电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法

专利名称：电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法
技术领域：
本发明涉及一种使用电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，属于腐蚀电 化学领域。其主要用于固井水泥抗化学渗流的评价。
背景技术：
地层中所含腐蚀性介质Cr、 S0广、HC(V、 Mg2+、 C02、 H2S、甲烷等对固井水泥环
进行腐蚀，破坏水泥石的结构完整性，导致水泥环渗透率和空隙率增大，从而引起 层间分隔实效。当水泥环遭受破坏后，腐蚀性介质进一步渗透并于金属套管接触， 使套管被腐蚀，严重危及井的安全运行，影响油气井的生产寿命。我国天然气资源
中，大部分含有H2S或/和C02,,如何对水泥环被H2S和C(k腐蚀进行有效的监测是 当前油田极为重视的问题，也是目前诸多酸性油气田急需解决的问题。
目前，国内外对于水泥中的渗流的监测己经做了大量的研究，并制定了一些相 关的标准，其主要的监测方法为
1，吸水率测试法
通过将水泥浸泡在溶液中，通过测试水泥的增重情况来测试水泥的吸水率。 1)氯离子浓度的变化法
与吸水率测试法相似，通过测试浸泡了水泥的溶液中的氯离子含量的变化来推 断溶液中氯离子扩散的情况。
3) 电位法
当钢筋水泥内的电极的开路电位达到稳定时，此时的电极周围腐蚀性介质的浓 度维持不变，表示腐蚀性介质已经完全扩散至电极表面。
4) 氯离子渗透快速检测法
将电极浸泡在含有氯离子的溶液中，夕卜加60V电压，氯离子通过电场的作用快速 扩散至电极的表面，通过库伦法测定此过程中电量发生的变化来确定氯离子扩散的 情况。 -
5) 阳极极化法
给电极外加一个电压后，通过测试电极电流的变化来确定离子的渗透情况。
6) 线性极化法通过测试电极的线性极化曲线来确定其极化电阻的变化，从而确定电极的腐蚀 情况。
7)电导率法
这种方法是根据离子扩散至电极表面过程中会导致水泥的电阻率的变化，通过 电阻率的变化来确定总离子完全扩散至电极表面的时间。
从二十世纪八十年代起，电化学阻抗法被广泛的应用到腐蚀相关的研究中来。 与其他电化学技术相比较，电化学阻抗法具有对测试本体无破坏、准确直观、测试 简单等特点。

发明内容
本发明的目的是为了提供一种使用电化学组抗法针对固井中的腐蚀性介质cr、
S0 -、 HC0:,—、 Mg2+、 C02、氧气、H2S、甲烷等更加直观、准确地对固井水泥的渗流因
素进行监测评价的方法。
本发明的目的是这样来实现的
本发明电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，该方法包括以下步骤
1) 电极包封使用绝缘环氧树脂将工作电极进行包封，只有工作面留在外面， 然后使用固井水泥进行包封，保证每次使用工作面外侧的固井水泥的厚度一致；
2) 电化学阻抗测试使用三电极,系,在工作介质中每隔一定时间进行电化 学阻抗测试，根据电化学阻抗图对固井水泥的抗化学渗流进行评价，进行电化学阻 抗测试的时间是根据工作环境进行确定，可为1小时、2小时、3小时、6小时、12 小时等。
上述的方法包括以下步骤
1) 电极包封
将金属块作为工作电极，将其各个面抛光后使用导线进行焊接，然后使用绝缘 环氧树脂将工作电极包封，只留下与焊接面相对的一面作为工作面不被包封；
将包封后的工作电极的工作面进行抛光、清洗后使用固井水泥对工作电极进行 再次包封，保证每次包封的固井水泥外侧与工作面之间的垂直距离保持不变。
2) 电化学阻抗测试
将使用固井水泥包封的工作电极浸泡在工作介质中，使用碳电极作为对电极， 饱和苷汞电极作为参比电极，组成三电极体系，其中饱和苷汞电极使用鲁金毛细管 作为盐桥使其与工作介质间接连接，在工作介质中每隔一定时间进行电化学阻抗测 试，根据电化学阻抗图对固井水泥的抗化学渗流进行评价，进行电化学阻抗测试的 时间是根据工作环境进行确定，可为1小时、2小时、3小时、6小时、12小时等。上述的方法中在进行电化学阻抗测试时使用开路电位作为工作电位，振幅为 5mV,测试频率范围为0.05-100000Hz，电化学阻抗的测试工具为电化学工作站，如 CHI 604C。
