автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Катодная защита обсадных колонн скважин

На правах рукописи

4&

Долгих Сергей Александрович

КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН СКВАЖИН: ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.17.03 - технология электрохимических процессов и зашита от коррозии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 Ц ' • .• 1-. ~ГЧ к I 1- I I | т

О1

Казань - 2014

005548230

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор, Журавлев Борис Леонидович

Официальные оппоненты:

Михаленко Михаил Григорьевич, доктор технических наук, профессор, директор образовательно-научного института физико-химических технологий и материаловедения ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», заведующий кафедрой «Технология электрохимических производств и химии органических веществ»; Варнавская Ольга Анатольевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, заведующая НИО разработки химпродуктов для промысловой подготовки нефти и защиты нефтепромыслового оборудования от коррозии ОАО «НИИнефтепромхим».

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятский государственный университет», кафедра технологии электрохимических производств, г. Киров.

Защита состоится 17 июня 2014 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.080.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д.68, Зал заседаний Ученого совета - каб. 330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте www.kstu.ru.

Автореферат размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации 17 апреля 2014 г.

Автореферат диссертации разослан 25 апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.080.10 к.х.н., доцент

Ж.В. Межевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Нефтяные скважины являются дорогостоящими капитальными сооружениями, которые служат многие десятилетия и представляют собой сложную инженерную конструкцию. Наиболее ответственной частью скважины является обсадная колонна, обеспечивающая крепление ствола скважины и изоляцию различных геологических пластов.

В контакте с цементом сталь находится в пассивном состоянии. Однако не всегда удается обеспечить надежное цементное покрытие всей наружной поверхности колонны за счет целого ряда дефектов, являющихся причиной возникновения анодных зон, которыми являются плохо зацементированные участки металлической конструкции, находящиеся в контакте с агрессивной средой. Коррозия обсадных труб, как правило, развивается неравномерно и преимущественно носит язвенный характер, что в результате приводит к отказу обсадной колонны.

Единственным методом предупреждения грунтовой коррозии обсадных колонн скважин является катодная защита. Оценка эффективности катодной защиты, основанная на результатах расчета оптимальных параметров и экспериментальной проверке полученных результатов, и состояния металла эксплуатационной колонны скважины (ЭКС) является нетривиальной задачей, требующей применения комплекса различных методов, введения упрощений, условностей и т.п.

Выбор критериев эффективности противокоррозионной защиты и оценки коррозионного состояния ЭКС требует сочетания известных технологий и особенностей их практической реализации.

Представленная диссертационная работа выполнена в рамках заказ-наряда ОАО «Татнефть» «Разработка методики оценки защищённости обсадных колонн скважин при катодной защите от коррозии, вызываемой блуждающими и макрокоррозионными токами, с включением её в существующие нормативные документы ОАО «Татнефть».

Цель работы: диагностическое обследование обсадных колонн нефтяных скважин, выявление характерных дефектов и интервалов их фактического расположения; оценка влияния ряда факторов на распределение защитной плотности тока по глубине обсадной колонны и адаптация существующих методик оптимизации параметров катодной защиты к эксплуатационным условиям ОАО «Татнефть».

Основные задачи исследования:

❖ Апробация технологии диагностики коррозионного состояния обсадных колонн с использованием опытно-промышленного скважинного магнитного интроскопа МИ-50;

❖ Сравнительный анализ результатов визуальной оценки коррозионного состояния труб обсадной колонны, извлеченных из скважины с результатами магнитной интроскопии;

❖ Проведение промысловых испытаний согласно методике оценки профилей падения напряжения и оценка распределения плотности тока катодной защиты по высоте (длине) обсадной колонны;

❖ Определение параметров катодной защиты обсадных колонн с использованием метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт с учетом геометрических характеристик колонны;

❖ Разработка программного обеспечения для метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт;

❖ Сопоставление расчетных значений параметров катодной защиты, полученных при использовании метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт с результатами промысловых испытаний;

❖ Статистический анализ данных системы телеметрии станций катодной защиты и выбор модели, позволяющей прогнозировать значения силы тока.

Научная новизна

Установлена вероятность наличия биполярных эффектов при катодной защите обсадных колонн, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты.

Выявлено влияние схемы соединений элементов обсадной колонны на распределение тока защиты по глубине колонны.

Показано, что коэффициент, связывающий сдвиг потенциала на забое скважины с силой тока защиты, и коэффициент, связывающий сдвиги потенциала на устье и забое скважины, которые в соответствии со стандартом EN 15112 считаются постоянными, на самом деле зависят от величины защитного тока.

Практическая значимость

Результаты диагностирования коррозионного состояния обсадных колонн с использованием метода магнитной интроскопии послужили основой для разработки «Методики обследования технического состояния обсадных колонн скважин с применением магнитного интроскопа» (РД 153-39.0-430-05 ОАО «Татнефть»),

Результаты оценки защищенности обсадных колонн методом определения профиля падения напряжения на эксплуатационной колонне нефтяных скважин послужили основой для разработки приложения к «Инструкции по электрохимическим методам защиты обсадных колонн скважин и подземных трубопроводов от грунтовой коррозии» (РД 153-39.0-80313 ОАО «Татнефть»),

Спроектировано программное обеспечение на объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7, позволяющее проводить расчет параметров катодной защиты на основании геометрических характеристик обсадной колонны и заданной величины смещения потенциала на забое скважины, используя экспериментально получаемые значения силы тока и смещения потенциала на устье скважины.

