МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

69 ИНСТРУКЦИЯ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ И ЗАЩИЩЕННОСТИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН СКВАЖИН ПО ИХ ДЛИНЕ

РД 39-3-763-82 Миннефтепром

москва 1983

В настоящей Инструкции освещены вопросы контроля коррозионного состояния и защищенности обсадных ковойн скважин газовых и нефтяных месторождений, дана методика определения необходимости электрохимической защиты, приведены критерии оценки коррозионного состояния, методика обследования обсадных колонн.

Инструкция не распространяется на обсадные колонны скважин, подверженные влиянию нестационарного поля бдущдаших токов.

Инструкция предназначена для инженерно-технического персонала служб защиты от коррозии прошсловых подземных сооружений.

Дополнительный материал, касающийся методов и средств проведения обследований сгруппирован в при л.

Инструкцию разработали: К.Л.Шаиоетдивов, Н.П.Гла-зов (ВНИИЯ¹) 1_Ф.И.Д§Утов, М.Н.Загиров (Татнипинефгь);

Н.А.Петров (ШШгавГ.

В работе принимали участие;Б.С.Дуков, В.А.Лавачев, Д.Г.Кулннич. Н.В.Шащуба ТВНИИСТ); В.К.Войчешво, Ф.К.Фат-рахианов (НЮ Союзуэбекгазпром).

Замечания и предложения направлять 1Ю адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, 19, БШИСТ, отдел электрозащиты*

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ),

цу входу одного из усилителей подключен верхний электрод, а я инвертирующему входу другого - ниянлй электрод зонда. Средний электрод подключают к общей точке усилителей. К выходам усилителей подключен показывающий прибор. В устройстве, собранном по такой схеме, реализуют формулу

j = KV,

масштабный коэффициент, Ом~*м~"; продольное сопротивление обсадной колонны на контролируемой глубине.Ом.м^-1; базовое расстояние между электродами зонда, обычно равное ?,:> ы; показание прибора, равное Ку(А Ц-А ^1В; падение напряжения вдоль обсадной колонны между верхним и средним электродами зонда. В;

то же, между средним и нижним электродами, В;

К и - одинаковый для обоих усилителей коэффициент усиления.

4.3. Плотность тока J на поверхности обсадной колонны (критерий оценки 3 ) определяют по результатам измерений, проведенных согласно п.4.2

₌ А B_r - A    jg-5'    (7)

jiD-R_Tt₃e_ul

где A и a - падения напряжения, измеренные вдоль колонны соответственно на никнем и верхнем участках, ыкВ;

В - наружный диаметр трубы колонны, м; t_ш - шаг перемещения зонда, равный 50 м.

4.4. Направление тока в шлейфе (критерий оценки 4) определяют с помощью измерения падения напряжения на отрезке шлейфа длиной 50 м (рис.5). Падение напряжения измеряют с помощью вольтметра Vj . При отсутствии на шлейфе контрольно-измерительного пункта необходимо отрыть шурф и присоединить измерительный провод непосредственно к трубе.

II

Рис.5. Схема измерения направления тока в шлейфе: АЗ-анодный заземлитель; КЖ-контрольно-измерительная колонка; А-амперметр: V, и Чо -вольтметры; R. и Ro -резисторы; Г-генерагор; С1 -гнойна заложения шлейфа; сг -высота расположения контакта; Г-обсадная колонна;2-шлейф

5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ НА ЮЛЭННЕ

5.1.    Измерения падения напряжения вдоль колонны производят приборами с входным сопротивлением не менее 20 кОм. При измерении потенциалов колонны относительно земли входное сопротивление приборов должно быть не менее 20 йЭм»В“ .

5.2.    Перед опусканием скважинного зонда необходимо установить счетчики на отметку "нудь" при расположении верхнего оголовка кабельного наконечника на одном уровне с колонным фланцем скважины.

5.3.    При всех измерениях рекомендуется опускать в скважину трехэлектродный зонд для получения информации по всем критериям оценки, а также для повышения надежности контакти -рования скважинного зонда с внутренней поверхностью обсадной колонны.

