井筒10全井段采用了钢质套管固井，直至井低崖石层。根据丛式井组套管保护电位要求，阳极体机构设置一主一备进行工作。有效延长了阳极井使用寿命，节约了重新打阳极井费用。

实施例二：

参照图1所示的一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，在实施例一的基础上，所述的两套阳极体机构为备用阳极体机构和主用阳极体机构且两者结构相同。

进一步的，所述的备用阳极体机构包括阳极井排气管8和备用阳极体13；所述的阳极井排气管8连接在备用阳极体13的上端且其中部贯通。

在实际使用时，两套阳极体机构为备用阳极体机构和主用阳极体机构，先采用主用阳极体机构进行工作，当主用阳极体机构释放电子能力衰减到不能满足系统运行要求或阳极体出现故障时，采用备用阳极体机构进行工作。

采用备用阳极体机构和主用阳极体机构的结构相同的技术方案，使得阳极体机构工作稳定，更换方便。

阳极井排气管8与备用阳极体13的上端连接且其中部贯通，方便极芯14的更换。

实施例三：

参照图1所示的一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，在实施例二的基础上，所述的备用阳极体13的上端口设置有用于与排气管8连接的钢套管法兰。

在实际使用时，备用阳极体13采用本技术方案，能够方便的将备用阳极体13与排气管8连接。

实施例四：

参照图1所示的一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，在实施例二的基础上，所述的备用阳极体13包括阳极体钢套管、第一电缆9、两个上下串联的阳极芯14和阳极串配重17；所述第一电缆9、两个上下串联的阳极芯14和阳极串配重17均置于阳极体钢套管内，两个阳极芯14和阳极串配重17从上至下依次悬挂在第一电缆9的下端；两个阳极体阳极芯14的混合金属氧化物钛极芯引线15与第一电缆9并联；所述的阳极体钢套管上端与排气管8连接，且其下部侧壁上开有通孔16。

进一步的，所述的阳极体钢套管的下端为锥形。

进一步的，所述的阳极芯14采用的是金属氧化物筒状钛的阳极芯。

更进一步的，所述的阳极芯14采用的是MMO/TI贵金属氧化物阳极，外面采用镀铂钽，击穿电压为160V，氧化物涂层电阻率10-7Ω.m。

在实际使用时，采用混合金属氧化物筒状钛的阳极芯14在阳极体钢套管内部通过第一电缆9悬挂。第一电缆9采用的是独芯电缆，采用独芯电缆使得传出电压、电流信号抗干扰性能强且不易衰减。根据丛式井组套管保护电位要求，采用一主用、一备用的两套阳极体机构。运行初期时主用阳极体12工作，当主用阳极体12内的合金属氧化物筒状钛阳极芯14释放的电子能力，衰减到不能满足系统运行要求或出现故障时，再接入备用阳极体13工作。当主用阳极本体12和备用阳极体13里的合金属氧化物筒状钛阳极芯14出现故障或保护电位不能达到要求，从阳极井排气管8里通过第一电缆9将旧阳极芯14抽出，换上新的阳极芯14后，从阳极井排气管8里下入放到阳极体钢套管内部，使系统正常工作，达到重复利用阳极地床的目的。主用阳极体12和备用阳极本体13内两个阳极体的混合金属氧化物钛极芯引线15与第一电缆9并连，其中的混合金属氧化物钛极芯引线15为现有技术。每一根阳极芯14用单独的第一电缆9连接,这样一根电缆出现问题的时候就不会影响其他阳极正常工作。

本实施例中的油田，由于地处深层黄土中，土层厚，地层干旱，含水量少，阳极井的深度直接影响着阳极接地电阻，阳极接地电阻一般小于10Ω，必须通过黄土层打到崖石层见到水层为止，深度一般为250～300m。因此，为了避免阳极井运行一段时间后井壁容易坍塌，导致阳极体及管线被埋，在打完阳极井后，根据阳极井类型和土质条件一般在距离地面6～10米深的范围内安装塑料套管，限制阴极保护电流从近地表释放减少对其他金属结构的腐蚀干扰。

阳极井筒10中全井段采用钢质套管固井，直至井低崖石层，距崖石层15米～20米的阳极体钢套管的四周均匀的设置有Φ10mm圆形通孔16，便于水进入井筒，使合金属氧化物筒状钛阳极芯14充分工作,在确定阳极井的直径时,应充分考虑到两个直径为80mm的阳极井排气管8所占据的空间，阳极井的直径选Φ300mm，应对阳极体的安装进行严格控制,输出电流较大时应增大阳极井的直径。采用钢质套管固井且阳极井井筒10内保存阳极井水位11，一方面可预防井壁坍塌，另一方面，能够避免导致阳极体及排气管8被埋，同时可以限制阴极保护电流从近地表释放。

可预制的阳极体钢套管外径规格是Φ120×3000mm，内径规格是Φ110×3000mm，通过上端设置的钢套管法兰与Φ80的阳极井排气管8连接。阳极体钢套管的下端设置为锥形，锥形部分放在崖石层18上，阳极体钢套管中低部两侧有通孔16，便于水进入阳极体腔内，减少混合金属氧化物筒状钛阳极芯接地电阻小。每个阳极体腔内阳极芯由两个钛阳极芯组成，为了使两个上下串联的阳极芯14顺利的下降到阳极体的底部，在阳极串底部连接了一个阳极串配重17，阳极串配重17通常采用的是混凝土重块，重量在2–3公斤之间，将此重物用塑料绳与阳极串底部连接。双阳极体机构的阳极井与丛式井组油水井套管5的设计距离在200m以上，使保护电流的分布更加均匀,同时减小了对其它埋地金属结构的腐蚀干扰。

