合興場(chǎng)氣田須二氣藏氣井結(jié)垢主控因素與防治試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究

王承陸

中石化西南油氣分公司川西采氣廠

一、基本地質(zhì)特征及開發(fā)概況

合興場(chǎng)須二氣藏儲(chǔ)層致密化程度高，儲(chǔ)層砂巖孔隙度普遍小于8%，滲透率區(qū)間值一般低于0.1md，其基質(zhì)孔、滲性差；儲(chǔ)集類型復(fù)雜多樣，主要以裂縫－孔隙型、孔隙－裂縫型為主，非均質(zhì)性強(qiáng)，地壓系數(shù)均大于1.6 MPa/100m，地層溫度97～1170C。開發(fā)實(shí)踐表明須二氣藏的水體活躍，氣井在投產(chǎn)初期產(chǎn)水量較小，水型以Na2SO4型為主，Cl-濃度和總礦化度均較低；氣井進(jìn)入產(chǎn)水階段后開始大量出水，水性發(fā)生變化，主要為CaCl2型，Cl-離子濃度上升，一般為30000-50000mg/L,總礦化度80000mg/L左右。氣井天然氣組分以烴類氣體為主，烴類氣體占?xì)怏w總量的98.3917%，其次是CO2和N2及其它非烴類氣體，CO2平均占總量的0.9762%。至2013年該氣藏采出程度僅為10%左右。困擾氣井正常生產(chǎn)的主要因素之一是地層結(jié)垢導(dǎo)致氣井滲透性能下降，成為產(chǎn)能下降重要原因之一；油管結(jié)垢在氣井產(chǎn)水開采階段成為其它后續(xù)措施的主要障礙。

二、氣井結(jié)垢的機(jī)理與影響因素

合興場(chǎng)氣田須二氣藏所產(chǎn)地層水為CaCl2型，天然氣中CO2含量約占1%左右，近幾年開始陸續(xù)進(jìn)行修井作業(yè)，從取出的油管內(nèi)、外壁直接證實(shí)了存在地層水結(jié)垢，其主要成分為CaCO3，平均約占90%以上，其次為MgCO3，以及少量CaSO4，微量FeCO3等其它物質(zhì),垢樣有固定的晶格，堅(jiān)硬而致密，是一種具有離子晶格的鹽。修井中更換了新油管，使井筒內(nèi)暢通無阻，但在測(cè)試替噴中產(chǎn)能較低，采用CHY-I型低毛管降阻酸實(shí)施酸化解堵作業(yè)后，氣井測(cè)試產(chǎn)能顯著上升，間接表明地層同樣存在結(jié)垢現(xiàn)象。

圖1 CaCO3溶解量與PCO2關(guān)系圖

1.氣井結(jié)垢的機(jī)理

在合興場(chǎng)須二氣藏的氣井儲(chǔ)層中，地層水含有一定量的Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3＋、CI－、SO42-、HCO3－等多項(xiàng)離子，平均總礦化度為81829mg/L，PH值在6左右，成為結(jié)垢產(chǎn)生的必要條件。在儲(chǔ)層條件下，溶解的鈣（Ca2+）和HCO3－與固體的碳酸鈣（CaCO3）、CO2處于某種平衡狀態(tài)。圖1是不同CO2分壓下得出的CaCO3溶解度曲線。氣井在排水采氣生產(chǎn)過程中，地層水和天然氣在地層中從孔隙、微裂縫、大裂縫流向向井底，再沿著油管上升流動(dòng)，直至采出至地面管線輸送，處于壓力不斷下降的環(huán)境中，地層水中的CO2不斷逸出，系統(tǒng)中的CO2分壓減小時(shí)，在同樣穩(wěn)定壓力下，離子平衡向有利于CaCO3沉淀生產(chǎn)方向移動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)向生成CaCO3鹽垢的方向進(jìn)行。

2.結(jié)垢的影響因素

碳酸鈣結(jié)垢是受多種因素影響的。油氣田條件下在巖芯孔隙內(nèi)垢形成速度快，在電子顯微鏡下觀察認(rèn)為，這種碳酸鈣結(jié)晶主要以異相成核為主，晶體緊靠巖石表面生長，而不在巖石孔道內(nèi)流動(dòng)的鹽水中形成，并可在滲流通道中多處多次發(fā)生。

（1）、PH值的影響。合興場(chǎng)須二段氣井產(chǎn)水早期地層水的PH值在5.4左右，后期上升到6.5左右。隨產(chǎn)水逸出的CO2越多，PH值的逐漸升高，在堿性條件下HCO-3轉(zhuǎn)變?yōu)镃O32－，CO32－與Ca2+結(jié)合成CaCO3沉淀，即氣井開采過程中因條件改變自然結(jié)垢。

