基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法.pdf

基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，包括有油井套管，油井套管通过脉冲电源与阳极井系统相连；油井套管与电位检测仪相连；电位检测仪与参比电极相连；油井套管实施脉冲电流阴极保护时，阳极不断溶解，产生大量电子通过地层不断流入套管表面，流入的电子集聚在套管表面，导致套管表面电位向负方向移动，产生阴极极化；油井套管表面的微阳极区释放的电子能力受到抑制，外加脉冲电流越大，电子集聚越多，套管表面电位越负，微阳极区释放电子越弱，电位极化到一定值时，表面阴阳极区达到等位，腐蚀停止；电位检测仪对油井套管表面的保护电位通过保护电位传感器进行实时监测；保护效果和节能效果，延长油井套管的保护深度。

权利要求书
1.  一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，包括有油井套管，其特征在于，油井套管通过脉冲电源与阳极井系统相连；油井套管与电位检测仪相连；电位检测仪与参比电极相连。

2.  根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所述的脉冲电源包括微处理器，微处理器通过采样信号滤波放大处理电路与保护电压传感器、保护电流传感器及参比电极传感器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与变压器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与阳极相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与脉冲电源相连。

3.  根据权利要求2所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所述的微处理器采用单片机或DSP。

4.  根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所述的油井套管的电连接点用专用电缆与脉冲电源的负极相连，阳极井系统通过专用电缆与脉冲电源正极相连，阳极井系统与油井套管之间的地层相当于导电电缆，整个系统构成电回路。

5.  根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所述的阳极井系统埋设于阳极井中。

6.  根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所用电位检测仪采用TI公司TMS320LF2407DSP自动电位检测仪；保护电压传感器采用电流型200V电压传感器；保护电流传感器采用电流型200A电流传感器，参比电极采用市售饱和硫酸铜电极；阳极选用高硅铸铁。

7.  根据权利要求2所述的一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，其特征在于，所述参比电极传感器采用功率晶体管GTR或金属－氧化物－半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。

8.  基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）首先在油井套管上设置一专用的脉冲电源，用于提供油井套管阴极极化所需的极化电流，油井套管阴极保护时协助阳极释放的电子向更远的方向集聚；
2）将保护油井套管的电位检测仪，分别与油井套管和参比电极相连接；
3）在原油井套管的电路基础上，增设油井套管单元保护电压传感器和保护电流传感器，增设用于控制调压的PWM控制信号，使脉冲电源内部电路控制板上的微处理器能同时控制脉冲电源和油井套管的电压。

