Способ катодной защиты скважинного оборудования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам и устройствам для защиты скважинного оборудования, в том числе глубинного, в частности электроцентробежных насосов (ЭЦН), от коррозии с наложением контролируемой разности потенциалов и может быть использовано в нефтяной промышленности. Технический результат заключается в повышении катодной защиты скважинного оборудования без снижения эффективности защиты по мере удаления от дневной поверхности. Способ включает наложение разности потенциалов между точкой подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне и анодным заземлителем и дополнительно - разности потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем. Разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне. Для катодной защиты скважинного оборудования с установкой электроцентробежного насоса (ЭЦН) разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают с применением дополнительной жилы силового кабеля ЭЦН. Станция катодной защиты может быть дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования одно-, двух- или трехжильным силовым кабелем. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для защиты скважинного оборудования, в том числе глубинного, в частности электроцентробежных насосов (ЭЦН), от коррозии с наложением контролируемой разности потенциалов (катодная защита) и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе нефтяной.

Известны способы защиты металла скважинного оборудования в нефтепромысловых средах с применением химреагентов - ингибиторов коррозии путем их дозировки в пласт и в межтрубное пространство скважины, ограниченное обсадной колонной и насосно-компрессорной трубой [1, 2].

Основным недостатком известных способов является высокий расход хнмреагентов при низкой фактической эффективности защиты от коррозии, что связано с отложением сульфидных пленок на поверхности металла и затрудненным доступом ингибиторов к ней.

Известны способы защиты углеродистой стали, преимущественно наземных и подземных трубопроводов, от общей коррозии с использованием протекторов из металлов различной природы, в том числе с наложением контролируемой разности потенциалов [3, 4].

Основным недостатком известных способов является сложность их применения в скважинах, например, нефтепромысловых, так как в них происходит отрыв протекторов, извлечение которых требует проведения трудоемких и дорогостоящих работ по разбуриванию и подъему отработанного металла. Высокую стоимость традиционной протекторной защиты скважинного оборудования определяет и использование протекторов из дорогого магниево-цинкового сплава, остающихся при попытках подъема в скважине и практически уничтожаемых разбуриванием.

Наиболее близким к заявляемому является способ катодной защиты скважинного оборудования [5], включающий наложение разности потенциалов между точкой подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне и анодным заземлителем с помощью станции катодной защиты (СКЗ), оснащенной электродом сравнения и ампервольтметром. В результате происходит смещение потенциала защищаемого скважинного оборудования и его пассивирование.

В то же время способ не обеспечивает эффективную защиту удаленных от дневной поверхности зон глубинного скважинного оборудования по причине снижения в них защитной разности потенциалов.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для катодной защиты скважинного оборудования [5], включающее СКЗ, оснащенную электродом сравнения и ампервольтметром и подключенную кабелем на дневной поверхности к обсадной колонне и к анодному заземлителю.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает эффективную защиту глубинного скважинного оборудования в удаленных от дневной поверхности зонах по причине снижения в них защитной разности потенциалов.

Решаемая предлагаемыми изобретениями задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности способа и устройства для катодной защиты скважинного оборудования, в том числе глубинного, без снижения эффективности по мере удаления от дневной поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в способе катодной защиты скважинного оборудования, включающем наложение разности потенциалов между точкой подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне и анодным заземлителем, дополнительно накладывают разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем. Разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне. Для катодной защиты скважинного оборудования с установкой ЭЦН (УЭЦН) разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают с применением дополнительной жилы силового кабеля УЭЦН.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для катодной защиты скважинного оборудования, включающем станцию катодной защиты (СКЗ), подключенную кабелем на дневной поверхности к обсадной колонне и к анодному заземлителю, СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования. СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне. Для катодной защиты скважинного оборудования с УЭЦН СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования дополнительной жилой силового кабеля УЭЦН. СКЗ может быть дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования одно-, двух- или трехжильным силовым кабелем.

Виды защищаемого предлагаемым способом скважинного оборудования: различные насосы, например ЭЦН, штанговые глубинные (ШГН), диафрагменные, винтовые и др.; дозаторы глубинные; клапаны и конструкции для газлифтной и фонтанной добычи нефти; электронагреватели и прочее.