（2）、雜質(zhì)的影響。井內(nèi)流體中含一定量的雜質(zhì)微粒，作為晶核能夠促使碳酸鹽在較低的過飽和條件下析出晶體。懸浮的雜質(zhì)微粒與析出的碳酸鹽晶體，在油管中受到沿管柱的切力以及內(nèi)表粗糙點(diǎn)（段）附著物的粘結(jié)作用，使以雜質(zhì)微粒為主和析出的碳酸鹽結(jié)晶迭加在一起，在管壁某些滯留區(qū)沉積并聚集起來，如腐蝕管壁的坑點(diǎn)、油管絲扣連接處等。即粗糙的管壁及其它雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過程有強(qiáng)烈的催化結(jié)晶作用和沉積作用，從而導(dǎo)致流體在較低的飽和度下便析出沉淀，產(chǎn)生誘發(fā)結(jié)垢。

（3）、溫度的影響。研究表明除CaSO4系列垢的溶解度隨溫度的升高急劇下降，而其它系列的變化較小，CaCO3及其它并不隨溫度升高而增大溶解度，呈單向變化趨勢(shì)。

（4）、壓力的影響。CaCO3在水中存在如下溶解平衡為：CaH?CO3?CaCO3＋CO2＋H2O，當(dāng)溫度升高，平衡向右移動(dòng)；壓力下降，平衡也向右移動(dòng)，產(chǎn)生CaCO3沉淀，由于井底溫度一般較高，容易產(chǎn)生沉淀，系統(tǒng)中任何有壓力降的部位，如井底附近及主要滲流裂縫，井筒等都會(huì)導(dǎo)致CO2分壓降低從而產(chǎn)生CaCO3沉淀。

（5）、流體動(dòng)力學(xué)因素的影響。影響結(jié)垢的流體動(dòng)力學(xué)因素主要是液流形態(tài)（層流、紊流）、流速及其分布。流速增加使液流攪動(dòng)程度增大，沉淀晶體凝聚加劇，促使晶核快速形成。在油氣田環(huán)境中，油管線內(nèi)壁不光滑表面，腐蝕表面附近易出現(xiàn)紊流，使局部過飽和度增大而產(chǎn)生結(jié)垢；井底區(qū)域紊流劇烈，更易產(chǎn)生結(jié)垢。

三、氣井結(jié)垢的預(yù)測(cè)

由于地層水結(jié)垢的不可避免性，需要準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)測(cè)合興場(chǎng)地層水的結(jié)垢趨勢(shì)，以利于及時(shí)采取防治措施。合興場(chǎng)氣田產(chǎn)出的地層水，由于高礦化度存在大量自由陰、陽離子，因而普遍存在締合現(xiàn)象。利用W.F.Langerlier提出飽和指數(shù)判斷水中CaCO3的穩(wěn)定性，結(jié)垢趨勢(shì)判定條件如下：

①、SI＜0，地層水為不飽和溶液，無垢的析出或原有垢繼續(xù)溶解；

②、SI＝0，地層水為飽和溶液，垢的析出和溶解達(dá)到平衡；

③、SI＞0，地層水為過飽和溶液，有垢從地層中析出。

Rogers等人通過推算，對(duì)于大多數(shù)油氣生產(chǎn)井的地層水來說有：

SI＝log(CatA2/PVCO2)＋5.89＋1.549×10－2－4.26×10－4T2－7.44×10－5P

－2.526Si1/2＋0.920Si

式中：Cat（摩爾）＝(mg/L Ca)/40000；A（摩爾）＝(mg/L HCO-3)/61000；

Si（摩爾）＝電導(dǎo)率(μΩ/cm)/66667=(mg/L TDS)/58500；VCO2=氣相中CO2的體積百分?jǐn)?shù)；

P為壓力，單位1bf/in2；T為溫度，單位℉；TDS（mg/L）約等于0.88×電導(dǎo)率。

依據(jù)公式計(jì)算結(jié)果作圖表明川合127井的井底結(jié)垢趨勢(shì)最大（見圖2），從井底向上至井口其SI值逐漸減小，并在一定深度時(shí)不再出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，此時(shí)SI為0，此點(diǎn)再向上SI則為負(fù)值。由于地層水結(jié)垢受多種因素綜合影響，統(tǒng)計(jì)表明在油氣田生產(chǎn)條件下SI＜1.1-1.4時(shí)，在無垢的系統(tǒng)中不易結(jié)垢，尤其是SI＜-1.0時(shí)，腐蝕往往成為主要問題，這與127井口附近油管腐蝕斷落結(jié)果是相符的。

圖2 川合127井SI值與壓力、井深關(guān)系曲線

在無抑制劑情況下SI在1.1～1.4為臨近結(jié)垢的值，依據(jù)計(jì)算可大致判斷從1750米以下即為油管結(jié)垢的深度，并隨井深增加其結(jié)垢能力越強(qiáng)。127井第一次修井后生產(chǎn)測(cè)井遇阻段井深1907米，與計(jì)算結(jié)果誤差約150米。