5.4.    Для сокращения времени измерения на обсадных колоннах и обеспечения высокого качества результатов обследований часть подготовительных работ необходимо произвести до выезда на скважину (проверку исправности и работоспособности аппаратуры, электрической и механической частей лаборатории и подъемника, зонда, опускаемого в колонну).

5.5.    Подготовительные работы на скважине заключаются в установке лаборатории, подъемника и блок-баланса, сборке схем внешних соединений и проверке работы основных узлов измерительной схеш.

При подготовке к работе вспомогательных устройств проверяют синхронность передачи (прокручивание ролика блок-баланса должно приводить к изменению показаний счетчиков глубины), сигнальные цепи и исправность переговорного устройства.

5.6.    Скважинный зонд присоединяют к кабелю и переносят к устью скважины, производят проверку соответствия номеров подвижных контактов зонда номерам жил кабеля.

5.7.    Спуск зонда в скважину необходимо производить плавно без рывков со скоростью,не превышающей 2_fo u.с"¹ (10 км-ч"¹).

При спуске зонда необходимо следить за сохранением постоянного натяжения кабеля, чтобы избежать перепускание кабеля при задержке зонда на каком-либо препятствии в колонне.

13

5.8.    Бее измерения вдоль обсадной колонны производят при остановленном зонде после создания надежного контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны.

Зонд необходимо трогать с места плавно при перемещении от нижниИ точки измерения к верхней,передвижение производить со скоростью, не превышавшей 2,8 m.c^-J- (10 кы.ч^-*). Торможение осуществляют плавно, после остановки спускают кабель на I ы для создания контактирования зонда с обсадной колонной.

5.9.    На время перемещения зонда прибор, измерявший па -дение напряжения вдоль колонны, необходимо либо отключать,либо повышать предел измерения во избежание выхода его ив строя.

6. УЧЕТ И УСТРАНЕНИЕ 1ЮГРШЮСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1.    Погрешности, вносише измерительными приборами,учитывают согласно техническим данным приборов или инструкциям по их определению.

6.2.    Погрешность определения гдубины расположения скважинного прибора относительно устья колонны может возникать по трем причинам:

от неодинаковости первоначальной установки скважинного прибора;

от проскальзывания кабеля в движении по блок-балансу;

от изменения температуры по глубине скважины.

6.2.1.    Для приведения нуля гдубины в соответствие с расположением скважинного прибора следует учитывать расстояние ох кабельного наконечника каротажной станции до первого подвижного электрода.

Для приведения паспортных глубин в соответствие с расположением скважинного прибора следует учитывать альтитуды стола ротора и колонного фланца.

6.2.2.    Для устранения проскальзывания кабеля относительно блок-баланса трогать с места и набирать скорости подъема или оцуска необходимо плавно, без рывков. Торможение также следует осуществлять плавно.

6.2.3.    Удлинение кабеля в зависимости от изменения температуры по глубине скважины следует вычислять по формуле

14

где

or

- геотермический градиент,

6.3.    При измерении падения напряжения по одноэлектродно-му или двухзлектродному способам и измерении плотности тока по трех»лектродному способу рекомендуется считывать показания с показывающих приборов после их стабилизации. Нестабильность обычно возникает в связи с нагревом подвижных контак -тов зонда от трения их о внутреннюю поверхность колонны при перемещении ив одной точки в другую, а также в связи с колебательным движением геофизического кабеля.

6.4.    При определении потенциала обсадной колонны на устье скважины относительно электрода сравнения, расположенного на дневной поверхности, необходимо приводить измеренное значение потенциала термогальванической системы "кодонна-электрод сравнения" к температуре 25°С путем введения поправки на температуру электрода сравнения по формуле

<Р«~-Ъ*№ГО"(е-Я),

где f_2j(c- потенциал сооружения при температуре электрода сравнения 25°С, В;

- потенциал сооружения при температуре электрода сравнения в момент измерения. В; t - температура электрода сравнения в момент измерения, °С.

При осуществлении защиты электрода сравнения от прямых солнечных лучей его температуру следует принимать равной температуре окружающей среды.