Предлагаемое устройство представлено на чертеже.

Здесь:

1 - обсадная колонна

2 - установка ЭЦН

3 - насосно-компрессорная труба

4 - анодный заземлитель

5 - станция катодной защиты, оснащенная электродом сравнения и ампервольтметром

6 - кабель (соединительный)

7 - силовой кабель УЭЦН

8 - питающие жилы силового кабеля УЭЦН

9 - дополнительная жила силового кабеля УЭЦН.

Устройство работает следующим образом. Включают станцию катодной защиты и устанавливают необходимый ток защиты, который выбирают по медно-сульфатному электроду сравнения. Происходит равномерная поляризация металла по всей поверхности защищаемого оборудования за счет суммирования токов защиты через верхнюю и нижнюю точки скважинного оборудования.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемых технических решений и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых изобретений критерию “новизна”.

Так как отличительные признаки заявляемых технических решений являются новыми, они, по мнению авторов, соответствуют критерию “изобретательский уровень”.

Способ осуществляют следующей последовательностью операций.

1. Наложение разности потенциалов между точкой подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне и анодным заземлителем.

2. Дополнительное наложение разности потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем, преимущественно через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне (для катодной защиты скважинного оборудования с УЭЦН разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают с применением дополнительной жилы силового кабеля УЭЦН).

Или более детально для случая катодной защиты скважины с УЭЦН:

1. Подключение трех жил четырехжильного силового кабеля к контактам электропитания электроцентробежного насоса, а четвертой жилы четырехжильного силового кабеля - к корпусу электроцентробежного насоса.

2. Спуск и монтаж ЭЦН в скважине.

3. Подключение соединительного кабеля к “анодному заземлителю”, размещенному в зоне устойчивого электролитического контакта и выполняющему роль растворимого анода.

4. Подключение кабеля растворимого анода к положительному контакту станции катодной защиты.

5. Подключение СКЗ для наложения отрицательного защитного потенциала кабелем на дневной поверхности к обсадной колонне скважины.

6. Подключение четвертой жилы четырехжильного кабеля, подключенной к корпусу электроцентробежного насоса, к отрицательному контакту станции катодной защиты (преимущественно через точку подключения соединительного кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне).

7. Наложение необходимой разности потенциалов на систему “обсадная колонна корпус - ЭЦН - анодный заземлитель”.

8. Контроль необходимой защитной разности потенциалов с помощью измерительной схемы медно-сульфатного электрода сравнения, установленного в грунте также в зоне устойчивого электролитического контакта с системой “обсадная колонна корпус - ЭЦН - анодный заземлитель”.

Способ иллюстрируется примерами применения.

Пример 1. Определение целесообразности использования магний-цинковых протекторов для катодной защиты электроцентробежных насосов добывающих скважин НГДУ Уфанефть.

Применение в агрессивных технологических средах (сточных нефтепромысловых водах) в качестве активного растворимого электрода-протектора магниево-цинкового сплава для защиты скважинного оборудования определяет высокую стоимость защитных мероприятий. Так, в НГДУ Уфанефть использование стандартных протекторов массой 8 кг, закрепленных на нижней части погружных электродвигателей, приводит к их полному или практически полному растворению в течение 30 сут. При коррозии протектора в области резьбового соединения он остается в скважине и требует для его удаления трудоемких и дорогостоящих работ по “разбуриванию” и подъему в виде утилизованного металла, непригодного для дальнейшего применения. В табл. 1 приведены результаты длительного применения магний-цинковых протекторов в добывающих скважинах, из которых следует необходимость разработки нового способа катодной защиты с использованием растворимого анода из углеродистой стали.

Пример 2. Эффективность катодной защиты электроцентробежного насоса скв. №1046 Сергеевского месторождения НГДУ Уфанефть с глубиной погружения 1765 м.

В качестве кабеля (соединительного) использован кабель КПБП 3х16; в качестве силового кабеля УЭЦН - кабель КлБП 4×10. СКЗ №51 тип ОПС2-50-24-У1. Анодный заземлитель - стальная труба весом 5 т, погруженная в землю на глубину 2 м в радиусе 100 м от устья скважины.