四、藥劑試驗(yàn)評(píng)價(jià)與加注原則

1.防、除垢方法的優(yōu)選

鑒于合興場(chǎng)氣田須二氣藏氣井結(jié)垢導(dǎo)致產(chǎn)量下降，且無法采取后續(xù)井下作業(yè)措施的情況，必須進(jìn)行防治以利于氣井的正常開采。國內(nèi)外對(duì)地層水結(jié)垢的防治方法分為物理防垢和化學(xué)防垢法。物理防垢屬于純機(jī)械作業(yè)方式，需要專用作業(yè)機(jī)械及人員，操作成本相對(duì)較高。目前較廣泛采用的是化學(xué)防垢法，其優(yōu)點(diǎn)是便于操作，成本較低。

2.抑制劑試驗(yàn)評(píng)價(jià)

合興場(chǎng)氣田須二氣藏為整裝性氣藏，具備氣井各單井水樣分析結(jié)果接近的有利條件。按照廠家提供的抑制劑使用參數(shù)，選擇其中一口川合127井產(chǎn)出水樣進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。通過防垢效果試驗(yàn)、腐蝕性試驗(yàn)、巖心傷害試驗(yàn)、失活試驗(yàn)等多項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，最終評(píng)定合興場(chǎng)須二氣藏氣井的水垢防治工作液篩選為一種含酸的復(fù)配物質(zhì)，該復(fù)配液具備避免抑制劑與地層水在井眼附近起反應(yīng)形成再沉淀而堵塞氣流通道的重要特點(diǎn)，其PH＝1，與沉積物反應(yīng)式：2H++CaCO3＝Ca2++H2O+CO2↑

工作液中復(fù)配有高溫酸性緩蝕劑，降低H+對(duì)井下管串的腐蝕；同時(shí)還配有在高溫及酸性條件下，起泡排水能力較強(qiáng)的化學(xué)排水劑，該型化排劑在90oC，PH=1的液體中起始泡高185mm，3分鐘后維持泡高165 mm；復(fù)配液中的螯合劑、分散劑可使溶液中的各種離子有效穩(wěn)定地溶解于水，以幫助排出井筒溶液。

3.抑制劑的加注原則

根據(jù)合興場(chǎng)須二氣藏的生產(chǎn)井結(jié)垢物分布，可采取井底凈化施工，以解除井下堵塞，提高其產(chǎn)氣、產(chǎn)液能力。實(shí)施抑制劑加注方案的原則為：用高壓泵周期性把適量抑制劑通過套壓環(huán)空注入井內(nèi)，可同時(shí)防治管柱及地面設(shè)備結(jié)垢；必要時(shí)可把抑制劑擠入地層，并適時(shí)關(guān)井利于藥劑與底層結(jié)垢反應(yīng)后，隨恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)流體返排帶至井口分離處理。

為避免形成不溶解物質(zhì)的再沉淀堵塞，通?？梢圆扇∫恍╊A(yù)防措施，以保證地層水中的Ca2+、Fe3＋離子處于低濃度。擠注時(shí)可選用與地層水配伍的前置液，抑制劑擠注完畢后可泵入超量后置液，以把抑制劑較深地?cái)D入地層。為防止由任何原因造成的顆粒堵塞，還可使用一臺(tái)小孔徑尺寸（＜2μm）的過濾器對(duì)處理液作過濾。

五、認(rèn)識(shí)與建議

1.合興場(chǎng)須二氣藏氣井在采氣過程中，因產(chǎn)地層水結(jié)垢的主控因素其一是因近井地帶地層壓力下降較大，致使CO2分壓下降并使地層水中溶解的CO2較多地逸出，以及地層水的PH值增高，產(chǎn)生了沉積在井眼附近地層的孔喉、裂縫內(nèi)及油管壁以CaCO3結(jié)晶為主的自然結(jié)垢；其二是粗糙的管壁及其它井內(nèi)流體中含一定量的雜質(zhì)微粒雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過程有強(qiáng)烈的催化結(jié)晶作用和沉積作用，從而導(dǎo)致流體在較低的飽和度下便析出沉淀，在晶體生長過程中，雜質(zhì)微粒也會(huì)不斷地向晶體沉積，其結(jié)果形成誘發(fā)結(jié)垢。結(jié)垢程度與溫度、壓力、PH值及流體動(dòng)力學(xué)因素等綜合影響相關(guān)。

2.在常規(guī)采氣條件下，應(yīng)用飽和指數(shù)法對(duì)碳酸鈣的結(jié)垢預(yù)測(cè)表明，其井下油管結(jié)垢點(diǎn)大致從1750米開始，并隨井深增加飽和指數(shù)SI上升其結(jié)垢能力增強(qiáng)。

3.防、除垢方法適合成本較低的化學(xué)防垢法。試驗(yàn)評(píng)定合興場(chǎng)須二氣藏氣井的水垢防治工作液篩選為一種含酸的復(fù)配物質(zhì)，采用周期性加注此類抑制劑的井底凈化施工，能有效地降低井眼附近的地層結(jié)垢堵塞滲透性能下降問題，是目前條件下較為有利的方案。

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