7. РЕЗУЛЬТАТЫ ЖЖЕНИЙ, ОЦЕНКА СКОРОСТИ

доррозии и стации зддщешюсти

7.1. Направление плотности тока с поверхности колонны в окружающую среду означает наличие на этой глубине анодной

15

зоны, направление из окружающей среды в колонну - катодной зоны.

7.2.    Вели разность напряжений ~^~^₂ болыяе. ^чем

разность напряжений Al7_z -    ,    то    на отрезке аб (см.

рис.2 и 3) находится анодная гона (ток стекает с колонны), если меньше - катодная зона (ток натекает на колонну).

7.3.    Скорость коррозии, равномерно распределенной по наружной поверхности колонны, по результатам измерения продольного сопротивления определяет по формуле

Ь₀ R₁ -Rg    (10)

т я,

где $о - толщина стенки трубы во время строительства скважины, ш;

Р - удельное продольное электрическое сопротивление ⁷ трубы по истечении времени Т после монтажа обсадной колонны, Ом.Н^-1, приведенное к температуре

₌ Р ^f°³

жЬ₀(В ~S_Q-W'³)

где р - удельное электрическое сопротивление стали трубы, Ом-м^-1;

П - наружный диаметр трубы, м.

Расчетные значения продольного сопротивления приведены в прил.З.

Для отечественных стальных обсадных труб всех групп прочности, а также труб из импортных сталей марок С75 и PIIQ удельное электрическое сопротивление при температуре 20°С реко -мендуется принимать равным 0,260*10“® Ом.м.

Приведение сопротивления трубы к 20°С осуществляет по формуле

16

Rt

I + oUt-20)

U2)

*! ~

где d - температурный коэффициент сопротивления, °C“^I (для стали ex' = 0,009°С^-^);

Rj. - продольное электрическое сопротивление при температуре t , Ом.м^-1.

7.4. Ориентировочно скорость коррозии обсадных труб мож-но оценить в лабораторных условиях путем определения скорости коррозии образцов трубной стали в наиболее агрессивных пластовых водах разреза местороддения.

7.4.1.    В лабораторных опытах используют либо пробы воды, отбираемые из исследуемых горизонтов, либо синтетические модели пластовых вод.

7.4.2.    При использовании синтетической модели исходную воду тщательно деаэрируют барботированием чистым инертным газом (гелием, аргоном, водородом или азотом). Содержание кислорода после барботирования не должно превышать 0,5 мг/л или естественного содержания в пласте, если оно больше 0,5 мг/л.

7.4.3.    После доведения ионного состава и концентраций агрессивных газов ( H₂S и 00£) до естественного уровня создают требуемую величину pH добавкой кислоты (НС£ или Н^О^) или щелочи ( N аОН или ЮН).

7.4.4.    Если температура в пласте отличается от комнатной температуры более чем на 5°С, то опыты проводят в термо-статируемой ванне.

7.4.5.    Коррозионные исследования в пластовых водах ведут в герметичной ячейке.

7.4.6.    Скорость коррозии в лабораторных условиях может быть определена в основном тремя способами: гравиметрически, снятием анодной и катодной поляризационных кривых в полулогарифмических координатах (рис.6) и коррози^етром.

■17

7.4.7.    С целью определения установившейся скорости коррозии в условиях образования ее твердых продуктов длительность выдержки образцов в коррозионной среде должна составлять не менее 590 ч, по ноточошга которых извлекают образцы для взвешивания, снимают поляризационные кривые turn измеряют скорость коррозии коррозиметрм.

-У

Рис.6. График для иллюстрации онределения тафелевских постоянных: I и 2-соответственно анодная и катодная поляризационные кривые бн - t(jdK • DA = tg&A

При гравиметрическом методе коррозионные потери ва первые 100-120 ч выдержки долины исключаться ив общих потерь путем использования контрольных образцов, извлекаемых череЬ 100-120 ч выдержки.

7.4.8. Количество параллельных образцов в каадой серии опытов должно составлять не менее трех.