Исследование эффективности заявляемого способа и устройства проводили в нефтепромысловых условиях следующим образом.

На станции катодной защиты устанавливали различные режимы разностей потенциалов и снимали показания потенциалов с дневной поверхности обсадной колонны, корпуса электроцентробежного насоса и с системы “корпус электроцентробежного насоса - обсадная колонна”. Разность потенциалов измеряли относительно медно-сульфатного электрода, установленного в грунте. Согласно регламенту работы станций катодной защиты (ГОСТ 9.602-89 С.11) нормальным режимом защиты считается интервал потенциалов минус 0,87...минус 2,5 В.

Результаты исследования эффективности катодной защиты известным и заявляемым способами приведены в табл. 2 и позволяют сделать следующие заключения:

- Установка электроцентробежного насоса в скважине является анодом по отношению к грунту (разность потенциалов выше минус 0,7 В, вариант 1).

- Нагрузка станции катодной защиты через обсадную колонну недостаточно эффективна для ЭЦН при данной глубине погружения (разность потенциалов минус 0,57 В, вариант 2 - прототип).

- Подключение СКЗ к корпусу ЭЦН через четвертую жилу силового кабеля без подключения к дневной поверхности обсадной колонны защищает лишь ЭЦН, а обсадную колонну - нет (разность потенциалов минус 0,78 В, вариант 3).

- Для повышения эффективности и оптимизации работы станции катодной защиты необходима нагрузка контролируемой разности потенциалов через дополнительную четвертую жилу силового кабеля и через точку подключения СКЗ к обсадной колонне на дневной поверхности. Это дает возможность создать защитный потенциал в интервале от минус 0,9 В до минус 1,08 В, эффективно “запирающем” коррозионные процессы и электроцентробежного насоса, и обсадной колонны, т.е. всего скважинного оборудования (вариант 4).

Таким образом, заявляемые способ и устройство действительно позволяют повысить эффективность катодной защиты скважинного оборудования, изготовленного из углеродистой стали, с использованием в качестве растворимого анода электрода из аналогичной стали, размещенного вне скважины, в зоне устойчивого электролитического контакта. Способ не трудоемок, эффективен и промышленно применим, т.к. для его реализации используют доступное оборудование и материалы.

Источники информации

1. Ибрагимов Г.З., Хисамутдинов Н.И. Справочное пособие по применению химреагентов в добыче нефти. - М.: Недра, 1977. - 271 с.

2. Хисамутдинов Н.И., Ибрагимов Г.З. Разработка нефтяных месторождений. Том IV. - М.: ВНИИОЭНГ, 1994. - 262 с. Ингибитор.

3. Защита металлических сооружений от подземной коррозии: Справочник Стрижевский И.В. и др. - М.: Недра, 1981. - 293 с.

4. Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии Под ред. Б.В. Строкана, А.М. Сухотина. - Л.: Химия, 1987. - 280 с.

5. Даутов Ф.И. и др. Катодная защита обсадных колонн скважин от коррозии на нефтяных месторождениях. М.: ВНИИОЭНГ, 1981. - 55 с.

Формула изобретения

1. Способ катодной защиты скважинного оборудования, включающий наложение разности потенциалов между точкой подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне и анодным заземлителем, отличающийся тем, что дополнительно накладывают разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для катодной защиты скважинного оборудования с установкой электроцентробежного насоса (УЭЦН) разность потенциалов между нижней точкой скважинного оборудования и анодным заземлителем накладывают с применением дополнительной жилы силового кабеля УЭЦН.

4. Устройство для катодной защиты скважинного оборудования, включающее станцию катодной защиты (СКЗ), подключенную кабелем на дневной поверхности к обсадной колонне и к анодному заземлителю, отличающееся тем, что СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования через точку подключения кабеля на дневной поверхности к обсадной колонне.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что для катодной защиты скважинного оборудования с УЭЦН СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования дополнительной жилой силового кабеля УЭЦН.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что СКЗ дополнительно подключена к нижней точке скважинного оборудования одно-, двух- или трехжильным силовым кабелем.

РИСУНКИ

Рисунок 1