Подавление коррозии конструкций
Настоящее изобретение относится к подавлению коррозии в подземных конструкциях, в частности в трубах оборудования для нефтедобычи. Подавление коррозии в одной требуемой области удлиненной металлической конструкции предусматривает приложение высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции так, чтобы в конструкции была создана стоячая волна напряжения с подавляющим коррозию потенциалом в требуемой области или областях конструкции. Дополнительно предусматривается регулировка частоты электромагнитного сигнала с возможностью создания узловой точки стоячей волны в окрестности требуемой области подавления коррозии. Аппарат для подавления коррозии на одной требуемой области удлиненной металлической конструкции содержит средство для приложения высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции для создания в ней стоячей волны напряжения и средство для регулировки частоты сигнала для регулирования длины стоячей волны. Стояк нефтяной скважины снабжен аппаратом для давления коррозии. Обеспечивается эффективное подавление коррозии в зонах добычи нефтяных скважин, в частности внешней поверхности трубы буровой скважины. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к подавлению коррозии конструкций. Настоящее изобретение было разработано для подавления коррозии в подземных конструкциях, в частности в трубах в оборудовании для нефтедобычи. Однако должно быть очевидным, что настоящее изобретение может быть применимо вообще в конструкциях, где возникают подобные или аналогичные проблемы, как описано в этой заявке ниже.
Извлечение нефти из подземных источников представляет собой, в принципе, прямо говоря, бурение ствола скважины вниз к нефтенесущему пласту в земле и размещение в стволе скважины трубы, через которую нефть может быть поднята до уровня поверхности земли. В некоторых нефтяных скважинах нефть может быть под давлением в нефтенесущем пласте, так что она течет к поверхности без какой-либо помощи, но в большинстве случаев помощь требуется, часто путем нагнетания воды через дополнительную трубу к нефтенесущему пласту для вытеснения нефти. В таком случае нефть приходит к поверхности смешанной с водой. Вода, нагнетаемая в нефтенесущий пласт, может быть морской водой и может быть нагрета так, чтобы нефть, если она является вязкой, текла более легко. Очевидно, что такие технологии добычи создают окружающую среду, которая очень высоко содействует коррозии стальной трубы и компонентов.
Части нефтяной скважины, наиболее склонные к коррозии, являются зонами добычи, в которых труба находится в контакте со смесью нефти и воды. Участок поверхности трубы скважины, незащищенной от смеси, имеет ширину зоны добычи. В любой буровой скважине может быть более одной зоны добычи, причем эти зоны находятся на разных глубинах друг от друга и нефтедобыча может переключаться от одной зоны к другой, когда исчерпывается доступная нефть в одной зоне. Помимо всего прочего, внутренняя сторона стояка, которая транспортирует смесь нефти и воды к поверхности, является склонной к коррозии.
Коррозия металлов является электрохимическим процессом, вовлекающим прохождение электрических токов большей или меньшей величины. Там, где поверхность металла находится в контакте с электролитом, разности потенциалов, которые возникают между различными участками металлической поверхности вследствие металлургических изменений в материале в различных местах или локальных разностей в окружающей среде (например, изменений в доступности кислорода на поверхности), создают электрохимические элементы, в которых процесс коррозии на анодах разрушает металл. Одна известная технология подавления коррозии известна как катодная зашита, которая вовлекает обеспечение и соединение внешнего анода к металлу, который должен быть защищен, так что металл эффективно становится катодом и, таким образом, не подвергается действию коррозии. Внешний анод может быть гальваническим анодом (металлом, более химически активным, чем металл, который должен быть защищен; например, как правило, цинком, алюминием, магнием или их сплавом, где сталь является металлом, который должен быть защищен). В этом случае разность в естественном потенциале между анодом и сталью вызывает поток электронов в электролите от анода к стали. У поверхности стали, поскольку электрический потенциал между ней и раствором электролита в действительности делается более отрицательным благодаря подаче электронов, коррозионные анодные реакции подавляются и могут иметь место только катодные реакции. Анод или аноды называют протекторными (расходуемыми) анодами, так как они потребляются во время этого процесса.
Альтернативная технология защиты должна использовать один или более инертных (нерасходуемых) анодов и использовать внешний источник электропитания постоянного тока для подачи электрического тока в систему анод-катод для достижения подобного эффекта.
В общих чертах, для подавления реакций на аноде требуется либо создание нулевого потенциала на поверхности, подлежащей защите, или при стандартной катодной защите отрицательного потенциала, который гарантирует отсутствие возникновения анода.
Катодную защиту путем использования протекторных (расходуемых) анодов или путем подачи электрического тока широко используют для защиты конструкций, например складских резервуаров, струенаправляющих дамб, морских платформ (для бурения и эксплуатации) или железобетонных конструкций, где коррозия стальной арматуры является потенциальной проблемой.
Проблемой нефтяных буровых скважин является то, что известные системы катодной защиты нелегко используются с ними. Доступ вниз по скважине для замены расходных анодов не представляется возможным, в то время как стандартная катодная защита с помощью подаваемого электрического тока нелегко поддается применению. Внешний анод обеспечит только защиту для участка вдоль трубы, имеющего расстояние не более 2-5 диаметров, а поскольку зона добычи может двигаться во время службы скважины, создание фиксированной зоны защиты не является практичным.
