本發(fā)明涉及一種檢測犧牲陽極性能的方法和裝置，尤其涉及在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
：隨著油氣田開發(fā)時間的延長，套管損耗問題日益突出，對油田開采造成直接影響，嚴(yán)重制約了油氣田穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。其中針對因電化學(xué)腐蝕造成的套管外壁破損，犧牲陽極陰極保護(hù)是一種最經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施。陽極材料電化學(xué)性能直接決定了陰極保護(hù)效果，陽極材料能否大規(guī)模應(yīng)用在現(xiàn)場復(fù)雜地層環(huán)境，需要進(jìn)行模擬評價驗證，但目前現(xiàn)有評價犧牲陽極材料電化學(xué)性能的試驗方法主要采用《GB/T17848-1999犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》中涉及的恒電流法，腐蝕介質(zhì)主要是人造海水，試驗溫度為15～30℃，實際生產(chǎn)中套管外壁接觸的地層環(huán)境更復(fù)雜，除地層水還包括未被水泥封固的空井段、鹽膏層、表層土壤等腐蝕介質(zhì)，且隨井深增加地層溫度逐漸升高，目前使用的國標(biāo)測試方法不能完全滿足試驗要求。因此急需提供一種方法或系統(tǒng)，能滿足在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中對犧牲陽極材料電化學(xué)性能的檢測成為有待解決的問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的方法，該方法通過采用特定的檢測條件和檢測步驟，能實現(xiàn)在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中對犧牲陽極材料電化學(xué)性的準(zhǔn)確檢測。本發(fā)明還提供了一種在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的裝置，能在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中對犧牲陽極材料電化學(xué)性能進(jìn)行檢測，進(jìn)而為確定所述犧牲陽極對石油套管的有效保護(hù)距離提供數(shù)據(jù) 支持。本發(fā)明提供的一種在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的方法：提供待檢測套管，所述待檢測套管由犧牲陽極連接至少一個石油套管形成；在所述石油套管長度方向的外壁上間隔設(shè)置多個測試樁,所述測試樁的材質(zhì)與所述石油套管的材質(zhì)相同，所述測試樁與所述石油套管的外壁通過焊接方式連接；將所述待檢測套管放置于檢測槽內(nèi)；向檢測槽內(nèi)倒入腐蝕介質(zhì)，該腐蝕介質(zhì)沒過該待檢測套管并低于所述測試樁頂端至少2cm；測定各測試樁處的電極電位；所述腐蝕介質(zhì)為模擬井下腐蝕環(huán)境中的地層水、固井水泥環(huán)、軟泥層以及鹽膏層中一種或多種。在本發(fā)明的方案中，所述檢測槽的底部和側(cè)壁均由可以由加工性能優(yōu)異的耐腐蝕材料制成，例如聚丙烯、玻璃鋼，耐腐蝕金屬板等，只要能滿足檢測過程中對檢測槽的耐腐蝕性，承壓性，耐高溫(>100℃)性的需求即可。進(jìn)一步的，為使檢測數(shù)據(jù)更加真實反映待檢測套管犧牲陽極的電化學(xué)性能，所述檢測槽的材料為聚丙烯。在本發(fā)明的方案中，檢測犧牲陽極電化學(xué)性能是指在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中，檢測距離犧牲陽極不同距離處的套管表面的電極電位的變化數(shù)據(jù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)套管表面不同位置處電極電位的變化來判斷所述犧牲陽極對石油套管的有效保護(hù)距離。進(jìn)一步的，在本發(fā)明的方案中，可以根據(jù)以下公式得出陽極對套管的保護(hù)距離：上式中：△VMN-----石油套管表面上M，N兩點之間距離上電壓降的平均值，單位V；D----套管的直徑，單位mm；d-----套管的壁厚，單位mm；ρ0-----套管金屬的電阻率，單位Ω·m；iA-----套管最小保護(hù)電流密度，單位mA/m2；其中，套管金屬的電阻率ρ0可根據(jù)鋼型查常用材質(zhì)電阻率表得知，iA查陰極保護(hù)工程手冊得出。