На защиту выносятся:

♦> результаты визуальной оценки коррозионного состояния труб обсадных колонн, извлеченных из скважины;

❖ результаты дефектоскопического обследования эксплуатационных колонн скважин с использованием технологии магнитной интроскопии;

❖ результаты оценки профилей падения напряжения и распределения плотности тока катодной защиты по высоте (длине) обсадной колонны с учетом геометрических характеристик конструкции;

❖ обоснование наличия биполярных эффектов при катодной защите обсадных колонн, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты;

❖ программное обеспечение, позволяющее проводить расчеты в соответствии со стандартом EN 15112 и результаты апробации метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт в промысловых условиях ОАО «Татнефть»;

❖ результаты статистического анализа телеметрических данных станций катодной защиты и модель прогнозирования значений силы тока.

Достоверность результатов базируется на использовании современных электрохимических методов исследования и привлечения для трактовки результатов последних достижений в области теории коррозионных процессов.

Личный вклад автора. Автором лично получены, обработаны и систематизированы экспериментальные данные, приведенные в данной работе. Постановка задач исследования осуществлялась совместно с научным руководителем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных совещаниях в ОАО «Татнефть» и «ТатНИПИнефть» (Бугульма, Альметьевск, 2009, 2011гг.), на V российско-китайском симпозиуме по промысловой геофизике (Москва, 2008г.), на VIII международной научно-практической конференции «Перспективные вопросы мировой науки» (София, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 12 статей, из которых 9 в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации материалов диссертации, 2 тезиса докладов, 2 патента, 1 учебное пособие, 2 руководящих документа, 1 приложение к руководящему документу.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, четырех глав экспериментальной части, списка литературы, включающего 119 наименований, и 1 приложения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 19 таблиц и 74 рисунка.

Выражаю глубокую благодарность сотрудникам кафедры технологии электрохимических производств: д.т.н., профессору Кайдрикову P.A. за помощь в определении направления исследования, к.т.н., доценту Виноградовой С.С., к.т.н., доценту Ткачевой В.Э. за помощь в обсуждении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность рассматриваемой проблемы, определены цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященный коррозионным проблемам при эксплуатации обсадных колонн нефтяных скважин (на примере ОАО «Татнефть»), мониторингу коррозионного состояния ЭКС, методам определения оптимальных электрических параметров системы электрохимической защиты. Отмечено, что основной причиной снижения эффективной эксплуатации и экологической безопасности скважины является потеря герметичности обсадных колонн вследствие протекания электрохимической коррозии. Показано, что применение катодной защиты обсадных колонн позволяет снижать отказы по причине коррозии до трех раз по данным ОАО «Татнефть». Обоснована необходимость проведения работ, направленных на оценку коррозионного состояния ЭКС в промысловых условиях, и оптимизации параметров электрохимической защиты.

Во второй главе представлена характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования были выбраны металлические обсадные колонны нефтяных скважин НГДУ ОАО «Татнефть». Обоснован выбор метода мониторинга коррозионного состояния ЭКС и описана технология диагностики с помощью опытно-промышленного скважинного магнитного интроскопа МИ-50. Описаны используемые методики исследования защищенности обсадной колонны с помощью двухконтактного зонда, метода расчета сдвига потенциала с учетом геометрических характеристик колонны, метода поляризационных кривых (согласно стандарту EN 15112). Приведен и описан алгоритм расчета параметров катодной защиты с помощью программного обеспечения на объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7, разработанный для метода расчета сдвига потенциала.

Третья глава посвящена 0059.1 -описанию результатов апробации

0059.2 т

0059.3 -

0059.4 ^

0059.7 -

0059.8

а

" ---А? ' ""

Участок коррозии

Муфтовое I соединение 1

технологии диагностики

коррозионного СОСТОЯНИЯ обсадных 0059 5-колонн с помощью магнитного 0059.6^ интроскопа МИ-50. Получены результаты дефектоскопического обследования ЭКС № 2691 НГДУ «Азнакаевскнефть», № 22505 НГДУ «Бавлынефть», № 2161 НГДУ «Бавлынефть» в виде магнитограмм и таблиц интервалов с выявленными коррозионными поражениями (рис. 1, 2, табл. 1).

Рис. 1. Магнитограмма ЭКС № 22505 НГДУ «Бавлынефть» в интервале 59,1 -59,8 м на границе с муфтовым соединением

0228.50228.6

0228.7

0228.8 — 0228.9 0229.0-. 0229.1

0229.2—.

0229.3-.