本实施例中，主用阳极体12和备用阳极体13中的阳极体钢套管的两侧中下部设置通孔16，用吸水强材料软布缠绕在阳极体钢套管壁的四周，将通孔16覆盖，便于长期充分均匀的给混合金属氧化物阳极芯供水。

混合金属氧化物筒状阳极芯14采用MMO/TI贵金属氧化物阳极，外面采用镀铂钽，击穿电压为160V，氧化物涂层电阻率10-7Ω.m，该电极在100A/m

混合金属氧化物筒状阳极芯14具有不消耗、电流输出大、体积小、重量轻的优点,由于在工作时阳极反应会产生氯气，使第一电缆9处于酸性介质中，因此，第一电缆9的绝缘层要能够抵抗氯气的侵蚀，第一电缆9采用的绝缘层为PVDF/HMW-PE,截面积选为16mm

阳极井排气管8除了可以排除气体、减小气阻外，还可以用来散发热量、回注水，本实施例中，其选用PVC管，排气管外径规格Φ80。安装阳极体时，可以利用阳极井排气管8辅助用阳极体12和备用阳极体13的安装。

实施例五：

参照图1所示的一种丛式井组套管阴极保护系统，至少包括一种丛式井组套管阴极保护的阳极井结构，还包括阴极井、远程监控PC机1、数字化阴极保护监控柜3和硫酸铜参比电极7；所述的阴极井由油水井套管5和油水井井筒6组成；油水井套管5置于油水井井筒6内；远程监控PC机1与数字化阴极保护监控柜3电信号连接；数字化阴极保护监控柜3分别与阴极井中的油水井套管5和阳极井中的第一电缆9电连接；所述数字化阴极保护监控柜3通过硫酸铜参比电极7接地。

在实际使用时，数字化阴极保护监控柜3上的直流电源主要由安装双回路可调式并联开关电源组成的供电系统，远程控制终端RTU模块组成的，输出电压DC0～120V，最大电流60A,可个9个油水井套管提供4～5A电流进行阴极保护。直流电源的负极与各油水井套管5通过第二电缆4连接、直流电源的正极与阳极井引出的第一电缆9连接。丛式井组套管阴极保护系统运行时，数字化阴极保护监控柜3根据硫酸铜参比电极7提供的保护电位值进行工作，远程监控PC机1通过光纤2实现丛式井组阴极保护远程监控，便于及时维护和全面监控。

本实施例中的硫酸铜参比电极7规格为Φ95×200，相对于标准氢电极的电位+316mv，电位漂移不超过±10mv，当有500μ的电流通过时，电位移动不超±5mv，工作密度：≦5μ/cm

数字化阴极保护监控柜3和远程监控PC机1均采用的是现有技术。

数字化阴极保护监控柜3的主要技术参数如下：

1、工作环境：-20～+70℃，相对湿度≤85％。

2、工作电源：AC220V±10％,50Hz。

3、数字显示：四位0.36英寸数码管，最大显示0～9999。

4、显示精度：±0.5％。

5、输出最大直流电压：0～120VDC。

6、输出直流电压精度：±1％。

7、输出额定电流：60A。

8、输出过功率保护：110％～130％。

本实施例中，第二电缆4深埋地下1200mm深后再与第一电缆9和油水井套管5进行连接，这样一方面可以保证电缆不易被车压断，第二方面，起到了有效防止油水井套管外腐蚀的作用。

实施例六：

一种丛式井组套管阴极保护的阳极井抽芯更换方法，包括如下步骤，

步骤一：当数字化阴极保护监控柜3或远程监控PC机1通过硫酸铜参比电极7，检测到备用阳极体机构和主用阳极体机构的保护电位均达不到要求或检测电位值为零时，停电断开数字化阴极保护监控柜3上与备用阳极体机构和主用阳极体机构上的第一电缆9接线；

步骤二：从备用阳极体机构和主用阳极体机构的排气管8里通过第一电缆9将旧阳极芯14抽出，换上新的阳极芯14后，从排气管8里下入放到阳极体钢套管内；

步骤三：接上数字化阴极保护监控柜3上第一电缆9，通电后，在数字化阴极保护监控柜3或远程监控PC机1上能检测到正常的保护电位值后，即完成阳极井双阳极抽芯的更换。

在实际使用时，阳极井井筒10中全井段采用了钢质套管固井，直至井低崖石层。本发明技术方案的采用，达到重复利用阳极地床的目的，避免了重复打井的工作，且更换简单，工期短，填补了丛式井组套管的阴极保护空白期，延长了阳极井使用寿命，节约了重新打阳极井费用，经济效益明显，同时也有利于井场环境保护，实现和吻合了油田发展的需求。

一个丛式井组套管阴极保护平均按5年更换1次阳极体计算，每次节省新打井的费用9万元，油井使用寿命在25年内单井组可节约费用45万元，是强制电流阴极保护技术发展的方向,有效遏制油田丛式井组套损局面，对国内外油田油水井套管防腐有借鉴和示范作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。