Катодная защита обсадных колонн нефтяных скважин

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ОБСАДНЫХ 
КОЛОНН НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

УДК 622.276.05(075)
ББК 33.131:34.661я7

К29

 
 Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического 
университета 
 
Рецензенты: 
ген. директор ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг»,  
действительный член  АН РТ, д-р хим. наук Р. С. Яруллин  
д-р техн. наук, проф. С. В. Лановецкий 
 

К29

Авторы: С. А. Долгих, В. Э. Ткачева, Ф. Ш. Шакиров, 
Б. Л. Журавлев, О. В. Угрюмов, А. Н. Ахметова
Катодная защита обсадных колонн нефтяных скважин : учебное 
пособие / С.А. Долгих [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 200 с.

ISBN 978-5-7882-2529-6

 
Рассматриваются 
проблемы 
коррозионной 
стойкости 
обсадных 
колонн, описываются схемы катодной защиты обсадных колонн нефтяных 
скважин от коррозии. Приводятся методики расчетов электрохимических 
параметров системы катодной защиты обсадных колонн, основанные на 
результатах экспериментальных исследований в промысловых условиях, а 
также методы мониторинга их коррозионного состояния. 
Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 
подготовки 18.04.01 «Химическая технология». 
Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств 
совместно 
с 
Институтом 
«ТатНИПИнефть» 
ПАО 
«Татнефть» 
им. В. Д. Шашина. 
 

 

ISBN 978-5-7882-2529-6
© Долгих С. А., Ткачева В. Э., 

Шакиров Ф. Ш., Журавлев Б. Л., 
Угрюмов О. В., Ахметова А. Н., 2018

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 622.276.05(075)
ББК 33.131:34.661я7

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ
7 

Глава 1. ОБСАДНАЯ КОЛОННА И КОРРОЗИОННЫЕ 
ПРОБЛЕМЫ
8

1.1. Технологический процесс добычи нефти
8

1.2. Конструкция скважины
11

1.3. Коррозия обсадных колонн
15

1.4. Характерные виды коррозионных разрушений
16

1.5. Статистические данные по техническому состоянию и 

отказам эксплуатационных колонн

20

1.6. Прогнозирование коррозионных отказов обсадных колонн
33

Глава 2. СИСТЕМЫ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОБСАДНЫХ 
КОЛОНН
36

2.1. Схемы катодной защиты 
38

2.2. Определение необходимости и очередности  катодной 

защиты обсадных колонн

41

2.3. Методика выбора скважин для подключения катодной 

защиты

42

2.4. Строительство системы катодной защиты
45

Глава 3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАТОДНОЙ 
ЗАЩИТЫ
48

3.1. Методика расчета и проектирование катодной защиты
48

3.2. Расчет и проектирование анодного заземлителя
60

Глава 4. ТИПОВЫЕ ПРОЕКТНЫЕ РЕШЕНИЯ 
69

4.1. Общие положения
69

4.2. Технологические схемы установок катодной защиты
75

Глава 5. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА ЗАЩИТЫ С 
ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ

82

5.1. Метод поляризационных кривых
82

5.2. Расчет сдвига потенциала в стволе скважины и 

сопротивления в системе скважина/грунт
84

5.3. Метод определения профиля падения напряжения на 

эксплуатационной колонне
89

Глава 6. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ 
КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
95

6.1. Особенности телеметрической системы контроля
95

6.2. Модули контроля параметров станции катодной защиты
99

Глава 7. МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО И
КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНОЙ 
КОЛОННЫ

103

7.1. Основные задачи мониторинга
103

7.2. Методы геофизических исследований
104

7.3. Электромагнитная дефектоскопия
105

7.3.1. Электромагнитные дефектоскопы ряда  ЭМДС–ТМ 

и ЭМД–С

105

7.3.2. Технология на основе магнитоимпульсной дефектоскопии 110
7.3.3. Электромагнитные дефектоскопы серии  Pipe  analysis 
logs