0229.4

0229.5

0229.6

0223.7 —

Рис. 2. Магнитограмма ЭКС № 2691 НГДУ «Азнакаевснефть» в области башмака кондуктора в интервале 228,5 - 230,8 м

Таблица 1

Интервалы обсадной колонны добывающей скважины № 2691 НГДУ «Азнакаевскнефть» с выявленными коррозионными поражениями

Интервал, м Длина Меж- Количество дефектов с глубиной Площадь

муфты грубный поражения, штук поражения.

см зазор 0%- 40%- 60%- 80%- %

Кровля Подошва см 39% 59% 79% 100%

1,8 12,8 - - 514 23 4 11 1.3%

12,8 24,0 24,0 2,8 461 33 3 7 1.4%

24,0 35,0 24,2 3,5 354 6 0 4 1.3%

35,0 46,1 19,3 4,0 403 8 3 4 1.2%

46,1 56,5 17,3 4,0 276 21 5 24 1.1%

56,5 67,9 17,3 4,1 193 11 1 2 1.2%

67,9 222,1 - - 101 0 0 0 менее 0.1%

222,1 231.2 16,7 4,9 26 1 0 0 0.3%

231,2 242,4 16,7 4,8 154 4 0 0 1.0%

242,4 253.4 16,0 4,8 54 1 0 0 менее 0.1%

253,4 264.0 17,5 4,2 50 0 0 0 менее 0.1%

264,0 276.5 17,7 5,1 48 0 0 0 0.1%

276,5 288,5 17,0 3,5 4 0 0 0 менее 0.1%

288,5 299,5 17,7 4,4 33 1 0 0 менее 0.1%

299,5 311,5 17,5 4,3 8 0 0 0 менее 0.1%

Выявлены характерные дефекты обсадных колонн (рис. 1, 2) и интервалы их фактического расположения, обнаруженные с помощью магнитной интроскопии ЭКС (табл. 1) и подтвержденные визуальной оценкой извлеченных обсадных труб (рис. 3),

Анализ результатов диагностики коррозионного состояния ЭКС показал, что общим для всех скважин является локализация коррозионных процессов в области башмака кондуктора (по дистанции стенки ЭКС), на границе с Рис. 3. Сквозная наружная муфтовыми соединениями и реже коррозия ЭКС № 2691 на непосредственно в самих муфтовых

границе с муфтовыми соединениях. В ряде случаев это приводит

соединениями в интервалах: _ , ,

г к образованию сквозных дефектов (рис. 3).

24,29; 34,84 м

Четвертая глава посвящена исследованию защищенности обсадных колонн с использованием метода оценки профилей падения напряжения вдоль обсадной колонны.

Разработана и внедрена в руководящий документ ОАО «Татнефть» методика оценки профилей падения напряжения вдоль обсадной колонны при отключенной и включенной катодной защите, учитывающая влияние площади поперечного сечения составляющих колонны.

Приведены результаты промысловых испытаний согласно разработанной методике оценки профилей падения напряжения и оценены результаты распределения плотности тока катодной защиты по высоте (длине) обсадной колонны для скважин № 22505, № 2161 НГДУ «Бавлынефть» ОАО «Татнефть». Установлено наличие анодных зон на поверхности ЭКС № 22505 на глубинах 300-350 и 800-850 м (рис. 4а); для ЭКС № 2161 в интервалах глубин 200-250, 600-650, 800-850 м.

Установлена вероятность наличия биполярных эффектов при катодной защите обсадных колонн в области башмака кондуктора, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты.

Показано влияние схемы соединений элементов обсадной колонны на распределение тока защиты по глубине колонны на примере скважины № 24173 НГДУ «Лениногорскнефть» ОАО «Татнефть» (рис. 46).

о'' Д'М$,02 0,04

Сила тока. А 2 4 6 В 10 12 14 16 18 20

150 200

1 2 V 3 кондуктор

.......г техническая колонна

-—!—и

эксплуатационная колонна

Рис. 4. Распределение плотностей токов по длине обсадной колонны скважин № 22505 (а) и № 24173 (б): 1 - естественное состояние; 2 - элементы колонны соединены перемычками (ток защиты 6 А), 3 — перемычки между элементами колонны отсутствуют (ток защиты 6 А)

Установлено, что наличие внешних перемычек между элементами обсадной колонны приводит к тому, что большая часть тока протекает по внешним элементам конструкции, т.к. рассчитанные значения силы тока, протекающего через ЭКС, в случае наличия перемычек между элементами колонны (рис. 46 кривая 2) значительно ниже рассчитанных значений силы тока в случае отсутствия перемычек (рис. 46 кривая 3).

Пятая глава посвящена исследованию защищенности обсадных колонн с использованием метода расчета сдвига потенциала согласно стандарту EN 15112.

Разработан и использован алгоритм расчета параметров катодной защиты с помощью программного обеспечения для расчетно-экспериментальной методики на объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7.

Сопоставлены расчетные значения параметров катодной защиты для обсадной колонны скважины № 7263г НГДУ «Бавлынефть» с результатами промысловых испытаний. Установлено, что соотношение между смещением потенциала на устье скважины и силой тока защиты, а также рассчитанное значение удельного сопротивления покрытия зависят от величины силы тока защиты, при этом коэффициент вариации составляет 0,11 (табл. 2).