В соответствии со сказанным выше объектом настоящего изобретения является обеспечение подавления коррозии в зонах добычи нефтяных скважин, в частности внешней поверхности трубы буровой скважины или в аналогичных ситуациях, в которых вышеописанные недостатки преодолеваются или уменьшаются.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения мы обеспечиваем способ подавления коррозии, по меньшей мере, на одной требуемой области удлиненной металлической конструкции, предусматривающий приложение высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции так, чтобы в конструкции была создана стоячая волна напряжения с подавляющим коррозию потенциалом в требуемой области (в требуемых областях) конструкции. Способ предпочтительно предусматривает этап регулировки частоты электромагнитного сигнала (и, следовательно, длины стоячей волны напряжения) так, чтобы узловая точка (нулевое напряжение) устанавливалась в окрестности требуемой области подавления коррозии.
Удлиненная металлическая конструкция предпочтительно является стояком нефтяной скважины, а сигнал прикладывают к ней в устье скважины (то есть там, где труба появляется из земли). Стояк вниз по скважине и труба, ведущая из него, например магистральный трубопровод, эффективно образуют воздушный диполь, в котором устанавливается стоячая волна, причем сигнал отражается от нижнего конца трубы скважины. Частоту, фазу и направление прикладываемого сигнала можно регулировать так, что зона нефтедобычи скважины будет близко к узлу стоячей волны.
Как указано выше, зона нефтедобычи нефтяной скважины может меняться несколько раз во время срока службы нефтяной скважины. В соответствии с настоящим изобретением соответствующая регулировка частоты, фазы и направление сигнала, прикладываемого к нефтяной скважине, может гарантировать то, что в (данной) зоне добычи устанавливается требуемое состояние подавления коррозии.
Частота сигнала может изменяться при использовании, так что положение узловой точки изменяется со временем. Это означает, что коррозия может подавляться на увеличенном участке нефтяной скважины.
Электромагнитный сигнал предпочтительно прикладывают к конструкции путем обеспечения сердечника из магнитопроводного материала, окружающего конструкцию в соответствующем положении, и создания магнитного потока требуемой частоты в сердечнике для создания стоячей волны. Магнитный поток может быть создан путем обеспечения соленоида, через который проходит магнитопроводный сердечник, причем сердечник возбуждается посредством электрических сигналов требуемой частоты.
Может быть написана компьютерная программа для вычисления правильной частоты для создания необходимой стоячей волны и положения узла для глубины нефтяной скважины и положения в ней зоны добычи.
В соответствии с настоящим изобретением создание требуемого потенциала в зоне добычи посредством стоячей волны обеспечивает эффект, аналогичный катодной защите внешней поверхности стояка в этой зоне. Помимо всего прочего, коаксиальное магнитное поле создается вдоль участка стояка, оказывая поверхностное действие подавления коррозии на его внутренней поверхности.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения мы обеспечиваем аппарат для подавления коррозии, по меньшей мере, на одной требуемой области удлиненной металлической конструкции, содержащий средство для приложения высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции в положении на ее участке, благодаря чему в конструкции создается стоячая волна напряжения, и средство для регулировки частоты сигнала и, следовательно, длины стоячей волны.
Аппарат предпочтительно включает в себя сердечник из магнитопроводного материала для окружения конструкции и средство для создания высокочастотного магнитного потока в сердечнике.
Теперь настоящее изобретение будет описано на примере со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическая иллюстрация того, как аппарат, соответствующий настоящему изобретению, может быть использован для подавления коррозии конструкций нефтяных скважин;
Фиг.2 - иллюстрация состояний стоячей волны, имеющих место при использовании настоящего изобретения.
Как следует из фиг.1 сопроводительных чертежей, труба, проходящая вниз по нефтяной скважине, указана ссылочным номером 10, а труба, выходящая из устья нефтяной скважины, указана ссылочным номером 12. В устье нефтяной скважины иллюстрируется кольцевой сердечник 14 из магнитопроводного материала, например из феррита, проходящий вокруг трубы 10, и генератор сигналов, генерирующий электрический выходной сигнал при требуемой частоте, показан ссылочным номером 16. Выходной сигнал из генератора сигналов 16 прикладывается к соленоиду, не показанному, через который проходит магнитопроводный сердечник, а также проходит вокруг трубы 10 (12). Выходной сигнал генератора сигналов 16 является переменным сигналом регулируемой частоты.
Иллюстративное устройство магнитопроводного сердечника, окружающее трубу, описано в международной патентной публикации № WO 2006/067418, хотя оно предназначено для другой цели и использует два сердечника, отстоящих друг от друга в продольном направлении трубы. Тем не менее устройство такого сердечника пригодно, в принципе, в настоящем изобретении, если используется генератор сигналов, частота выходных сигналов которого поддается регулированию.