说明书基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法
技术领域
本发明属于油田油井的腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，用于保护电流传输距离远和保护电流分布均匀的阴极保护系统，可进一步扩展应用至气井套管领域。
背景技术
由于腐蚀造成的油井套损问题在国内外许多油田普遍存在。油田在开发过程中，特别是开发时间较长的油田以及油水井或地理环境复杂的油井，由于井下技术状况不断恶化等原因使得油井套管不同程度地变形、破漏或严重腐蚀的现象，这不仅使得油井带病生产或者停产，增大了油井运行维护费用，造成了油田固定资产和资源的双重浪费，影响了采油井网的完善和高效开发。
给油井套管施加阴极保护是目前油田解决套管腐蚀问题通常采取的措施之一。目前油田采用的直流阴极保护方式，一般是通过电缆将套管连接到直流电源的负极，将辅助阳极接到电源的正极，辅助阳极与套管之间的地层相当于导电电缆，整个系统构成一个电回路。当套管实施直流阴极保护时，有外加电子流入套管外表面，当外加的电子来不及与电解质溶液中的腐蚀性物质起作用时，就会在套管表面聚集起来，导致套管表面电位向负方向移动，套管表面微阳极区释放电子的能力受到抑制，腐蚀就被迫停止。这种保护方式存在一下缺点：其一，由于保护电流分布不均匀，结果造成油井套管局部未达到有效保护。其二，由于直流电流传播距离有限，结果使得保护深度难以延长。其三，要想取得较好的保护效果，必须通过大电量，大阳极地床来补偿，因此电能消耗大，阳极地床大。
发明内容
为克服上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，根据油井套管的深度实时合理的进行油井套管的有效保护，以获得较好的保护效果和节能效果，并有效延长油井套管的保护深度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，包括有油井套管，油井套管通过脉冲电源与阳极井系统相连；油井套管与电位检测仪相连；电位检测仪与参比电极相连；
所述的脉冲电源包括微处理器，微处理器通过采样信号滤波放大处理电路与保护电压传感器、保护电流传感器及参比电极传感器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与变压器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与阳极相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与脉冲电源相连。
所述的微处理器采用单片机或DSP。
所述的油井套管的电连接点用专用电缆与脉冲电源的负极相连，辅助阳极通过专用电缆与脉冲电源正极相连，辅助阳极与油井套管之间的地层相当于导电电缆，整个系统构成电回路。保护电位检测仪实时自动检测阴极保护电位。
所述的阳极井系统埋设于阳极井中。
所述参比电极传感器采用功率晶体管GTR或金属－氧化物－半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。
所用电位检测仪采用TI公司TMS320LF2407DSP自动电位检测仪；电压传感器采用电流型200V电压传感器；电流传感器采用电流型200A电流传感器。参比电极采用市售饱和硫酸铜电极；阳极选用高硅铸铁。
基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，包括以下步骤：
1）首先在油井套管上设置一专用的脉冲电源，用于提供油井套管阴极极化所需的极化电流，油井套管阴极保护时协助阳极释放的电子向更远的方向集聚；
2）将保护油井套管的电位检测仪，分别与油井套管和参比电极相连接；
3）在原油井套管的电路基础上，增设油井套管单元保护电压传感器和保护电流传感器，增设用于控制调压的PWM控制信号，使脉冲电源内部电路控制板上的微处理器能同时控制脉冲电源和油井套管的电压。
本发明具有以下明显优点：
本发明在专用脉冲电源供电的基础上对油井套管实施阴极保护，即脉冲电流阴极保护。在实施脉冲电流阴极保护的过程中，脉冲电源提供油井套管阴极极化所需的极化电流，辅助阳极不断溶解失去电子，当电子流入套管外表面来不及与周围介质中的腐蚀性物质发生反应时，就会聚集在套管外表面，导致套管外表面电位负向移动，发生阴极极化。脉冲电流阴极保护系统不但解决了直流阴极保护电流传输距离短，使得保护深度难以延长的问题，同时由于脉冲保护电流密度大且分布均匀，在油井套管实施阴极保护时可以均匀保护，因此油井套管直流阴极保护电流分布不均，发生点蚀的问题有所改善。本脉冲电流阴极保护系统不需对原油井套管直流阴极保护系统在原理和结构上进行大的改动，可以很方便的实施技术改造。另外本系统具有实用广泛的特点，也可以用于气井套管等阴极保护系统，具有极大的社会效益和经济效益。
1）由脉冲电流供电的油井套管阴极保护相对于传统的直流阴极保护具有更均匀的电流分布，因此可以避免油井套管局部未达到有效保护。
2)脉冲电流阴极保护具有更深的穿透性，可以有效延长油井套管你的保护深度，使一些超深井可以达到全方位长效保护。
3）与传统的直流阴极保护相比，相同输出功率下脉冲电流阴极保护具有更好的保护效果，较小的能量消耗，高效的保护效果，可以有效节约能源。
4）较小的阳极地床就可以满足油井套管的有效保护。