Таблица 2

Результаты определения сдвига потенциала на устье скважины и

измеренные соотношения между сдвигом потенциала и током защиты

Сила Потенциал Сдвиг Измеренное Удельное

тока после потенциа соотношение сопротивление

Ш, А отключения ла ((Л), В (Д), В/А покрытия (гсо),

тока (С//), В Ом • м2

3 -1,54 0,783 0,261 373

4 -2 1,243 0,311 450

5 -2,6 1,843 0,369 541

6 -2,9 2,143 0,357 523

7 -3,12 2,363 0,338 492

8 -3,42 2,663 0,333 485

9 -3,6 2,843 0,316 458

10 3,72 2,963 0,296 428

Среднее значение 0,323 469

Стандартное отклонение 0,034 53,79

Коэффициент вариации 0,11 0,11

Установлено влияние срока эксплуатации скважины на величину удельного сопротивления покрытия обсадной колонны, что приводит к росту расчетного значения силы тока, необходимого для обеспечения заданного смещения потенциала на забое.

Установлено влияние тока поляризации, при котором проводились измерения, на расчетное значение силы тока, необходимого для обеспечения заданного смещения потенциала на забое (табл. 3).

Таблица 3

Влияние экспериментального значения силы тока защиты на рассчитанные значения силы тока защиты при выбранных смещениях

потенциала на забое скважины

№ скважины Рассчитанные значения силы тока защиты (/¡), А

Смещение потенциала на забое скважины (110), В

и<> — 0,1 (/о = 0,2

Экспериментальная сила тока защиты 3 А

29П 1,08 2,16

3913 0,76 1,52

4813Г 0,58 1,15

Экспериментальная сила тока защиты 5 А

29П 1,66

3913 1,39 2,78

4813Г 0,83 1,66

Экспериментальная сила тока защиты 7А

29П 2,59 5,17

3913 1,93 3,85

4813Г 1,13 2,26

Установлена необходимость сближения значений экспериментально полученного тока поляризации к рассчитанному току защиты. Для скважины №29П при смещении потенциала на забое 0,1В по мере уменьшения тока поляризации (7А, 5А и ЗА) разница между расчетными значениями тока защиты уменьшается (2,59; 1,66 и 1,08А).

Предложен алгоритм расчета силы тока защиты. Экспериментальные исследования проводят при силе тока порядка 7А, затем при выбранном смещении потенциала на забое (17о) рассчитывают силу тока защиты (/3). Если расчетное значение силы тока меньше экспериментального (для скважины №3913, /э = 7А, и о — 0,2В, /3 = 3,85А), то на следующем шаге в эксперименте используют меньшее значение поляризующего тока (для данного примера -значение поляризующего тока 5А, а расчетное значение тока защиты составит 3,85А). Эксперименты и расчеты проводят до тех пор, пока результаты не сблизятся (для данного примера при ЗА расчетное значение тока защиты составит 1,52А), либо пока не будет достигнуто минимальное значение тока защиты. Если рассчитанное значение превосходит значение, при котором проводились экспериментальные исследования, то на следующем шаге в эксперименте увеличивают плотность поляризующего тока.

Шестая глава посвящена описанию и статистической оценке динамики параметров катодной защиты обсадных колонн, получаемых со станций катодной защиты с помощью системы телеметрии.

Установлены характерные типы динамики значений силы тока защиты и напряжения станций катодной защиты. Визуально определено (рис. 5), что наблюдаемые подъемы и спады силы тока смещены по времени относительно подъемов и спадов напряжения. Аналогичные закономерности выявлены и для других скважин.

Показано наличие разных типов взаимосвязи между силой тока защиты и напряжением станции катодной защиты, отличающихся формой, направлением и силой.

4000 6000 8000 Количество наблюдений

10000 12000

Рис. 5. Динамика значений силы тока и напряжения станции катодной защиты скважины № 172 НГДУ «Бавлынефть», снятые с использованием системы телеметрии за период 1.02.2012 по 7.05.2012

Подобрана модель, обеспечивающая возможность прогнозирования значений силы тока и статистически подтверждена адекватность предлагаемой авторегрессионной модели (рис. 6).

Forecasts; Model:(0,1,1)(4.0,10) Seasonal lag: Input: TOK.A Start of origin: 1 End of origin: 300

220 260 300 340 200 240 280 320

Рис. 6. График прогноза ожидаемых 25 значений силы тока станции катодной защиты скважины № 172 НГДУ «Бавлынефть»

- Observed - Forecast

ВЫВОДЫ

1. Впервые в ОАО «Татнефть» проведена визуальная оценка коррозионного состояния труб обсадных колонн, извлеченных из скважины, и апробирована технология диагностики коррозионного состояния обсадных колонн с использованием опытно-промышленного скважинного магнитного интроскопа МИ-50. Показано, что результаты анализа визуальной оценки коррозионного состояния обсадных труб, извлеченных из скважины,

15

соответствуют результатам магнитной интроскопии. Выявлены характерные дефекты обсадных колонн и интервалы их фактического расположения.

