電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法

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專利名稱：電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法
技術領域：
本發明涉及一種使用電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，屬于腐蝕電化學領域。其主要用于固井水泥抗化學滲流的評價。
背景技術：
地層中所含腐蝕性介質Cr、 S0廣、HC(V、 Mg2+、 C02、 H2S、甲烷等對固井水泥環
進行腐蝕，破壞水泥石的結構完整性，導致水泥環滲透率和空隙率增大，從而引起層間分隔實效。當水泥環遭受破壞后，腐蝕性介質進一步滲透并于金屬套管接觸，使套管被腐蝕，嚴重危及井的安全運行，影響油氣井的生產壽命。我國天然氣資源
中，大部分含有H2S或/和C02,,如何對水泥環被H2S和C(k腐蝕進行有效的監測是當前油田極為重視的問題，也是目前諸多酸性油氣田急需解決的問題。
目前，國內外對于水泥中的滲流的監測己經做了大量的研究，并制定了一些相關的標準，其主要的監測方法為
1，吸水率測試法
通過將水泥浸泡在溶液中，通過測試水泥的增重情況來測試水泥的吸水率。 1)氯離子濃度的變化法
與吸水率測試法相似，通過測試浸泡了水泥的溶液中的氯離子含量的變化來推斷溶液中氯離子擴散的情況。
3) 電位法
當鋼筋水泥內的電極的開路電位達到穩定時，此時的電極周圍腐蝕性介質的濃度維持不變，表示腐蝕性介質已經完全擴散至電極表面。
4) 氯離子滲透快速檢測法
將電極浸泡在含有氯離子的溶液中，夕卜加60V電壓，氯離子通過電場的作用快速擴散至電極的表面，通過庫倫法測定此過程中電量發生的變化來確定氯離子擴散的情況。 -
5) 陽極極化法
給電極外加一個電壓后，通過測試電極電流的變化來確定離子的滲透情況。
6) 線性極化法通過測試電極的線性極化曲線來確定其極化電阻的變化，從而確定電極的腐蝕情況。
7)電導率法
這種方法是根據離子擴散至電極表面過程中會導致水泥的電阻率的變化，通過電阻率的變化來確定總離子完全擴散至電極表面的時間。
從二十世紀八十年代起，電化學阻抗法被廣泛的應用到腐蝕相關的研究中來。與其他電化學技術相比較，電化學阻抗法具有對測試本體無破壞、準確直觀、測試簡單等特點。

發明內容
本發明的目的是為了提供一種使用電化學組抗法針對固井中的腐蝕性介質cr、
S0 -、 HC0:,—、 Mg2+、 C02、氧氣、H2S、甲烷等更加直觀、準確地對固井水泥的滲流因
素進行監測評價的方法。
本發明的目的是這樣來實現的
本發明電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，該方法包括以下步驟
1) 電極包封使用絕緣環氧樹脂將工作電極進行包封，只有工作面留在外面，然后使用固井水泥進行包封，保證每次使用工作面外側的固井水泥的厚度一致；
2) 電化學阻抗測試使用三電極,系,在工作介質中每隔一定時間進行電化學阻抗測試，根據電化學阻抗圖對固井水泥的抗化學滲流進行評價，進行電化學阻抗測試的時間是根據工作環境進行確定，可為1小時、2小時、3小時、6小時、12 小時等。
上述的方法包括以下步驟
1) 電極包封
將金屬塊作為工作電極，將其各個面拋光后使用導線進行焊接，然后使用絕緣環氧樹脂將工作電極包封，只留下與焊接面相對的一面作為工作面不被包封；
將包封后的工作電極的工作面進行拋光、清洗后使用固井水泥對工作電極進行再次包封，保證每次包封的固井水泥外側與工作面之間的垂直距離保持不變。
2) 電化學阻抗測試
將使用固井水泥包封的工作電極浸泡在工作介質中，使用碳電極作為對電極，飽和苷汞電極作為參比電極，組成三電極體系，其中飽和苷汞電極使用魯金毛細管作為鹽橋使其與工作介質間接連接，在工作介質中每隔一定時間進行電化學阻抗測試，根據電化學阻抗圖對固井水泥的抗化學滲流進行評價，進行電化學阻抗測試的時間是根據工作環境進行確定，可為1小時、2小時、3小時、6小時、12小時等。上述的方法中在進行電化學阻抗測試時使用開路電位作為工作電位，振幅為 5mV,測試頻率范圍為0.05-100000Hz，電化學阻抗的測試工具為電化學工作站，如 CHI 604C。
