鹵水井測(cè)試工藝研究

張阿波，康建明

（1.中石化江漢石油工程有限公司國(guó)際合作公司，湖北 武漢430040；2.中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣技術(shù)公司，湖北 武漢430040）

引 言

超飽和鹵水井具有“三高一深一易”（即溫度高、壓力高、濃度高、埋藏深、易結(jié)晶）的特征。地層流體鹽析結(jié)晶點(diǎn)溫度高，鹵水過飽和、鹵水腐蝕性高等復(fù)雜因素，給測(cè)試試采帶來諸多技術(shù)問題。

平落壩構(gòu)造鹵水礦藏超深井下過飽和鹵水開發(fā)，鹵水礦化度之高，埋藏之深堪稱世界之首。目前，國(guó)內(nèi)尚無高溫、高壓、高濃度和超深鹵水井測(cè)試試采專用的配套設(shè)備和成熟工藝；因此，通過對(duì)鹵水層進(jìn)行測(cè)試及試采技術(shù)研究，解決鹽結(jié)晶問題，求取地層鹵水性質(zhì)，獲得產(chǎn)能、溫度、壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以盡快開采鹵水資源，生產(chǎn)鉀礦肥，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鹵水井測(cè)試中結(jié)晶過程及影響因素

1.1 平落壩鹵水化學(xué)特征

平落壩構(gòu)造礦藏鹵水，具有K、Br、B含量高的特點(diǎn)，為富鉀、硼鹵水，是沉積石鹽后的海源沉積鹵水，是摻合了淋濾同層含鉀鹽類以及有巖漿水混合的變質(zhì)鹵水。平落壩鹵水礦化度為四川盆地鹵水最高，平落4井礦化度387.78g／L，平落20井礦化度424.24g／L，均為飽和鹵水，礦化度為深層鹵水之最。

1.2 鹵水測(cè)試過程中結(jié)晶影響因素分析

1.2.1 鹵水組分

鹵水礦化度越高，鹵水中不溶于水的鹽離子組分含量越大，鹵水結(jié)鹽結(jié)垢越嚴(yán)重，這是鹵井結(jié)鹽的內(nèi)因。另外，機(jī)械雜質(zhì)和巖石微顆粒的存在同樣會(huì)成為飽和鹽水結(jié)晶的晶核，加快飽和鹵水的鹽的結(jié)晶速度。

1.2.2 溫度

當(dāng)溫度保持在析鹽溫度以上時(shí)，鹽不會(huì)結(jié)晶析出，就不會(huì)結(jié)鹽，而溫度降至臨界溫度時(shí)，開始析出鹽結(jié)晶，溫度越低，析出的鹽越多。據(jù)川西北礦區(qū)2006年對(duì)平落4井井口取樣所做不同溫度下溶解度曲線顯示（圖1），鹵水結(jié)晶溫度在98℃。

圖1 平落4井鹵水隨溫度變化溶解度曲線

但是析鹽溫度是隨鹵水組分變化而變化的，溫度對(duì)不溶水鹽系的影響很微弱（圖2）。

圖2 常見鹽類溫度與溶解度關(guān)系曲線

根據(jù)鹵水鹽分含量以及溶解度曲線可以看出，平落壩鹵水成分中陽離子Na＋含量最高，陰離子中Cl－含量最大，NaCl溶解度隨溫度增加溶解度增幅范圍變小，其結(jié)晶過程受濃度的影響較大。

1.2.3 流速

當(dāng)流速達(dá)臨界流速以后，由于沖刷作用強(qiáng)，析出的鹽晶不易沉積附著在管壁上，從而減輕了結(jié)鹽速度。當(dāng)流速在臨界流速以下時(shí)，結(jié)晶鹽體在流動(dòng)過程中漸漸聚集增大，最終導(dǎo)致堵塞井下中心管和地面管線。

應(yīng)用湍流流態(tài)下的斯托克斯（Stokes）公式計(jì)算鹽粒在靜止鹵水中下沉速度υ下：

式中：υ下為鹽粒的下沉速度，m／s；d鹽為鹽粒折合直徑，m；g為重力加速度，g＝9.8m／s2；p鹽為鹽粒的密度，2.15×103kg／m3；p鹵為鹵水密度，1.235×103kg／m3。

根據(jù)式1可以分別計(jì)算出鹽粒直徑為1，2，3.5mm時(shí)的下沉速度分別為0.148，0.210，0.257，0.332m／s。

從平落4井鹵水降溫結(jié)晶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，鹵水晶粒直徑大多在1～3mm，從計(jì)算結(jié)果來看，只要鹵水的上升速度大于0.257m／s，鹵水在噴出地面過程中，結(jié)晶出的鹽粒就能被鹵水自身帶出地面。