2. Разработана и внедрена в руководящий документ ОАО «Татнефть» методика оценки профилей падения напряжения вдоль обсадной колонны при отключенной и включенной катодной защите, учитывающая влияние площади поперечного сечения составляющих колонны.

3. Проведены промысловые испытания согласно разработанной методике оценки профилей падения напряжения и обосновано наличие биполярных эффектов в области башмака кондуктора при катодной защите обсадных колонн, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты.

4. Показано влияние схемы соединений элементов обсадной колонны на распределение тока защиты по глубине колонны на примере скважины № 24173 НГДУ «Лениногорскнефть» ОАО «Татнефть». Установлено, что наличие внешних перемычек между элементами обсадной колонны приводит к тому, что большая часть тока протекает по внешним элементам конструкции.

5. Разработано и внедрено в руководящий документ ОАО «Татнефть» программное обеспечение для расчетно-экспериментальной методики определения параметров катодной защиты обсадных колонн с использованием метода расчета сдвига потенциала и учетом конструкции скважин.

6. Сопоставлены расчетные значения параметров катодной защиты, полученные при использовании метода расчета сдвига потенциала, с результатами промысловых испытаний. Установлено, что соотношение между смещением потенциала на устье скважины и силой тока защиты, а также рассчитанное значение удельного сопротивления покрытия зависят от величины силы тока защиты.

7. Установлено наличие разных типов взаимосвязи между силой тока защиты и напряжением станции катодной защиты. Подобрана авторегрессионная модель, обеспечивающая возможность прогнозирования значений силы тока и статистически подтверждена ее адекватность.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. РД 153-39.0-430-05. Методика обследования технического состояния обсадных колонн скважин с применением магнитного интроскопа. Бугульма, 2005. 16 с.

2. Ибрагимов Н.Г., Гареев P.M., Даутов Ф.И., Долгих С.А. Состояние и результаты катодной защиты эксплуатационных колонн скважин в ОАО «Татнефть» // Нефтяное хозяйство. 2009. № 11. С. 134-137.

3. Фадеев В. Г., Федотов Г. А., Абакумов А. А., Абакумов А. А. (мл.), Касатов Е. А., Терещенко И. В., Даутов Ф. И., Долгих С. А. Новые системы сканирующей магнитной интроскопии эксплуатационных колонн скважин // Сб. науч. трудов ТатНИПИнефть. 2009, Бугульма. С. 443-458.

4. Интроскоп магнитный скважинный: пат. 2382357 Рос. Федерация. № 2008133831/28; заявл. 15.08.08; опубл. 20.02.10. Бюл. № 5. 13 с.

5. Фадеев В. Г., Абакумов А. А, Абакумов А. А., Долгих С. А., Шакиров Ф. Ш., Даутов Ф. И. Применение магнитной интроскопии для оценки технического состояния обсадных колонн скважин // Сб. науч. трудов ТатНИПИнефть. 2011, Бугульма. С. 342 - 353.

6. Долгих С. А., Шакиров Ф. Ш., Журавлев Б. Л., Кайдриков Р. А., Ткачева В. Э., Виноградова С. С. Результаты расчета электрохимических параметров катодной защиты обсадной колонны нефтяной скважины // Практика противокоррозионной защиты. 2013. № 1(67). С. 5-10.

7. Гареев Р. М., Долгих С. А., Шакиров Ф. Ш., Кайдриков Р. А., Ткачева В. Э. Результаты исследования и расчет распределения плотности тока защиты по глубине обсадной колонны скважины // Нефтяное хозяйство. 2013. № 3. С. 100-102.

8. Долгих С. А., Шакиров Ф. Ш., Виноградова С. С., Журавлев Б. Л., Галиев И. Н. Определение параметров расчетной модели катодной защиты обсадных колонн по результатам исследований в промысловых условиях // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 19. С. 313-316.

17

9. Долгих С. А., Шакиров Ф. Ш., Виноградова С. С. Журавлев Б. Л. Выбор тока защиты обсадных колонн с использованием экспериментально -теоретической методики // Вестник Казанского технологического университета. 2013. №23. С. 204-206.

10. Долгих С.А., Ткачева В.Э., Кайдриков P.A., Журавлев Б.Л. Катодная защита обсадных колонн нефтяных скважин: учеб. пособие. Казань: Казан, нац. исслед. технолог, ун-т., 2013. 136 с.

11. Извещение № 1-2013 об изменении РД 153-39.0-803-13 «Инструкция по электрохимическим методам защиты обсадных колонн скважин и подземных трубопроводов от грунтовой коррозии»: утв. ОАО «Татнефть»; Бугульма 27.12.2013. Составил: Долгих С.А. Бугульма: ТатНИПИнефть, 2013.7 с.

12. Сканирующий магнитный интроскоп для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин: пат. 2477853 Рос. Федерация. № 2011147674/28; заявл. 23.11.2011; опубл. 20.03.2013. 12 с.