M，N兩點之間的距離可以根據(jù)實際情況選擇，通常情況下越小越好，得出的L值更準(zhǔn)確。在本發(fā)明的方案中M，N兩點之間的距離可以例如是50cm。在本發(fā)明的方案中，所述犧牲陽極可以是以本領(lǐng)域常規(guī)方式設(shè)置在石油套管上的犧牲陽極，例如所述犧牲陽極以陽極短節(jié)的形式設(shè)置在所述套管上。進(jìn)一步的，所述犧牲陽極可以為國標(biāo)鋁陽極或國標(biāo)鋅陽極，也可以是在所述國標(biāo)鋁陽極或國標(biāo)鋅陽極基礎(chǔ)上，改變陽極材料成分及配比形成的新型陽極材料，本發(fā)明的方案可用于檢測本領(lǐng)域常規(guī)使用的各種犧牲陽極對石油套管的保護(hù)效果。在本發(fā)明的方案中對該犧牲陽極與石油套管的連接方式?jīng)]有特殊限制，可以是本領(lǐng)域常規(guī)的連接方式，例如螺紋連接、螺絲固定等連接方式。該犧牲陽極既可以連接在套管的一端，也可以連接在套管的中間部分。在本發(fā)明的一個具體實施方式中，為了最終評估該犧牲陽極對套管的最長保護(hù)半徑，優(yōu)選的可以將該犧牲陽極短節(jié)固定在所述套管的一端。本發(fā)明方案中的腐蝕介質(zhì)為模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中的地層水、固井水泥環(huán)、軟泥層以及鹽膏層中一種或多種，所述腐蝕介質(zhì)化學(xué)成分與井下套管外壁腐蝕環(huán)境中實際存在的地層水、固井水泥環(huán)、軟泥層以及鹽膏層中的化學(xué)成分基本一致。進(jìn)一步的，在本發(fā)明的方案中，所述待檢測套管通過設(shè)置在所述檢測槽底部的固定裝置固定。通過向所述檢測槽內(nèi)加入水泥以形成固井水泥環(huán)。采用水泥固化可以在所述待檢測套管放入檢測槽之后進(jìn)行實施，也可以先倒入水泥，再將待檢測套管浸入水泥中并使水泥固化的方式實現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇先后順序。在真實的井下操作環(huán)境中，通常在放置套管后需要在套管與井壁之間填裝水泥進(jìn)行固定，該水泥可完全封閉該套管，在起到固定作用的同時也能起到防止套管被地層水腐蝕的效果，但實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，存在部分井段未被水泥封固的情況，未封固井段與地層水接觸引起腐 蝕。因此，本申請的方案也針對這種情況進(jìn)行了研究，在這種模擬井下環(huán)境中對犧牲陽極性能進(jìn)行檢測。檢測過程中，水泥封固套管后，要保持測試樁露出水泥適當(dāng)?shù)母叨?。并在水泥密封后，向檢測槽內(nèi)倒入腐蝕介質(zhì)，所述腐蝕介質(zhì)可以是套管外壁腐蝕環(huán)境中存在模擬地層水。在本發(fā)明的另一個具體實施方式中，所述犧牲陽極以陽極短節(jié)的形式設(shè)置在所述套管上。進(jìn)一步的，分別在所述石油套管長度方向的外壁上距離所述陽極短節(jié)的邊緣50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置處設(shè)置所述測試樁。本發(fā)明的方法能在不同溫度下，例如在20-80℃范圍內(nèi)，實現(xiàn)對所述犧牲陽極的電化學(xué)性能的檢測。由于井下作業(yè)過程中，隨著深度的增加，溫度逐漸升高，一般每100米溫度上升3℃左右，本發(fā)明的方法能更真實的反應(yīng)井下腐蝕環(huán)境。當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)采用的犧牲陽極的耐溫性能，以及套管的入井深度，對上述溫度范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在本發(fā)明的方法中，通常所述測試樁處的電極電位可以在浸入腐蝕介質(zhì)后一周左右開始測量，之后例如可以每7-10天測量一次，持續(xù)2-8個月。該測試過程使用的參比電極可以為Cu/CuSO4參比電極，檢測所述電極電位可以采用近參比法進(jìn)行，測量過程中所述參比電極通常靠近所要測量電極電位的測試樁，接觸或靠近所述石油套管的外壁放置。