一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法，属于油田气 井生产管柱技术领域。
【背景技术】
[0002] 我国天然气开采的需求和应用比重越来越大，油气开产企业为了降低生产成本， 提高效益，采用适合井况的经济性井下管材成为必然。
[0003] 长庆油田属于典型的(特)低渗油气田，表现为天然气井产量低，井越来越深。排水 采气工艺采用速度管柱为国产CT70连续油管，其成本高昂，为此开发采用井下"中碳钢+铝 合金管"组合的新型速度管柱，该管柱经济实用性强，特别是面对低产超深（4000m以上）气 田的经济有效开发，更具有良好的成本优势和潜在的应用前景。同时针对井下管柱普遍采 用的碳钢结构，出于气井安全生产的考虑，铝合金管的有效保护是面临的重要课题。
[0004] "中碳钢+铝合金管"组合管柱面临的突出问题是，气井油套管柱为中碳钢，金属铝 十分活泼，其电极电位很负，与碳钢之间的电位差大，两者同处狭小井眼中容易接触产生电 偶腐蚀，导致铝合金腐蚀损坏，特别是针对排水采气的高产水气井，富含硫化氢、二氧化碳、 硫酸盐还原菌及氯根的高矿化度天然气携液对电偶腐蚀起极大的促进作用。
[0005] 公知的防止电偶腐蚀方法，一是避免异种金属直接接触，二是腐蚀介质处理，三是 电化学保护，以及耐蚀合金加涂层、缓蚀剂措施。在地面表面工程领域，针对铝合金与异种 金属间的电偶腐蚀，应用普遍、较为成熟有效的方法是采用铝合金阳极氧化工艺，在铝合金 表面形成电绝缘性、防腐性较好且硬度高的三氧化二铝薄层，然后进行封孔处理，可以达到 功能性和装饰性均很高的表面层。
[0006] 石油钻井中在局部情况下采用铝合金钻杆，钻杆虽然与钢管柱结构之间存在电偶 腐蚀风险，但因钻井周期较短，并且采用特殊钻井液，与钢管柱之间只存在短周期接触，铝 合金钻杆腐蚀损伤程度低，一般不予采用特别处理措施。
[0007] 针对长期生产气井的复杂的井下管柱，铝合金-碳钢双金属之间的电偶腐蚀则是 十分严重的问题，若双金属间的铝合金接头采用阳极氧化工艺，则该阳极氧化接头存在两 方面主要问题：
[0008] -是气井井深达4000m，井温达120°C，接头处铝氧化膜在80~100°C条件下将产 生热裂纹。
[0009] 二是铝氧化膜硬度高、脆性大，不适合用于机械作用的环境，接头螺纹处的高强度 冲击力作用极易导致微裂纹。
[0010] 在高温高压气井的缺氧环境内，铝合金阳极热(微）裂纹无法及时完全自愈，在气 井富含氯根和多种腐蚀性气体且高矿化度产水情况下，热(微）裂纹可直接导致接头损坏失 效，气井生产将产生极大的安全风险。
[0011] 井筒内采用具有电偶腐蚀的管柱组合历来是行业禁忌，防止电偶腐蚀的通用做法 是尽量靠用高规格的同等级管材，出于安全至上的谨慎考虑，此法对高产腐蚀气井的开发 是彻底的无风险措施，但对于低产气井且气层较深的气田则很不经济，寻求经济有效可靠 的防止铝合金管电偶腐蚀的方法是十分必要的。
【发明内容】
[0012] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏 的结构及方法。
[0013] 针对气井井筒内采用的铝合金管-碳钢管柱组合，提供一种防止井下铝合金-碳 钢管柱腐蚀损坏的结构及方法。
[0014] 一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，铝合金外套的内环勾槽表面呈 八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装配后，可有 效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸缘外周对 应啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘接头按从 下往的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套；
[0015] 扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之 间为导流槽；
[0016] 堵头器连接在铝合金管的最下端，并在转接套内安装隔离井内气体的堵塞器；堵 头器的结构由母接头、转接套、和绝缘套组成；转接套通过焊接与母接头相连，绝缘套通过 注塑成形固于转接套外并紧贴母接头下端。
[0017] 一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的方法：含有以下步骤；通过管柱结构 设计，实现铝合金管与碳钢管之间电性绝缘，有效避免高温高压气井内电偶腐蚀发生；与异 种金属管相联的铝合金管上部采用绝缘转换接头，铝合金管通过该接头与上部管柱连接； 根据井眼轨迹，在铝合金管每隔一定间距安装非金属扶正器，避免铝合金管与碳钢管壁接 触磨损腐蚀；在铝合金管的最下端安装塑料堵头，气井排水采气的堵塞器则安装在塑料堵 头下端腔内，避免铝合金管与油套管的碰触损坏腐蚀；
[0018] 还含有三个步骤：