Отпечатано в секторе оперативной полиграфии института "ТатНИПИнефть" ОАО 'Татнефть" тел: (85594) 78-656,78-565 Подписано в печать 16.04.2014 г. Тираж 80 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический

университет»

На правах рукописи

«У! 1 3

Долгих Сергей Александрович

КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН СКВАЖИН: ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ

05.17.03 - технология электрохимических процессов и защита от коррозии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Журавлев Б.Л.

Казань-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1 КОРРОЗИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ, МОНИТОРИНГ И 9 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

1.1 Конструкции скважин 9

1.2 Мониторинг коррозионного состояния обсадных колонн 10

1.3 Характерные виды коррозионных разрушений 14

1.4 Статистические данные о коррозионных отказах обсадных 18 колонн ОАО «Татнефть»

1.5 Методы определения электрических параметров катодной 24 защиты

1.6 Заключение по литературному обзору 29 Глава 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 32

2.1 Объект исследования 32

2.2 Технология диагностики коррозионного состояния обсадной 37 колонны

2.3 Исследование защищенности обсадной колонны с помощью 45

двухконтактного зонда

2.4 Исследование защищенности обсадной колонны с 50 использованием метода поляризационных кривых

2.5 Исследование защищенности обсадной колонны с 51 использованием метода расчета сдвига потенциала

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ 55 КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН Глава 4 РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА ЗАЩИТЫ 76 ПО ГЛУБИНЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

4.1 Методика оценки профилей падения напряжения вдоль 77

обсадной колонны при отключенной и включенной катодной защите

4.2 Апробация методики на скважинах № 22505 и № 2161 НГДУ 79 «Бавлынефть»

4.3 Влияние схемы соединений элементов обсадной колонны на 88

распределение тока защиты по глубине скважины 4.4 Выводы 92

Глава 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИЩЕННОСТИ ОБСАДНЫХ 94 КОЛОНН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА РАСЧЕТА СДВИГА ПОТЕНЦИАЛА

5.1 Расчетно-экспериментальная методика определения 94 параметров катодной защиты обсадных колонн

5.2 Определение параметров расчетной модели катодной защиты 98 обсадных колонн по результатам исследований в промысловых условиях

5.3 Выбор тока защиты обсадных колонн с использованием 104 экспериментально - теоретической методики

5.4 Выводы 108 Глава 6 ДИНАМИКА ПАРАМЕТРОВ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ 109 ОБСАДНЫХ КОЛОНН

6.1 Статистические характеристики электрических параметров 110 катодной защиты

6.2 Прогнозирование значений силы тока защиты 116

6.3 Выводы 120 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121 ЛИТЕРАТУРА 123 ПРИЛОЖЕНИЕ 136

ВВЕДЕНИЕ

Нефтяные скважины являются дорогостоящими капитальными сооружениями, которые служат многие десятилетия и представляют собой сложную инженерную конструкцию. Наиболее ответственной частью скважины является обсадная колонна, обеспечивающая крепление ствола скважины и изоляцию различных геологических пластов.

В контакте с цементом сталь находится в пассивном состоянии. Однако не всегда удается обеспечить надежное цементное покрытие всей наружной поверхности колонны за счет целого ряда дефектов, являющихся причиной возникновения анодных зон, которыми являются плохо зацементированные участки металлической конструкции, находящиеся в контакте с агрессивной средой. Коррозия обсадных труб, как правило, развивается неравномерно, особенно в случае сероводородной коррозии, и преимущественно носит язвенный характер, вызывающий появление сквозных отверстий в трубах часто на фоне незначительной общей коррозии, что приводит к отказу обсадной колонны.

Единственным методом предупреждения грунтовой коррозии обсадных колонн скважин на сегодняшний день является катодная защита, оценка эффективности которой основывается на результатах расчета оптимальных параметров и экспериментальной проверке полученных результатов.

Основным параметром катодной защиты является величина защитного тока. Для обсадных конструкций защитный ток считается достаточным в том случае, если результаты измерений показывают, что электрический ток, направленный на обсадную колонну, устранил все анодные участки. Существует ряд методов, позволяющих определить требуемую величину тока катодной защиты: метод поляризационных кривых (электрического каротажа); метод определения профиля падения напряжения на эксплуатационной колонне; метод расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт; метод

моделирования катодной защиты скважины.

Оценка эффективности электрохимической защиты и состояния металла эксплуатационной колонны скважины является нетривиальной задачей, требующей применение комплекса различных методов, введения упрощений, условностей и т.п. Выбор критериев эффективности противокоррозионной защиты и оценки коррозионного состояния эксплуатационной колонны скважины требует сочетания известных технологий и особенностей их практической реализации.

Цель работы: диагностическое обследование обсадных колонн нефтяных скважин, выявление характерных дефектов и интервалов их фактического расположения; оценка влияния ряда факторов на распределение защитной плотности тока по глубине обсадной колонны и адаптация существующих методик оптимизации параметров катодной защиты к эксплуатационным условиям ОАО «Татнефть».