5）延长了油井套管的有效保护长度；
6）减小了阳极地床；
7）延长了阳极的使用寿命；
8）节省能源，降低使用成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的脉冲电源的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的实例，对本发明作进一步的详细描述。
参见图1、2，本实施例的技术路线是：在原直流阴极保护系统的基础上，改用脉冲电源做供电电源，该脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统由脉冲电源、辅助阳极、参比电极、保护电位自动检测仪和油井套管组成。
一种基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统，包括有油井套管，油井套管通过脉冲电源与阳极井系统相连；油井套管与电位检测仪相连；电位检测仪与参比电极相连；
所述的脉冲电源包括微处理器，微处理器通过采样信号滤波放大处理电路与保护电压传感器、保护电流传感器及参比电极传感器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与变压器相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与阳极相连；微处理器还通过控制信号隔离放大电路与脉冲电源相连。
所述的微处理器采用单片机或DSP。
所述的油井套管的电连接点用专用电缆与脉冲电源的负极相连，辅助阳极通过专用电缆与脉冲电源正极相连，辅助阳极与油井套管之间的地层相当于导电电缆，整个系统构成电回路。保护电位检测仪实时自动检测阴极保护电位。
所述的阳极井系统埋设于阳极井中。
所述参比电极传感器采用功率晶体管GTR或金属－氧化物－半导体型场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO。
基于脉冲电流供电的油井套管阴极保护系统及其构建方法，包括以下步骤：
1）首先在油井套管上设置一专用的脉冲电源，用于提供油井套管阴极极化所需的极化电流，油井套管阴极保护时协助阳极释放的电子向更远的方向集聚；
2）将保护油井套管的电位检测仪，分别与油井套管和参比电极相连接；
3）在原油井套管的电路基础上，增设油井套管单元保护电压传感器和保护电流传感器，增设用于控制调压的PWM控制信号，使脉冲电源内部电路控制板上的微处理器能同时控制脉冲电源和油井套管的电压。
脉冲电源内部电路控制板上的微处理器可采用单片机、DSP，微处理器通过滤波电路采集脉冲电源输出的电压、电流信号；油井套管保护电位自动检测仪采集油井套管的保护电位和保护电流信号；微处理器输出的PWM信号经过光电隔离器件自动调节脉冲电源输出电压以及油井套管的保护电位，使油井套管的保护电位始终处于有效保护范围。
阳极井系统的阳极、阳极支撑件、套管、导气管、电缆、整体型埋地绝缘接头等所有部件埋设于阳极井中，这样阳极和阳极电连接点工作时不会过早失效。当脉冲电源供电时，阳极发生腐蚀，不断输出电子，金属原子形成离子溶入电解地层中，油井套管发生阴极反应，油井套管停止腐蚀，阴极区表面氢离子得到电子析出氢气或其他正离子接受电子被还原。因此给油井套管同阴极电流即给电子，使油井套管表面处于阴极状态，就抑制套管表面阳极区释放电子即腐蚀，从根本上防止油井套管腐蚀。
阳极井系统包括有阳极。首先根据资料确定阳极井的井位，几口油井共用一口阳极井时，丛式井的阳极井距油井平面距离不得小于50m。当井场狭小井距小于50m时，阳极井位置取与油井平面距离最远点，同时阳极井井深加深到地下200m，为防止地面阳极井引起干扰腐蚀，管线位置近距离内不得钻阳极井；其次确定阳极井的井深，通过查阅水文地质资料、海拔高度、钻井地质记录、邻近井水位钻井液携沙等情况卡准水层，保证阳极下入低电阻层位。阳极井内设有辅助阳极，阳极连接电缆，套管，导气管，回填料以及阳极支撑结构等器件。辅助阳极安置于阳极支撑结构上与阳极连接电缆一端导通，安装上套管和导气管用回填料埋设于阳极井中。
脉冲电流供电的油井套管的脉冲电源为定制专用脉冲电源，20KW，额定电压240V；主电源功率器件采用IGBT及相应的驱动电路；所用电位检测仪采用TI公司TMS320LF2407DSP自动电位检测仪；电压传感器采用电流型200V电压传感器；电流传感器采用电流型200A电流传感器。参比电极采用市售饱和硫酸铜电极；阳极选用高硅铸铁。
具体工作原理：
1）用电缆将油井套管连接到专用脉冲电源的负极，将辅助阳极接到脉冲电源正极，辅助阳极与油井套管之间的地层相当于到点电缆，整个系统构成一个电回路。
2）当油井套管实施脉冲电流阴极保护时，阳极不断溶解，发生氧化反应，产生大量电子，当电子通过地层不断流入套管表面，此时流入的电子来不及与周围的腐蚀性物质发生反应时，就会集聚在套管表面，导致套管表面电位向负方向移动，产生阴极极化。
3）油井套管表面的微阳极区释放的电子能力受到抑制，外加脉冲电流越大，电子集聚越多，套管表面电位越负，微阳极区释放电子越弱，到套管表面的电位极化到一定值时，表面阴阳极区达到等位，腐蚀停止。                                       
4）电位检测仪对油井套管表面的保护电位通过保护电位传感器进行实时监测，通过脉冲电源自动调节系统将套管表面电位始终控制在有效范围内。