本发明电化学阻抗法是一种对表面状态变化响应非常灵敏的电化学方法，当有 腐蚀性物质到达表面时电极就会产生相应的响应，如极化电阻减小、出现扩散的特 征等。可以利用此种现象来对固井水泥的破坏进行监测。
本发明具有以下优点
1. 使用电化学阻抗法对工作电极表面没有影响。 -
2. 电化学阻抗法更加直观、简便、准确地对固井水泥的抗化学渗流行为进行评价。


图1为工作电极包装示意图。
图2为使用1号周井水泥包封的工作电极在3.5% NaCl溶液中浸泡不同时间 下的电化学阻抗图。
图3为使用2号固井水泥包封的工作电极在3.5% NaCl溶液中浸泡不同时间 下的电化学阻抗图
图4为使用1号固井水泥包封的工作电极在饱和二氧化碳3. 5% NaCl溶液中浸 泡不同时间下的电化学阻抗图。
图5为使用2号固井水泥包封的工作电极在饱和二氧化碳3. 5% NaCl溶液中浸 泡不同时间下的电化学阻抗图。
图6为使用1号固井水泥包封的工作电极在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶液 中浸泡不同时间下的电化学阻抗图。
图7为使用2号固井水泥包封的工作电极在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶液 中浸泡不同时间下的电化学阻抗图。 .
图8为使用1号固井水泥包封的工作电极在3. 5% NaCl溶液中浸泡不同时间下 的开路电位与时间的关系曲线。
图9为使用2号固井水泥包封的工作电极在3. 5% NaCl溶液中浸泡不同时间下 的开路电位与时间的关系曲线。
图10为使用1号固井水泥包封的工作电极在饱和二氧化碳3.5% NaCl溶液中 浸泡不同时间下开路电位与时间的关系曲线
图11为使用2号固井水泥包封的工作电极在饱和二氧化碳3.5% NaCl溶液中 浸泡不同时间下JH络电位与时间的关系曲线图12为使用1号固井水泥包封的工作电极在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶 液中浸泡不同时间下开路电位与时间的关系曲线。
图13为使用2号固井水泥'包封的工作电极在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl 溶液中浸泡不同时间下开路电位与时间的关系曲线。
具体实施例方式
本实施例电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，该方法包括
1) 电极包封
参见图1，将切割成工作面形状是边长为lcm的正方形的金属块作为工作电极 1，使用800ft砂纸将各个面抛光后使用导线2进行焊接，然后使用绝缘环氧树脂3 将工作电极包封，只留下与焊接面相对的一面作为工作面不被包封；
将包封后的工作电极的工作面进行抛光、清洗后使用固井水泥4 (即1号固井 水泥或2号固井水泥)对工作电极进行再次包封，保证每次包封的固井水泥外侧与 工作面之间的垂直距离保持不变。
2) 电化学阻抗测试
将使用固井水泥即1号固井水泥或2号固井水泥包封的工作电极浸泡在不同的
工作介质中，使用碳电极作为对电极，饱和苷汞电极作为参比电极，组成三电极体 系，其中饱和苷汞电极使用鲁金毛细管作为盐桥使其与工作介质间接连接，在工作
介质中每隔6小时进行电化学阻抗测试，根据电化学阻抗图对固并水泥即1号固井 水泥或2号固井水泥的抗化学渗流进行评价。
电化学阻抗测试时使用开路电位作为工作电位，振幅为5mV，测试频率范围为 0. 05-lOOOOOHz,电化学阻抗的测试工具为CHI 604C。
1.电化学阻抗监测 '
图2、图3分别为使用1号固井水泥和2号固井水泥包封的工作电极在3. 5% NaCl 溶液中浸泡不同时间时的电化学阻抗图。从图中可以看出，使用l号固井水泥包封 时，其电化学姐抗图在第41小时时开始出现扩散现象，并在112小时后仍然维持 扩散特征。而使用2号固井水泥包封的体系中，在浸泡的第一个小时就开始出现微 弱的扩散现象，并在49小时候扩散现象消失，说明在49小时之后腐蚀物质扩散完 全。因此，在含有3.5% NaCl体系中，1号固井水泥的抗化学渗流性能比2号固井 水泥的好。