Основные задачи исследования:

1 Апробация технологии диагностики коррозионного состояния обсадных колонн с использованием опытно-промышленного скважинного магнитного интроскопа МИ-50.

2 Сравнительный анализ результатов визуальной оценки коррозионного состояния труб обсадной колонны, извлеченных из скважины с результатами магнитной интроскопии.

3 Проведение промысловых испытаний согласно методике оценки профилей падения напряжения и оценка распределения плотности тока катодной защиты по высоте (длине) обсадной колонны.

4 Определение параметров катодной защиты обсадных колонн с использованием метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт с учетом геометрических характеристик колонны.

5 Разработка программного обеспечения для метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе

скважина/грунт.

6 Сопоставление расчетных значений параметров катодной защиты, полученных при использовании метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт с результатами промысловых испытаний.

7 Статистический анализ данных системы телеметрии станций катодной защиты и выбор модели, позволяющей прогнозировать значения силы тока.

Научная новизна

Установлена вероятность наличия биполярных эффектов при катодной защите обсадных колонн, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты.

Выявлено влияние схемы соединений элементов обсадной колонны на распределение тока защиты по глубине колонны.

Показано, что коэффициент, связывающий сдвиг потенциала на забое скважины с силой тока защиты, и коэффициент, связывающий сдвиги потенциала на устье и забое скважины, которые в соответствии со стандартом ЕМ 15112 считаются постоянными, на самом деле зависят от величины защитного тока.

Практическая значимость

Результаты диагностирования коррозионного состояния обсадных колонн с использованием метода магнитной интроскопии послужили основой для разработки «Методики обследования технического состояния обсадных колонн скважин с применением магнитного интроскопа» (РД 15339.0-430-05 ОАО «Татнефть»).

Результаты оценки защищенности обсадных колонн методом определения профиля падения напряжения на эксплуатационной колонне нефтяных скважин послужили основой для разработки приложения к «Инструкции по электрохимическим методам защиты обсадных колонн скважин и подземных трубопроводов от грунтовой коррозии»

(РД 153-39.0-803-13 ОАО «Татнефть»).

Спроектировано программное обеспечение на объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7, позволяющее проводить расчет параметров катодной защиты на основании геометрических характеристик обсадной колонны и заданной величины смещения потенциала на забое скважины, используя экспериментально получаемые значения силы тока и смещения потенциала на устье скважины.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, четырех глав экспериментальной части, списка литературы, включающего 119 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 19 таблиц и 74 рисунка.

На защиту выносятся: 4ь результаты визуальной оценки коррозионного состояния труб обсадных колонн, извлеченных из скважины;

результаты дефектоскопического обследования эксплуатационных колонн скважин с использованием технологии магнитной интроскопии; результаты оценки профилей падения напряжения и распределения плотности тока катодной защиты по высоте (длине) обсадной колонны с учетом геометрических характеристик конструкции; "4- обоснование наличия биполярных эффектов при катодной защите обсадных колонн, приводящих к усилению локального анодного растворения металла при увеличении силы тока защиты; "¡4- программное обеспечение, позволяющее проводить расчеты в соответствии со стандартом EN 15112 и результаты апробации метода расчета сдвига потенциала в стволе скважины и величины сопротивления в системе скважина/грунт в промысловых условиях ОАО «Татнефть»;

результаты статистического анализа телеметрических данных станций катодной защиты и модель прогнозирования значений силы тока.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

гис геофизические исследования

гк гамма-каротаж

мэс медно-сульфатный электрод сравнения

НГДУ нефтегазодобывающее управление

нкт насосно-компрессорная труба

скз станция катодной защиты

СМИ сканирующий магнитный интроскоп

эмдс электромагнитный дефектоскоп скважинный

экс эксплуатационная колонна скважины

эхз электрохимическая защита

Глава 1. КОРРОЗИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ, МОНИТОРИНГ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН

НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

1.1 Конструкции скважин

Необходимым условием ввода скважины в эксплуатацию является

обеспечение стабилизации и изоляции ствола с помощью обсадной колонны,

которая составляется из обсадных труб путем последовательного их

свинчивания (сваривания). Для обеспечения надежного крепления и

устойчивости участка ствола металлическую обсадную колонну обычно

цементируют [1-3]. Типичная конструкция скважины согласно [2]

представлена на рисунке 1.1.

1 1

Рисунок 1.1 - Конструкция скважины: а - одноколонной, б - двухколонной; 1 - поверхность земли, 2 - кондукторная колонна, 3 - интервал цементирования, 4 - эксплуатационная колонна, 5 - трубный башмак, 6 - межтрубное пространство, 7 - эксплуатационная колонна, 8 - эксплуатационный хвостовик, 9 - эксплуатационный пакер, 10 - промежуточная колонна

Обсадная колонна труб позволяет: предотвратить попадание жидкости из вышезалегающих пластов; выдерживать давление окружающих геологических пластов; отделять внутреннюю поверхность ствола скважины от окружающего грунта; продолжать бурение до продуктивного горизонта; спускать колонну труб с поверхности до продуктивного горизонта.