110

7.3.4. Прибор многочастотной электромагнитной 

толщинометрии МЕТТ Schlumberger
112

7.3.5. Приборы для измерения толщины металла (Меtal

Thickness Tools) Sondex

112

7.4. Технология диагностики с использованием сканирующих 

магнитных интроскопов
113

7.5. Акустический каротаж
121

7.6. Гамма-гамма толщинометрия
123

Глава 8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ 
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КАТОДНОЙ 
ЗАЩИТЫ ОБСАДНЫХ КОЛОНН И ВЫКИДНЫХ 
ЛИНИЙ 

124

Глава 9. ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА
133

9.1. Выбор скважин для подключения катодной защиты
133

9.2. Расчет защитного тока осадной колонны
134

9.3. Расчет тока защиты с применением метода расчета сдвига 

потенциала в стволе скважины и величины сопротивления 
в системе скважина / грунт
139

9.4. Расчет распределения плотности тока защиты по глубине 

обсадной колонны с использованием метода определения 
профиля падения напряжения

140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
142

ПРИЛОЖЕНИЕ
146

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ ТЕКУЩЕГО И 
ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ
198

 
 
 
 
 
 
 

Обозначения и сокращения

АЗ
анодный заземлитель

АСУТП
автоматизированная система управления 
технологическими процессами

БКЗ
блок катодной защиты

ВЛ
выкидная линия

ГЗУ
групповая замерная установка

ГНУ
глубинно-насосная установка

ДНС
дожимная насосная станция

КЗ
катодная защита

КИП(К)
контрольно-измерительный пункт (колонка)

КНС
кустовая насосная станция

КР(С)
капитальный ремонт (скважин)

КТПН, КТПУ
комплектные трансформаторные подстанции

КУ
катодная установка

ЛЭП
линия электропередачи

МЭС
медно-сульфатный электрод сравнения

НГДУ
нефтегазодобывающее управление

НДПИ
налог на добычу полезных ископаемых

НКТ
насосно-компрессорная труба

ОКРС
ожидание капитального ремонта скважины

ПЗ
протекторная защита

РВ
разводящий водовод

СКЗ
станция катодной защиты

СМИ
сканирующий магнитный интроскоп

СУ
станция управления

УК(П)З
установка катодной (протекторной) защиты

УГНУ
управление глубинно-насосной установкой

УЧС
удельная частота скважино-нарушений

УЭЦН
установка погружных центробежных насосов

ШГНУ
штанговая глубинно-насосная установка

ЭМДС
электромагнитный дефектоскоп скважинный

ЭИС
электроизолирующее соединение

ЭКС
эксплуатационная колонна скважины

ЭХЗ
электрохимическая защита

ЭЦН
электроцентробежный насос

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Нефтяные скважины являются дорогостоящими капитальными 
сооружениями, которые служат многие десятилетия, превышая 
проектный срок эксплуатации, и представляют собой сложную 
инженерную 
конструкцию. 
Наиболее 
ответственной 
частью 
скважины является обсадная колонна, обеспечивающая  крепление 
ствола скважины и изоляцию различных геологических пластов.  
Важным условием эффективной работы скважины является 
надежное цементное покрытие наружной поверхности обсадной 
колонны, однако по ряду геологических и технологических причин 
не всегда удается обеспечить качественное цементирование по всей 
глубине в течение всего срока эксплуатации, что может послужить 
причиной возникновения анодных зон в местах контакта металла с 
агрессивной средой, и как результат – привести к локализации 
коррозионных процессов. 
Типичными 
видами 
коррозионных 
поражений 
обсадных 
колонн являются язвы, сквозные поражения, кольцевая коррозия 
металла, продольные язвы ручейкового характера. 
Распределение катодных и анодных реакций на внешней 
поверхности 
обсадных 
труб 
возможно 
при 
использовании 
электрохимической защиты, которая применяется с 1913 года ХХ в. 
и является единственным способом активной защиты обсадных 
колонн от грунтовой коррозии. 
Оценка эффективности катодной защиты, основанная на 
результатах расчета оптимальных параметров, в первую очередь 
величины 
защитного 
тока, 
и 
экспериментальной 
проверке 
полученных результатов в промысловых условиях, оцениваемых 
характером 
распределения 
потенциала 
(плотности 
тока) 
наложенного  электрического поля по поверхности защищаемого 
сооружения, а также оценка коррозионного состояния металла 
эксплуатационной колонны скважины являются нетривиальными 
задачами, 
требующими 
применения 
комплекса 
методических 
подходов. 
 