當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)所要檢測的套管、犧牲陽極以及腐蝕介質(zhì)的不同，根據(jù)需要決定測量頻率或測量周期，但通常需要在檢測體系穩(wěn)定之后，即犧牲陽極向腐蝕介質(zhì)中穩(wěn)定釋放離子之后，持續(xù)測量一定時間來獲得比較可靠的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的一種在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的裝置,包括:檢測槽，以及由所述犧牲陽極連接至少一個石油套管所形成的待檢測套管，所述待檢測套管固定在所述檢測槽底部，并且在所述石油套管長度方向的外壁上間隔設(shè)置有多個測試樁，所述測試樁的材質(zhì)與所述石油套管的材質(zhì)相同，所述測試樁與所述石油套管的外壁通過焊接連接；所述檢測槽內(nèi)還容置有沒過該待檢測套管并低于所述測試樁頂端至少2cm的腐蝕介質(zhì)；所述檢測槽底部還設(shè)置有用于控制所述裝置溫度的控溫裝置；所述腐蝕介質(zhì)為模擬井下腐蝕環(huán)境中的地層水、固井水泥環(huán)、軟泥層以及鹽膏層中一種或多種。在本發(fā)明的一個具體實施方式中，所述檢測槽的材料為聚丙烯、玻璃鋼和耐腐蝕金屬板中的一種或多種。更進(jìn)一步的，所述檢測槽的底部和側(cè)壁的厚度可以為20-30mm。為了保證檢測槽的強度，也可以在該檢測槽的底部和側(cè)壁添加加強件進(jìn)行加固。更進(jìn)一步的，所述檢測槽的尺寸設(shè)計為至少能容納一個符合API標(biāo)準(zhǔn)的套管(例如：外徑：177.8mm、壁厚：10.36mm、長度：11.36m)和固定連接在其一端的陽極短節(jié)(例如：外徑201mm、長度：50cm)。通常的檢測裝置僅為單獨檢測陽極短節(jié)電化學(xué)性能的裝置，而且采用的腐蝕介質(zhì)為常溫海水，不能真實反應(yīng)套管和陽極短節(jié)的真實井下工作狀態(tài)和工作環(huán)境下，陽極短節(jié)對套管的保護(hù)作用。更進(jìn)一步的，所述犧牲陽極以陽極短節(jié)的形式設(shè)置在所述套管上，所述測試樁分別在所述石油套管長度方向的外壁上距離所述陽極短節(jié)的邊緣50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置處設(shè)置，本發(fā)明以上述距離設(shè)置測試樁能基本覆蓋整個長度的套管。更進(jìn)一步的，所述控溫裝置用于控制所述電化學(xué)性能的檢測過程在特定的溫度下進(jìn)行，尤其是在模擬井下環(huán)境的真實溫度條件下進(jìn)行。更進(jìn)一步的，在本發(fā)明的裝置中，所述檢測槽可以平行設(shè)置多個，可以實現(xiàn)同時進(jìn)行多組檢測試驗。例如同時建立多種模擬腐蝕介質(zhì)環(huán)境，在相同溫度條件下(或變化的溫度條件下)，同時進(jìn)行多組腐蝕試驗，使獲得的測試數(shù)據(jù)更具有參考價值。本發(fā)明提供的方案具有以下優(yōu)點：1)本發(fā)明的方法解決了現(xiàn)有測試方法在檢測套管犧牲陽極性能的過程不能模擬套管犧牲陽極的真實使用環(huán)境，存在引起測量誤差因素，不能準(zhǔn)確測定套管外壁陽極在井下腐蝕環(huán)境中的電化學(xué)性能的問題；2)在本發(fā)明裝置中具有可容納至少一個套管和固定連接在其一端的陽極短節(jié)的檢測槽，解決了通常的檢測裝置僅為單獨檢測陽極短節(jié)電化學(xué)性能的裝置，而且采用的腐蝕介質(zhì)為常溫海水，不能真實模擬套管和陽極短節(jié)的真實工作狀態(tài)，以及不能獲得井下真實工作環(huán)境下陽極短節(jié)對套管的有效保護(hù) 距離、最長保護(hù)年限等數(shù)據(jù)的問題；3)在本發(fā)明的方案中檢測槽可平行設(shè)置多個，可以針對多種模擬腐蝕介質(zhì)(例如地層模擬水、表層土壤、固井水泥、鹽膏層)，在相同或不同溫度條件下，同時進(jìn)行多組腐蝕試驗，使獲得的測試數(shù)據(jù)更具有參考價值。附圖說明圖1本發(fā)明的在模擬井下套管外壁腐蝕環(huán)境中檢測犧牲陽極電化學(xué)性能的裝置的示意圖。圖2測量各測試樁處的電極電位的示意圖。圖3為20℃模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖4為20℃模擬軟泥層環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖5為20℃模擬固井水泥環(huán)+地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖6為20℃模擬鹽膏層環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖7為80℃模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖8為80℃模擬軟泥層環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖9為80℃模擬固井水泥環(huán)+地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖10為80℃模擬鹽膏層環(huán)境套管電極電位變化曲線。