7.4.9. В процессе опытов периодически контролируют и доводят до первоначального уровня концентрации агрессивных компонентов ( H_z5; C0_Z ).

7.4.10. Бели имеются сведения о вертикальном движении пластовых вод в заколонном пространстве скважин, отбиваемом термо-

18

метрией, то определение скорости коррозии производят в динамических условиях. При этом скорость движения электролита относительно образцов должна составлять от 0,05 до 0,1 м«с“*.

7.5. Ориентировочно коррозионное состояние обсадных колонн можно оценить по содержанию агрессивных компонентов в пластовых водах, контактирующих с колоннами.

При сероводородной коррозии скорость равномерного растворения металла в зависимости от гидродинамической ситуации за-колонного пространства скважин и концентрации сероводорода определяют по прия.2,рис.8.

7.6. Реальная скорость локальной коррозии может многократно превосходить определяемую критериями оценки I и 3. Коэффициент увеличения скорости коррозии различен для различных месторождений, глубины и литологии. Для ориентировочных расчетов данный коэффициент может быть принят равным от 5 до 10.

7.7, Степень защищенности обсадной колонны на данной глубине рассчитывают по формулам, указанным в работе [7 ];

P=l-expZ3-jr-

при

(13)

sh2,3

г

Тп

при

(14)

где ^ ⁼ф - ф - перенапряжение анодного процесса коррозии, В;

^{07 р} отационарный потенциал стали по электроду сравнения, В;

равновесный потенциал железа в данной среде относительно того же электрода сравнения, В;

Aip=(f- (f_cm- катодная поляризация обсадной колонны на данной глубине;

(f> - потенциал колонны при катодной защите ( при подстановке учитывают знав потенциалов), В;

6_а - угловой коэффициент прямолинейного участка анодной поляризационной кривой, В.

7.7.1. Величину катодной поляризации обсадной колонны в исследуемом интервале определяют по плотности тока в этом интервале при данном значении поляризующего тока (критерий оценки 3) и стационарной катодной поляризационной кривой (СКПК) стали в пластовой воде этого же интервала.

vr ~р

Фет Ф_Р ■

19

7.7.2. Снятие СКПК в пластовой воде производят в герметичной ячейке с использованием капилляра Луггина-Габера и вспомогательного анодного электрода из углеродистой стали (использование инертных электродов без предупреждения возможности попадания выделяющегося на инертном аноде кислорода или хлора в катодную область ячейки не рекомендуется).

7.7.2.1.    Рабочий (катодноголяркзуемый) электрод из трубной стали до начала поляризации выдерживает в исследуемой пластовой воде в течение 10 сут с целью получения на нем сульфидов и установления стационарного потенциала.

Рекомендуемая схема установки приведена в прил.1 рис .7.

7.7.2.2.    Электрохимическую ячейку для снятия кривых объемом не менее 2 л полностью (без газовой шапки) заполняют исследуемой пластовой водой, приготовляемой согласно пп.7.4:1-

7.4.4, после чего производят прошвку ячейки двух-,трехкратным объемом этой воды.

7.7.2.3.    СКПК снимают с фиксированием установившихся значений электродного потенциала при различных значениях плотности поляризующего тока. Установившееся значение потенциала определяют его измерениями через каядый час поляризации в' первые сутки, а в дальнейшем измерения производят не реке, чем два раза в сутки. Независимо от динамики электродного потен -циала в начальной фазе поляризации ее продолжительность при каждом значении плотности тока должна составлять не менее

2 сут. Рекомендуеше значения задаваемых плотностей тока при сероводородной коррозии 5 , 20, 50 и 100 мД/м^>

7.7.3.    Равновесный потенциал железа в сероводрродсодержа-шеп пластовой воде при рй=5 рассчитывают по форцуле

%=-т+10-*Т(2,8~2рН-еу[Н£]),    (15)

где [Н₂5] - концентрация сероводорода, моль/я;

Т - абсолютная температура, К.