本發明電化學阻抗法是一種對表面狀態變化響應非常靈敏的電化學方法，當有腐蝕性物質到達表面時電極就會產生相應的響應，如極化電阻減小、出現擴散的特征等。可以利用此種現象來對固井水泥的破壞進行監測。
本發明具有以下優點
1. 使用電化學阻抗法對工作電極表面沒有影響。 -
2. 電化學阻抗法更加直觀、簡便、準確地對固井水泥的抗化學滲流行為進行評價。

圖1為工作電極包裝示意圖。
圖2為使用1號周井水泥包封的工作電極在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖。
圖3為使用2號固井水泥包封的工作電極在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖
圖4為使用1號固井水泥包封的工作電極在飽和二氧化碳3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖。
圖5為使用2號固井水泥包封的工作電極在飽和二氧化碳3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖。
圖6為使用1號固井水泥包封的工作電極在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖。
圖7為使用2號固井水泥包封的工作電極在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的電化學阻抗圖。 .
圖8為使用1號固井水泥包封的工作電極在3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的開路電位與時間的關系曲線。
圖9為使用2號固井水泥包封的工作電極在3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下的開路電位與時間的關系曲線。
圖10為使用1號固井水泥包封的工作電極在飽和二氧化碳3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間下開路電位與時間的關系曲線
圖11為使用2號固井水泥包封的工作電極在飽和二氧化碳3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間下JH絡電位與時間的關系曲線圖12為使用1號固井水泥包封的工作電極在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl溶液中浸泡不同時間下開路電位與時間的關系曲線。
圖13為使用2號固井水泥'包封的工作電極在含有0. 1M Na2S的3. 5% NaCl 溶液中浸泡不同時間下開路電位與時間的關系曲線。
具體實施例方式
本實施例電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，該方法包括
1) 電極包封
參見圖1，將切割成工作面形狀是邊長為lcm的正方形的金屬塊作為工作電極 1，使用800ft砂紙將各個面拋光后使用導線2進行焊接，然后使用絕緣環氧樹脂3 將工作電極包封，只留下與焊接面相對的一面作為工作面不被包封；
將包封后的工作電極的工作面進行拋光、清洗后使用固井水泥4 (即1號固井水泥或2號固井水泥)對工作電極進行再次包封，保證每次包封的固井水泥外側與工作面之間的垂直距離保持不變。
2) 電化學阻抗測試
將使用固井水泥即1號固井水泥或2號固井水泥包封的工作電極浸泡在不同的
工作介質中，使用碳電極作為對電極，飽和苷汞電極作為參比電極，組成三電極體系，其中飽和苷汞電極使用魯金毛細管作為鹽橋使其與工作介質間接連接，在工作
介質中每隔6小時進行電化學阻抗測試，根據電化學阻抗圖對固并水泥即1號固井水泥或2號固井水泥的抗化學滲流進行評價。
電化學阻抗測試時使用開路電位作為工作電位，振幅為5mV，測試頻率范圍為 0. 05-lOOOOOHz,電化學阻抗的測試工具為CHI 604C。
1.電化學阻抗監測 '
圖2、圖3分別為使用1號固井水泥和2號固井水泥包封的工作電極在3. 5% NaCl 溶液中浸泡不同時間時的電化學阻抗圖。從圖中可以看出，使用l號固井水泥包封時，其電化學姐抗圖在第41小時時開始出現擴散現象，并在112小時后仍然維持擴散特征。而使用2號固井水泥包封的體系中，在浸泡的第一個小時就開始出現微弱的擴散現象，并在49小時候擴散現象消失，說明在49小時之后腐蝕物質擴散完全。因此，在含有3.5% NaCl體系中，1號固井水泥的抗化學滲流性能比2號固井水泥的好。