 

Глава 1. ОБСАДНАЯ КОЛОННА И КОРРОЗИОННЫЕ 
ПРОБЛЕМЫ 
 
1.1. Технологический процесс добычи нефти 
 
Почти вся добываемая в мире нефть извлекается посредством 
буровых скважин, закрепленных стальными трубами высокого 
давления. Скважина имеет герметичную систему, рассчитанную на 
работу с давлениями, соизмеримыми с пластовыми. 
Процесс добычи нефти, начиная от притока ее по пласту к забоям 
скважин и заканчивая внешней перекачкой товарной нефти с 
промысла, делят на три этапа:  
– 
движение 
нефти 
по 
пласту 
к 
скважинам 
благодаря 
искусственно создаваемой разности давлений в пласте и на забоях 
скважин;  
– движение нефти от забоев скважин до их устьев на 
поверхности;  
– сбор нефти и сопровождающих ее газа и воды на поверхности, 
их разделение, удаление минеральных солей из нефти, обработка 
пластовой воды, сбор попутного нефтяного газа. 
Извлечение нефти из скважин производится либо за счет 
естественного фонтанирования под действием пластовой энергии, 
либо путем использования одного из нескольких механизированных 
способов подъема жидкости [1]. 
Схема добычи нефти представлена на рис. 1.1.  
Добывающие скважины врезаются в групповую замерную 
установку 2 (рис. 1.1, 1.2), на которой установлен счетчик жидкости и 
перед которой монтируется изолирующее соединение 3. От групповой 
замерной установки сборный нефтепровод поступает на дожимную 
насосную станцию 4 (рис. 1.1, 1.2) , где установлен центробежный 
насос, который по нефтепроводу с давлением 2 – 3 МПа перекачивает 
нефть в товарный парк 13. В товарном парке 13 нефть поступает в 
технологические резервуары 5, там происходит отстой. Верхняя часть 
(более легкая) закачивается в нефтяные резервуары 7, а нижняя (более 
тяжелая) – в водяные резервуары 6. От водяных резервуаров 6 сточная 
вода самотеком поступает в насосную очистных сооружений 9, откуда 
под давлением 2,5–3 МПа закачивается на кустовую насосную 
станцию 10 (рис. 1.1, 1.2). Из кустовой насосной станции сточная вода 
подается по разводящим водоводам 14 в нагнетательные скважины 

под давлением 12 – 16 МПа (иногда по требованию геологов давление 
может достигать 18 МПа). Сточная вода выдавливает нефть из пласта, 
которая поступает в добывающие скважины. В нефтяные резервуары 7 
нефть собирается из технологических (5) и водяных (6) резервуаров. 
Везде используется метод отстоя, когда более легкая нефть собирается 
сверху, а более тяжелая вода – снизу. Из нефтяных резервуаров 7 
нефть (готовый продукт) поступает на головные сооружения АК 
«Транснефть». 
 

 
Рис. 1.1. Схема добычи нефти в ПАО «Татнефть» 

На рис. 1.2 представлен внешний вид основных составляющих 
сооружений при нефтедобыче в ПАО «Татнефть». 

Рис. 1.2. Внешний вид основных составляющих сооружений при 
нефтедобыче в ПАО «Татнефть»: а – станок-качалка;  
б – групповая замерная установка; в – дожимная насосная станция;  
г – установка предварительного сброса сточной воды; д – кустовая 
насосная станция; е – товарный парк 

в

б

г

д
е