图4和图5分别为使用1号固井水泥和2号固井水泥包封的工作电极在含有饱 和二氧化碳的3.5% NaCl溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗图。从图中可以看出， 不论使用的是1号固井水泥还是2号固井水泥，都是在第9小时开始出现扩散，并一直维持扩散。这主要是由于二氧化碳与固井水泥反应，生成固态的碳酸钙，其空 隙率维持不变，从而导致扩散现象维持不变。
图6和图7分别为使用1号固井水泥2号和固井水泥包封的工作电极在含有 0. 1M N&S的3.5% NaCl溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗图。从图中可以看出， 在浸泡达到稳定的第一个小时都出现了扩散现象，也就是说硫离子此时达到电极表 面。在使用1号固井水泥包封电极时，在9小时之后扩散现象就消失了，随着时间 的增加极化电阻值增大，也就是说在电极表面形成的FeS比较致密，能够抑制钢筋 的进一步腐蚀。而在使用2号固井水泥包封的工作电极时，硫离子一直以扩散的现 象到达金属表面，也就是说2号固井水泥能够抑制硫离子向电极表面的扩散。
2.开路电位监测
这种方法是使用CHI 604C电化学工作站监测的。根据行业标准，当电极的开路 电位变化不大时腐蚀性介质完全扩散达到电极表面。从图8 图13中可以看出，电 极的电位具有一定的波动性，只能凭借经验近似找到一个电位稳定的时间。从稳定 的时间上可以看出，电化学阻抗法评价的结果相吻合，说明使用电化学祖抗法评价 的结果是正确的。
上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明 上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实规的技术均属于本发明的 范围。
权利要求
1、电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，该方法包括以下步骤1)电极包封使用绝缘环氧树脂将工作电极进行包封，只有工作面留在外面，然后使用固井水泥进行包封，保证每次使用工作面外侧的固井水泥的厚度一致；2)电化学阻抗测试使用三电极体系，在工作介质中每隔一定时间进行电化学阻抗测试，根据电化学阻抗图对固井水泥的抗化学渗流进行评价。
2、 根据权利要求1所述的电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，其特征 在于该方法包括以下步骤1) 将金属块作为工作电极，将其各个面抛光后使用导线进行焊接，然后使用 绝缘环氧树脂将工作电极包封，只留下与焊接面相对的一面作为工作面不被包封；将包封后的工作电极的工作面进行抛光、清洗后使用固井水泥对工作电极进行 再次包封，保证每次包封的固井水泥外侧与工作面之间的垂直距离保持不变；2) 电化学阻抗测试将使用固井水泥包封的工作电极浸泡在工作介质中，使用碳电极作为对电极， 饱和苷汞电极作为参比电极，组成三电极体系，其中饱和苷汞电极使用鲁金毛细管 作为盐桥使其与工作介质间接连接，在工作介质中每隔一定时间进行电化学阻抗测 试，根据.电化学阻抗图对固井水泥的抗化学渗流进行评价。
3、 根据权利要求1或2所述的电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法， 其特征在于电化学阻抗测试时使用开路电位作为工作电位，振幅为5mV，测试频率 范围为0. 05-100000Hz。
全文摘要
本发明电化学阻抗法评价固井水泥化学渗流的方法，包括1)电极包封使用绝缘环氧树脂将工作电极进行包封，只有工作面留在外面，然后使用固井水泥进行包封，保证每次使用工作面外侧的固井水泥的厚度一致；2)电化学阻抗测试使用三电极体系，在工作介质中每隔一定时间进行电化学阻抗测试，根据电化学阻抗图对固井水泥的抗化学渗流进行评价，本发明方法能针对固井中的腐蚀性介质Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-、Mg²⁺、CO₂、氧气、H₂S、甲烷等更加直观、准确地对固井水泥的渗流因素进行评价。
文档编号G01N17/00GK101625304SQ20091006037
公开日2010年1月13日 申请日期2009年8月18日 优先权日2009年8月18日
发明者毅 何, 飞 匡, 施太和, 杨远光 申请人:西南石油大学