圖4和圖5分別為使用1號固井水泥和2號固井水泥包封的工作電極在含有飽和二氧化碳的3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間的電化學阻抗圖。從圖中可以看出，不論使用的是1號固井水泥還是2號固井水泥，都是在第9小時開始出現擴散，并一直維持擴散。這主要是由于二氧化碳與固井水泥反應，生成固態的碳酸鈣，其空隙率維持不變，從而導致擴散現象維持不變。
圖6和圖7分別為使用1號固井水泥2號和固井水泥包封的工作電極在含有 0. 1M N&S的3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間的電化學阻抗圖。從圖中可以看出，在浸泡達到穩定的第一個小時都出現了擴散現象，也就是說硫離子此時達到電極表面。在使用1號固井水泥包封電極時，在9小時之后擴散現象就消失了，隨著時間的增加極化電阻值增大，也就是說在電極表面形成的FeS比較致密，能夠抑制鋼筋的進一步腐蝕。而在使用2號固井水泥包封的工作電極時，硫離子一直以擴散的現象到達金屬表面，也就是說2號固井水泥能夠抑制硫離子向電極表面的擴散。
2.開路電位監測
這種方法是使用CHI 604C電化學工作站監測的。根據行業標準，當電極的開路電位變化不大時腐蝕性介質完全擴散達到電極表面。從圖8 圖13中可以看出，電極的電位具有一定的波動性，只能憑借經驗近似找到一個電位穩定的時間。從穩定的時間上可以看出，電化學阻抗法評價的結果相吻合，說明使用電化學祖抗法評價的結果是正確的。
上述實施例是對本發明的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于上述實施例。凡基于上述內容所實規的技術均屬于本發明的范圍。
權利要求
1、電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，該方法包括以下步驟1)電極包封使用絕緣環氧樹脂將工作電極進行包封，只有工作面留在外面，然后使用固井水泥進行包封，保證每次使用工作面外側的固井水泥的厚度一致；2)電化學阻抗測試使用三電極體系，在工作介質中每隔一定時間進行電化學阻抗測試，根據電化學阻抗圖對固井水泥的抗化學滲流進行評價。
2、根據權利要求1所述的電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，其特征在于該方法包括以下步驟1) 將金屬塊作為工作電極，將其各個面拋光后使用導線進行焊接，然后使用絕緣環氧樹脂將工作電極包封，只留下與焊接面相對的一面作為工作面不被包封；將包封后的工作電極的工作面進行拋光、清洗后使用固井水泥對工作電極進行再次包封，保證每次包封的固井水泥外側與工作面之間的垂直距離保持不變；2) 電化學阻抗測試將使用固井水泥包封的工作電極浸泡在工作介質中，使用碳電極作為對電極，飽和苷汞電極作為參比電極，組成三電極體系，其中飽和苷汞電極使用魯金毛細管作為鹽橋使其與工作介質間接連接，在工作介質中每隔一定時間進行電化學阻抗測試，根據.電化學阻抗圖對固井水泥的抗化學滲流進行評價。
3、根據權利要求1或2所述的電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，其特征在于電化學阻抗測試時使用開路電位作為工作電位，振幅為5mV，測試頻率范圍為0. 05-100000Hz。
全文摘要
本發明電化學阻抗法評價固井水泥化學滲流的方法，包括1)電極包封使用絕緣環氧樹脂將工作電極進行包封，只有工作面留在外面，然后使用固井水泥進行包封，保證每次使用工作面外側的固井水泥的厚度一致；2)電化學阻抗測試使用三電極體系，在工作介質中每隔一定時間進行電化學阻抗測試，根據電化學阻抗圖對固井水泥的抗化學滲流進行評價，本發明方法能針對固井中的腐蝕性介質Cl-、SO42-、HCO3-、Mg2+、CO2、氧氣、H2S、甲烷等更加直觀、準確地對固井水泥的滲流因素進行評價。
文檔編號G01N17/00GK101625304SQ20091006037
公開日2010年1月13日申請日期2009年8月18日優先權日2009年8月18日
發明者毅何, 飛匡, 施太和, 楊遠光申請人:西南石油大學

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