符號的說明：1:石油套管；2,2′,2″:測試樁；3、腐蝕介質(zhì)；4、參比電極；5、高阻電壓表；6：犧牲陽極(陽極短節(jié)形式)；7:檢測槽側(cè)壁；8：檢測槽底部；9：陽極短節(jié)的邊緣。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和技術(shù)效果更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明具體實施例及相應(yīng)附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，但以下實施例不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實施例1本發(fā)明的檢測裝置和腐蝕介質(zhì)準(zhǔn)備1)檢測裝置的準(zhǔn)備參見圖1，所述裝置包括檢測槽，通過以下方式制成：檢測槽側(cè)壁7和檢測槽底部8均為20mm厚的PP(聚丙烯)塑料板，通過焊接形成尺寸為：24m×0.8m×0.4m(長×寬×高)的檢測槽；在檢測槽底部8設(shè)立固定裝置，例如套管支架，用于固定和支撐待檢測套管，所述套管支架可以每隔1米放置一個；套管支架同樣采用20mm厚塑料板焊接而成，檢測槽側(cè)壁7采用螺桿加強，可以每隔1米一組；同時可以對檢測槽底部8進(jìn)行加厚處理，防止檢測槽破裂；所述裝置還包括：由陽極短節(jié)形式的犧牲陽極6連接石油套管1和石油套管1’(未顯示)形成的待檢測套管；所述待檢測套管通過上述套管支架固定在所述檢測槽底部8；所述陽極短節(jié)形式的犧牲陽極6位于石油套管1’和石油套管1之間，并將石油套管1和石油套管1’連通。所述石油套管1和石油套管1’均為符合API標(biāo)準(zhǔn)的套管，例如：外徑：177.8mm、壁厚：10.36mm、長度：11.36m，所述犧牲陽極6為陽極短節(jié)形式的國標(biāo)鋁陽極、國標(biāo)鋅陽極或鋁合金，具體規(guī)格可以為：外徑201mm、長度：50cm的陽極短節(jié)。在所述石油套管1和石油套管1’長度方向的外壁上間隔設(shè)置有多個測試樁(如2,2′,2″未全部顯示)；所述測試樁的材質(zhì)與所述石油套管的材質(zhì)相同，所述測試樁與所述石油套管的外壁通過焊接方式連接；所述裝置還包括：沒過該待檢測套管并低于所述測試樁頂端至少2cm的腐蝕介質(zhì)3，以及設(shè)置在所述檢測槽底部用于控制所述裝置溫度的控溫裝置；所述腐蝕介質(zhì)為模擬井下腐蝕環(huán)境中的地層水、固井水泥環(huán)、軟泥層以及鹽膏層中一種或多種。2)腐蝕介質(zhì)制備2-1、模擬井下腐蝕環(huán)境中的地層水(簡稱模擬地層水)模擬地層水的制備，其主要成分見表1，將表1中各成分溶于水混合，即得到礦化度為2.8×102g/L的模擬地層水。表1模擬地層水主要組成成分2-2.模擬井下腐蝕環(huán)境中的軟泥層的準(zhǔn)備：主要成分是黃土、河沙、碎石，各成分質(zhì)量比為8：1：1，加水混合形成軟泥狀態(tài)。2-3.模擬井下腐蝕環(huán)境中的鹽膏層的準(zhǔn)備：主要成分為NaCl(含量＞90wt％)，其余為小于10wt％為鉀離子、鎂離子、鈣離子等，可以分別由硝酸鉀，氯化鎂，氯化鈣來提供。用少量水溶解上述成分，最終制成的鹽膏層中鹽呈過飽和的狀態(tài)，水高出析出的鹽2cm左右即可。2.4固井水泥環(huán)固井水泥環(huán)的制備使用專業(yè)用于油井、氣井的固井工程的水泥，具有合適的密度和凝結(jié)時間、較低的稠度、良好的抗沉降性以及可泵性，并且固化后應(yīng)具有良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性。實施例2采用本發(fā)明的方法和裝置，檢測犧牲陽極的電化學(xué)性能1、設(shè)定溫度為20℃，采用實施例1準(zhǔn)備的裝置，其中所述檢測槽平行設(shè)置4個，分別檢測1)模擬地層水、2)軟泥層、3)固井水泥環(huán)+模擬地層水、4)鹽膏層環(huán)境中犧牲陽極的電化學(xué)性能，犧牲陽極材料為國標(biāo)鋅陽極。