Равновесный потенциал железа в средах, где растворение сопровождается образованием гидрата закиси железа, рассчитывают

.с формуле

=    -210~^цТ(рН-65),

Министерство нефтяное прошшленнос ти Министерство гавовой промышленности Министерство строительства предприятий нефтяное и гавовой промышленности

I. ОВДИЕ Ш ЖЖЕНИЯ

1.1.    В настоящей Инструкции рассматриваются вопросы определения коррозионного состояния и защищенности обсадных колонн одноствольных и кустовых скважин газовых и нефтяных промыслов,

1.2.    Методы определения коррозионного состояния и защищенности, изложенные в настоящей Инструкции, относятся к внешней поверхности обсадной колонны.

1.3.    Положения Инструкции не распространяются на участки обсадных колонн, расположенные на глубине свыше 4500 м, а также на обсадние колонны, подверженные влиянию нестационарного поля блуждающих токов. Определение наличия нестационарного поля блуждающих токов осуществляет измерением разности потенциалов между обсадной колонной и землей. Бели разность потенциалов "обсадная колонна-земля" неустойчива, то это указывает, что обсадная колонна подвержена влиянию нестационарного поля блуждающих токов.

1.4.    Долговечность обсадной колонны зависит от скоростей внешней и внутренней коррозии, которые в свою очередь определяются составом окружающей среды, материалом труб и рядом других факторов.

Внесена Всесоюзным научно-исследовательским институтом по строительству натисканных трубопроводов

Татарским научно-исследовательским и проектным институтом нефтяной промышленности (Татнипинефгь)

Всесоюзным научно-исследовательским институтом природных гяяо-в (ВНИИгяв) _

3

Где величина pH в призяектродном слое изменяется в пределах от 8,3 до 9,6.

Равновесный потенциал железа в общем случае рассчитывают по формуле

%—(№+\lO~*Т-£да_Гегf ,    С17)

где Ъ - число электронов, освобождающихся в электрохимической стадии окисления (или заряд ионов железа, находящихся в равновесии с металлом);

OL_fe^l* - активность вовов железа, находящихся в равновесии с металлом.

Активность конов железа в приздактродном слое в случае образования малорастворишх соединений рассчитывают исходя из концентрации анионов соединения в среде и произведения раст -ворнмости этого соединения.

8. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИЮФХАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

8.1.    Прв контроле эффективности электрохимической защиты на обсадных колоннах скважин следует руководствоваться следующими документами:

СНиП Ш-4-80 "Техника безопасности в строительстве";

"Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и правилами техники безопасности при эксплуатация электроустановок потребителей". М., Атомивдат, 1971, [8|;

Технической инструкцией но проведению геофизических исследований в скважинах. Ы., Госгеолгехнвдат, 1963 [ э].

8.2.    Лица, производящие замеры, должны быть обучены, проинструктированы на рабочее меоте и иметь квалификационную группу по технике безопасности не нижа ш.

8.3.    Загазованность на рабочем месте не должна превышать установленной нормы.

8.4.    Передвижные лаборатории во избежание поражения персонала электрическим током долины быть надежно заземлены,иметь

21

1.5. Необходимость защиты от коррозии обсадных колонн скважин определяет в зависимости от допустимого уменьшения толщины стенки обсадной колонны. Вели произведение планируемого срока службы обсадной колонны на сумму установившихся во времени максимальных скоростей внешней и внутренней коррозии на наиболее агрессивном горизонте больше допустимого коррозионного уменьшения толщины стенки обсадной трубы, то защита необходима, если указанное произведение равно толщине стенки или меньше его, то защита обсадной колонны не требуется.

Вели на нефтяном месторождении накоплен достаточный объем информации по коррозионным отказам обсадных колонн , необходимость катодной защиты устанавливает технико-экономически-

2. ДОРРОЗДОННЫЕ ОБСЛЕДОВАНИЯ ОБСАДНЫХ ЮДОНН

2.1. Цель коррозионных обследований обсадных колонн: оценка коррозионного состояния и скорости корр^чи обсадных колонн по месторождению;

определение параметров электролитащиты; выявление причин негерметичности обсадных колонн в процессе эксплуатации;

контроль эффективности электрохимической защиты.