[0019] 步骤一、在其最上部安装绝缘转换接头1，该接头满足上部碳钢管柱与下部铝合金 管柱的转换连接，适应高温高压气井内作业与生产环境，不发生周向转动失效，保证铝合金 管与上部碳钢管材的电性绝缘，避免直接连接导致的电偶腐蚀。
[0020] 步骤二、根据气井井眼轨迹，在铝合金管管身每隔一定间距安装扶正器2,防止铝 合金管与周围碳钢管柱的磨擦腐蚀。
[0021] 步骤三、在铝合金管下端安装堵头器3,防止最下端部与油(套)管碳钢管壁的碰触 损坏腐蚀。
[0022] 第二、三步骤同时起到保护油(套）管内表面、特别是有机涂层的效果。
[0023] -种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，绝缘转换接头1 :由铝合金外套 1. 8、大绝缘垫1. 7、绝缘套1. 6、小绝缘垫1. 5和绝缘填料1. 2以及碳钢内凸缘1. 10组成。 其中铝合金外套1. 8的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘1. 10的外形也 呈八边形，两者之间通过绝缘套1.6装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高 接头绝缘性能；铝合金外套1. 8与碳钢内凸缘1. 10外周对应的啮合面进行阳极化氧化处 理；铝合金外套1. 8的勾套1. 3采用直螺纹与外套1. 8连接。绝缘转换接头按从下往上的 顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套I. 3,最后用热收缩套作为接头护套。
[0024] 扶正器2及其分布：扶正器2结构采用塑料绝缘管，在骨管2. 2的外周带四个凸棱 2. 1，凸棱2. 1之间为导流槽2. 3 ;根据气井井眼轨迹和管材参数，扶正器2在管柱上的间距 按下式编写程序，通过软件计算得出：
[0025] 假定铝合金管上只有扶正器处与油管(或套管）接触，两扶正器间铝合金管的最大 变形是
【主权项】
1. 一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的方法，其特征在于含有以下步骤；通过 管柱结构设计，实现铝合金管与碳钢管之间电性绝缘，避免高温高压气井内电偶腐蚀发生； 与异种金属管相联的铝合金管上部采用绝缘转换接头，铝合金管通过该接头与上部管柱连 接；根据井眼轨迹，在铝合金管每隔一定间距安装非金属扶正器，避免铝合金管与碳钢管壁 接触磨损腐蚀；在铝合金管的最下端安装塑料堵头，气井排水采气的堵塞器则安装在塑料 堵头下端腔内，避免铝合金管与油套管的碰触损坏腐蚀； 根据气井井眼轨迹和管材参数，扶正器2在管柱上的间距通过计算得出： 铝合金管上只有扶正器处与油管(或套管）接触，两扶正器间铝合金管的最大变形是
式中:μ = /(4￡/)，其中F为铝合金管柱的轴向力，N;LsS扶正器间距，m;EI为 铝合金管的抗弯刚度，N · m2 ; 计算准则戈
吋，增加 Ls的值，反之减少Ls ;其中f为变 形比例系数；dt为油管(或套管）外径，m 为错合金管外径,m。
2. -种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构，其特征在于铝合金外套的内环勾 槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装 配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸 缘外周对应啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘 接头按从下往的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套； 扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之间为 导流槽； 堵头器连接在铝合金管的最下端，并在转接套内安装隔离井内气体的堵塞器；堵头器 的结构由母接头、转接套、和绝缘套组成；转接套通过焊接与母接头相连，绝缘套通过注塑 成形固于转接套外并紧贴母接头下端。
【专利摘要】一种防止井下铝合金-碳钢管柱腐蚀损坏的结构及方法，属于油田气井生产管柱技术领域。铝合金外套的内环勾槽表面呈八边形，与此对应装配的碳钢内凸缘的外形也呈八边形，两者之间通过绝缘套装配后，可有效防止上下管柱间的转动弯扭松扣，提高接头绝缘性能；铝合金外套与碳钢内凸缘外周对应的啮合面进行阳极化氧化处理；铝合金外套的勾套采用直螺纹与外套连接；绝缘接头按从下往的顺序装配后，灌注环氧树脂，上紧勾套，最后用热收缩套作为接头护套；扶正器及其分布：扶正器结构采用塑料绝缘管，在骨管的外周带四个凸棱，凸棱之间为导流槽；堵头器连接在铝合金管的最下端。
【IPC分类】E21B17-00, E21B17-10, E21B17-02
【公开号】CN104632090
【申请号】CN201310552229
【发明人】程碧海, 曾亚勤, 杨全安, 李琼玮, 甘庆明, 付彩利, 董晓焕, 朱方辉, 孙雨来
【申请人】中国石油天然气股份有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月8日