2、檢測過程如下：所述腐蝕介質(zhì)3分別為上述1)-4)所述的腐蝕介質(zhì)；分別在所述石油套管1長度方向的外壁上距離所述陽極短節(jié)的邊緣50cm、100cm、200cm、300cm、500cm、800cm和1000cm的位置處(例如圖3中0點右邊的測試點，0點代表陽極短節(jié)所在位置)，以及石油套管1’長度方向的外壁上距離所述陽極短節(jié)的邊緣50cm、100cm、200cm、300cm、500cm處(例如圖3中0點左邊的測試點)焊接測試樁并連接測試導(dǎo)線，所述測試導(dǎo)線用于連接測試樁與電化學(xué)測量裝置，例如高阻電壓表5；在倒入腐蝕介質(zhì)后一周后，采用近參比法測量所述測試樁處的電極電位。 使用的參比電極4為Cu/CuSO4，每10天測量一次，試驗周期50天。3、4個檢測槽的檢測結(jié)果分別為電極電位隨測試樁距離變化曲線見圖3-6，圖3為20℃模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖4為20℃模擬軟泥層環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖5為20℃模擬固井水泥環(huán)+模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖6為20℃模擬鹽膏層環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖3-6中的橫坐標(biāo)距離指的是測試點(即測試樁的設(shè)置位置)距離陽極短節(jié)的距離。實施例3采用本發(fā)明的方法和裝置，檢測犧牲陽極的電化學(xué)性能1)設(shè)定溫度為80℃，采用實施例1制備的檢測槽，所述檢測槽平行設(shè)置4個，分別檢測1)模擬地層水、2)軟泥層、3)固井水泥環(huán)+模擬地層水、4)鹽膏層環(huán)境中犧牲陽極的電化學(xué)性能，犧牲陽極材料為鋁合金。2)檢測過程同實施例2。3)4個檢測槽的檢測結(jié)果分別為圖7-10，圖7為80℃模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖8為80℃模擬軟泥層環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖9為80℃模擬固井水泥環(huán)+模擬地層水環(huán)境套管電極電位變化曲線，圖10為80℃模擬鹽膏層環(huán)境套管電極電位變化曲線。圖7-10中橫坐標(biāo)距離指的是測試點(即測試樁的設(shè)置位置)距離陽極短節(jié)的距離。由實施例2-3的結(jié)果可知，采用模擬井下腐蝕環(huán)境評價套管犧牲陽極性能的試驗方法分別在20℃，80℃條件下，進(jìn)行周期為50天的套管腐蝕試驗，試驗結(jié)果顯示：(1)陽極短節(jié)處的電極電位最低，隨測試樁距陽極位置增大，電位升高，套管的頂端位置電極電位最高，但＜-0.85V，達(dá)到保護(hù)設(shè)計要求；(2)隨腐蝕試驗持續(xù)時間增長，電極電位下降，陽極材料均勻溶解，沒有因溫度升高出現(xiàn)鈍化、晶界偏析等現(xiàn)象；(3)對比上述各組曲線，相同位置測試樁電極電位沒有明顯變化，陽極材料可滿足20-80℃井底環(huán)境使用要求。實施例4本發(fā)明陽極短節(jié)對石油套管保護(hù)距離下面以20℃下模擬地層水的腐蝕介質(zhì)為例，說明本發(fā)明陽極短節(jié)對石油 套管保護(hù)距離的計算過程：測定的各測試點處的電極電位值見表1。表1測試點與陽極的距離(cm)電極電位(V)500-1.073300-1.095200-1.107100-1.12550-1.1300-1.13950-1.132100-1.124200-1.107300-1.090500-1.064800-1.0311000-1.010將0～1000cm之間的測試點依此設(shè)定為1#、2#、3#……7#，各測試點之間的電位值見表2。表2各測試點之間電位降及平均電位降根據(jù)公式：可推算陽極對套管的保護(hù)距離。式中套管表面上M，N兩點之間距離(50cm)上電位降的平均值為△VMN為7.036×10-3V；套管的直徑D為177.8mm；套管的壁厚d為10.36mm；套管金屬的電阻率ρ0為9.78×10-8Ω·m；套管最小保護(hù)電流密度iA為10mA/m2其中，套管金屬的電阻率ρ0可根據(jù)鋼型查常用材質(zhì)電阻率表得知，iA查陰極保護(hù)工程手冊得出。將上述值帶入公式中計算得到20℃模擬地層水的腐蝕介質(zhì)下，所述陽極短節(jié)對石油套管保護(hù)距離為39.96m，通常涉及要求的保護(hù)距離＞20m，可以看出該距離滿足保護(hù)設(shè)計要求。當(dāng)前第1頁1 2 3