На фиг.2 сопроводительных чертежей схематически иллюстрируются состояния стоячей волны, которые создаются в трубе 10 нефтяной скважины во время использования. На этом чертеже показано положение сердечника 14 в устье скважины, а переменный (синусоидальный) сигнал, генерируемый посредством него, показан линией 20. Сигнал, отраженный в обратном направлении (назад) от конца скважины, представлен линией 22; стоячая волна, создающаяся в результате приложенного и отраженного сигнала, показана синусоидальной линией 24. При частоте сигнала, составляющей 120 кГц, длина стоячей волны составляет приблизительно 2,5 км. Путем изменения частоты длина волны, соответственно, изменяется так, чтобы узлы (нулевые точки), получаемые в результате волн в прямом и обратном направлениях, создавались в разных точках вдоль трубы скважины. Частоту регулируют до тех пор, пока узел не создается в области зоны добычи нефтяной скважины, так что в этой зоне получают подавление коррозии внешней поверхности трубы нефтяной скважины.
Путем поддержания потенциала, близкого к нулю в зоне добычи, поверхности трубы могут действовать только в качестве катодов, таким образом, подавляются реакции анодной коррозии.
В нефтяной скважине толщина зон добычи может сильно варьироваться, например от 1 м до 100 м или более. В общем, в соответствии с настоящим изобретением узел стоячей волны, как показано ссылочным номером 26 на фиг.2, будет размещен так, чтобы находиться приблизительно на половине пути через толщину зоны добычи. Хотя потенциал, создаваемый стоячей волной, является положительным и отрицательным на противоположных сторонах узла в направлении длины трубы нефтяной скважины, для типичной толщины зоны добычи потенциал в зоне добычи достаточно близок к нулю (принимая во внимание величину длины волны, как указано выше) для коррозии, подавляемой через эту толщину.
Представляется возможным незначительное изменение со временем частоты и, следовательно, длины стоячей волны, так что положение узла изменяется в любой требуемой конфигурации со временем вдоль длины трубы нефтяной скважины. Посредством этого подобное подавление коррозии внешней поверхности трубы может быть получено на большей длине трубы.
Помимо всего прочего благодаря поверхностному эффекту коаксиального магнитного поля, возбуждаемого в трубе, проходящей вверх от зоны добычи к устью скважины, электроны смещаются из внутренней поверхности трубы так, что оно является эффективным как катод, подавляя коррозию внутренней поверхности.
Используемые в описании и формуле изобретения настоящей заявки термины «содержит» и «содержащий» и различные их разновидности означают, что включаются определенные элементы, этапы или компоненты. Эти термины не должны интерпретироваться для исключения наличия других элементов, этапов или компонентов.
Признаки, раскрытые в описании, приведенном выше, или в следующей формуле изобретения, или в сопроводительных чертежах выражены в их характерных формах или в виде терминов для выполнения описываемой функции, или способа или процесса для достижения описываемого результата, соответственно, отдельно или в любой комбинации таких элементов, используемой для реализации настоящего изобретения в его различных формах.
1. Способ подавления коррозии, по меньшей мере, в одной требуемой области удлиненной металлической конструкции, включающий приложение высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции так, чтобы в конструкции была создана стоячая волна напряжения с подавляющим коррозию потенциалом в требуемой области или требуемых областях конструкции.
2. Способ по п.1, который дополнительно включает этап регулировки частоты электромагнитного сигнала с возможностью создания узловой точки стоячей волны в окрестности требуемой области подавления коррозии.
3. Способ по п.1, в котором удлиненная металлическая конструкция является стояком нефтяной скважины.
4. Способ подавления коррозии, по меньшей мере, на внешней поверхности стояка нефтяной скважины в окрестности зоны добычи, включающий приложение высокочастотного электромагнитного сигнала к стояку с возможностью создания стоячей волны напряжения в стояке и регулировку частоты сигнала с возможностью создания узловой точки стоячей волны в окрестности зоны добычи.
5. Способ по п.4, в котором электромагнитный сигнал прикладывают к трубе в устье скважины.
6. Способ по п.1, в котором электромагнитный сигнал прикладывают к конструкции посредством использования сердечника из магнитопроводного материала, окружающего конструкцию, и создания магнитного потока требуемой частоты в сердечнике для создания стоячей волны.
7. Способ по п.6, в котором магнитный поток образуется за счет использования соленоида, через который проходит магнитопроводный сердечник, причем соленоид возбуждают посредством электрических сигналов при требуемой частоте.
8. Способ по п.2, который включает использование изменения частоты электромагнитного сигнала так, что обеспечивается изменение положения узловой точки со временем.
9. Аппарат для подавления коррозии, по меньшей мере, на одной требуемой области удлиненной металлической конструкции, содержащий средство для приложения высокочастотного электромагнитного сигнала к конструкции для создания в ней стоячей волны напряжения, и средство для регулировки частоты сигнала для регулирования длины стоячей волны.
10. Аппарат по п.9, который содержит сердечник из магнитопроводного материала, окружающий конструкцию, и средство для создания высокочастотного магнитного потока в сердечнике.
11. Стояк нефтяной скважины, характеризующийся тем, что он снабжен аппаратом для подавления коррозии по п.9 или 10.