3. КРИТЕРИИ ОЦЭШИ ЮРРОЗЮНЮП) состояния И ЗАЩВДЕНЮСТИ ОБСАДНЫХ ДОДЖ

Критерии оценки коррозионного состояния приведены в

4

щенке падения напряжения на участке £ трубопровода в районе скважины и по теоретически рассчитанному значение продольного электрического сопротивления данного трубопровода по его геометрическим параметрам (внешнему диаметру В , толщине стенки $ и длине £    )    и    удельному    электрическому    со

противление стали трубопровода.

По табл.2 и 3 прид.З определяет значение удельного электрического продольного сопротивления R_a новых труб [3,4, 5,6].

Определяет значение коэффициента распространения тока по формуле

(Коэффициент распространения считают одинаковым до всей длине колонны);

электрическую схему собирает согласно рис.1. Измерения производят на остановках черев каждые 50 м глубины при подъеме зонда из скважины;

включают выключатель Bj-;

измеряет падение напряжения на участке а6    (см.рис.I)

в естественном состоянии ( U _е ) и при различных направлениях тока 0 (U+ U Z/_ ) , которые обеспечивается переключателем В2 ;

определяет продольное сопротивление колонны по формуле

___1 лЦ. I

j_e-3/2rc_s (e~^rf3+k) ’    ⁽⁴⁾

Рис.I. Схема устройства для измерения продольного электрического сопротивления по глубине: 1-оОсадная колонна; 2-трех-электродный эонд; V, и v₂ -вольтметры; Bj -выключатель; Во-переключатедь; А-амперметр; R ж R, -резисторы; Б-источ-еик питания; а, бив- элейтрода зонда

ц ,    _e>h_r^ei    __е-г«-к.) ₍₅₎

зх„е₃

где £    - глубина места расположения подвижного токового

электрода зонда.

Коэффициент Л рассчитывают по приведенной формуле для диапазонов гдубия (5,25) £_ъ от устья и (15,...,5)^ от забоя. В диапазонах до 5 i от устья и от забоя формула (4) не применима. На остальных глубинах коэффициент к =0,5.

4.2. Определение расположения анодных и катодных зон по глубине (критерий оценки 2) осуществляют измерениями яа-

8

Рис.2. Схема устройства для измерения падения напряжения по длине колонны одаоэлектро-дным способом: I-обсадная колонна; 2-контакт скважинного зонда; V -вольтметр; V,,--., %-напряжения по длине колонны; AVi и aVj> -падение напряжения по длине колонны; а и б-различные места установки электрода по глубине скважины; £ -глубина расположения электрода

Рис.З. Схема измерения падения напряжения по длине колонны днухэлектродным способом (обозначения те же, что на рис.2)

---

дений напряжения вдаль колонны однозлектродшш, днухэхектродным или трезвлектродным способами.

4.2.1. При применении одноэлектроднбго.сиособа произво-

9

Рис.4. функциональная схема устройства для намерения плотности тока: 1-зонд; 2- контролкруеыая точка; 3- обсадная колонна; 4,5 и 6-соответственно верхний, средний и gw жни л эяектро-даГ7,8 и 9-проводники; II и 12-усилители; 13-по-кавывакций прибор; 14-мас-штабирущие резисторы дят измерение напряжений между устьем обсадной ко-лоннн и точками, расположенными по глубине скважины с попеременным шагом 7,5 и 42,5 м (рис.2). Провод от перемещаемого электрода подключает к плюсовой клемме измерительного прибора. Глубину расположения зон определяют по указателю глубины, расположенному £ геофизической лаборатории или на подъемнике. 4.2.2. При применении двухэлектродного способа измеряют падение напряжения вдоль обсадной колонны на отрезке 7,5 ы через каждые 50 м (рис.З). Двухэлектродный способ представляет собой унификацию одноэлектродного способа. ность тока утечки J по трехэлектродному способу, трехэлектродный зонд помещает средним электродом на контролируемую глубину обсадной колонны (рис .4). Электроды трехвлектродного зонда соединяет с усилителями постоянного тока таким образом, что к неинвертируще- 4.2.3. Измеряя плот

---