Конструкция добывающей скважины выбирается, исходя из особенностей геологического строения месторождения, глубины местонахождения залежи, также зависит от способа добычи нефти и других факторов [4].

На территории НГДУ ОАО «Татнефть» преимущественно используется одноколонная конструкция, которая предусматривает в своем составе кроме направления и кондуктора только эксплуатационную колонну (рисунок 1.1а). Поскольку устье скважин лежит в зоне легкоразмываемых пород, его укрепляют с помощью направления длиной до 50 м. Длина кондукторной колонны, предотвращающей возможность засолонения пресных вод и попадания в них вредных веществ с нижележащих пластов достигает 500 м. Длина эксплуатационной колонны до продуктивного пласта порядка 2000 м, ее диаметр не превышает 0,168 м.

1.2 Мониторинг коррозионного состояния обсадной

колонны

Эксплуатационная надежность и экологическая безопасность скважины как сложного инженерного сооружения во многом определяется коррозионным состоянием обсадных колонн, являющихся основным элементом крепи [5].

Основными задачами мониторинга являются: - получение фоновых кривых, характеризующих первоначальное техническое состояние обсадных колонн и цементного кольца с целью формирования "паспорта" технического состояния крепи скважин;

- определение зон износа обсадных колонн, остаточной толщины труб и их остаточной прочности;

- обнаружение порывов и трещин по телу обсадных труб и их характера (продольных, поперечных, направленных под углом к оси обсадной колонны);

- обнаружение интервалов интенсивной коррозии и сквозных поражений обсадных колонн;

обнаружение негерметичных муфтовых соединений и мест негерметичности обсадных колонн;

- определение состояния цементного кольца и обнаружение интервалов заколонных перетоков.

На всех этапах существования: строительства, эксплуатации, капитального ремонта и ликвидации проводится исследование ЭКС геофизическими методами. Полнота и объективность полученных данных определяются конструкцией скважины, скважинными условиями, технологией проведения исследований, применяемым комплексом ГИС и техническими возможностями скважинной геофизической аппаратуры, системностью подхода к измерениям [6 - 13].

Установки включают наземную и глубинную аппаратуру, соединенную между собой каналом связи — геофизическим кабелем, а также спуско-подъемный механизм, обеспечивающий перемещение глубинных приборов по стволу скважины. Существует целый ряд методов ГИС [14 - 57].

В начале 1980-х годов определенное распространение получили серийно выпускавшиеся приборы ДСИ и ЭПОК-1 [26]. Известны также случаи использования локатора муфт при контроле технического состояния обсадных колонн. Современное аппаратурное и программное обеспечение комплекса электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии (ЭМДС-ТМ), основанное на анализе электромагнитного поля в нестационарном режиме позволяет решать задачи качественного и количественного обследования обсадных колонн через насосно-компрессорные трубы эксплуатационных и

нагнетательных скважин без остановки процесса добычи нефти. Аппаратурные средства метода различаются по количеству и размерам зондов, временному диапазону регистрации сигнала и по разрешающим возможностям [20 - 29].

Метод электромагнитного зондирования позволяет проводить исследования колонн диаметром 52 - 350 мм при диаметре зонда, равном 30 мм при условии, что обсадные колонны и НКТ изготовлены из ферромагнитного материала [23].

Привязку выявленных дефектов к внутренней или к внешней колонне позволяют производить приборы ЭМДС-ТМ-42 с комплексом зондов и современным программным обеспечением. Дефекты стальной колонны типа продольных трещин и близких к продольным фиксируются по интенсивным аномалиям осевого зонда [25, 26]. Для решения задач поиска малых локальных дефектов созданы приборы ряда ЭМДС-С [20 - 29]. Основной особенностью аппаратуры является размещение зондов для фиксации малых дефектов в специальных прижимных контейнерах, скользящих по стенке скважины.

Разделение внутренних и внешних дефектов колонны позволяют электромагнитные дефектоскопы Pipe analysis logs [30]. Высокочастотный вихревой ток определяет дефекты на внутренней стенке колонны, а рассеяние магнитного потока отражает ее толщину. Использование данного прибора в комбинации с другими приборами позволяет выявлять и идентифицировать дефекты на внутренней и внешней колонне в двухколонных конструкциях.

Для обнаружения масштабных коррозионных повреждений или трещин, а также обнаружения потерь металла на внешних колоннах в скважинах с несколькими колоннами используют прибор многочастотной электромагнитной толщинометрии МЕТТ [31]. Степень коррозионных повреждений оценивают посредством сочетания измерений толщины металла и внешней визуализации с внутренними радиальными измерениями.

Для исследования основной обсадной колонны применяется магнитный толщиномер Magnetic Thickness Tool, который отличается небольшими размерами [32]. Двенадцать выходных сигналов датчиков, расположенные по окружности внутри исследуемой обсадной колонны или НКТ, обеспечивают достаточно данных для трехмерной визуализации исследуемой трубы.

Институтом «ТатНИПИнефть» и компанией ООО «ЦТД Интроско» разработана и испытана технология