不同自噴量鹵水流量在推薦管徑的油管內(nèi)的上升速度 上υ上：

式中：υ上為鹵水的上升速度，m／s；Q為鹵水的自噴量，m3／d；d內(nèi)為采鹵油管內(nèi)徑，m。

根據(jù)式2可以計(jì)算出不同鹵水流量101，250，300，350m3／d在油管內(nèi)的上升速度為0.257，0.64，0.77，0.89m3／d。

計(jì)算結(jié)果表明：①3mm鹽粒的下沉速度為0.257 m／s；②用油管，日產(chǎn)量101m3以上，鹵水上升速度大于0.257m／s，可將3mm鹽粒沖出地面，不致下沉；③考慮到井內(nèi)結(jié)晶粒度可能大于3mm，為保證中心管暢通，井口流量不應(yīng)小于200m3／d。

1.2.4 管壁特性

管材不同也影響結(jié)鹽。親水材質(zhì)的管壁會(huì)加劇結(jié)鹽，管壁越光滑越不容易結(jié)鹽。管材在使用過程中，由于腐蝕等造成表面光潔度下降以及形成銹蝕斑點(diǎn)及凸凹不平整部位，會(huì)產(chǎn)生局部低速?zèng)_刷帶極易導(dǎo)致結(jié)鹽。

1.3 采鹵井鹽結(jié)晶的過程

1）當(dāng)溫度降至鹽結(jié)晶點(diǎn)溫度以下時(shí)，鹽以結(jié)晶形式從鹵水中析出。

2）溫度繼續(xù)下降，在臨界流速狀態(tài)附近結(jié)晶析出的鹽聚集增大。

3）增大的鹽晶體一部分懸浮在鹵水中，沉積附著在管道的表面上。

4）從形成鹽結(jié)晶所需要的能量角度來看，鹽應(yīng)首先在鹵水中的雜質(zhì)及管壁粗糙處形成。

2 鹵水對(duì)金屬的腐蝕機(jī)理及抗腐措施

鹵水中的一些元素本身就對(duì)油氣田使用的設(shè)備和管材具有較強(qiáng)的腐蝕性，加上井下工具長(zhǎng)期浸泡在鹵水中，其材質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，勢(shì)必造成工具性能變差、強(qiáng)度降低，從而增加了測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)。高溫更進(jìn)一步強(qiáng)化了腐蝕能力，但保溫又是控制結(jié)晶形成速度的有效方法，因此需要平衡防腐保溫之間的矛盾。

對(duì)鋼材的失重、腐蝕率、點(diǎn)蝕等情況進(jìn)行研究得出，鹵水腐蝕影響因素包括鹵水組成和密度、緩蝕劑、溫度、鋼材類型、壓力、作用時(shí)間、掛片表面積與鹵水體積之比（SA／BV）等。由于這些因素均是不可控或不可變因素，而溫度又是控制結(jié)晶形成速度的關(guān)鍵點(diǎn)，因此，測(cè)試工具的抗腐蝕措施應(yīng)從鋼材類型入手。

測(cè)試工具材料選用含 Mo和Cr元素的材料，Mo和Cr合金元素等能細(xì)化原始奧氏體晶粒度。超細(xì)晶粒原始奧氏體經(jīng)淬火后，形成超細(xì)晶粒鐵素體和分布良好的超細(xì)碳化物組織，具有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕能力。同時(shí)，Mo元素可以生成來促進(jìn)鋼材表面的鈍化，從而可以阻止Cl－對(duì)鈍化膜的破壞作用。另外，在材料中盡可能降低ZnBr2的用量，以減輕鹵水對(duì)材料的腐蝕作用。

3 測(cè)試工藝

3.1 采鹵井鹽結(jié)晶的過程

從鹵水測(cè)試過程中結(jié)晶影響因素考慮，為防止井下工具截流作用導(dǎo)致地層產(chǎn)出液帶溫效應(yīng)，首選全通徑測(cè)試工具，盡量簡(jiǎn)化管柱結(jié)構(gòu)，而且井下測(cè)試工具在鹵水結(jié)晶溫度（98℃）點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度以下，以確保測(cè)試工具不受鹽析結(jié)晶影響。目前，全通徑測(cè)試工具主要是環(huán)空壓控式工具，即 APR測(cè)試工具，其表面鍍有 Au，Ag，Ni，Cr，Zn，Sn等金屬，具有一定抗鹵水腐蝕作用，能保護(hù)內(nèi)層不被腐蝕。

3.1.1 測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)方案一

主要管柱結(jié)構(gòu)為：RD安全循環(huán)閥＋采鹵控制閥＋電子壓力計(jì)＋RD取樣器＋RD循環(huán)閥＋RTTS封隔器。

由于流出井筒的鹵水溫度較高，加入圓心軸式伸縮管以補(bǔ)償溫度效應(yīng)產(chǎn)生的管柱伸縮，確保封隔器坐封。此管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能保證一開一關(guān)工作制度，可以滿足施工要求。

3.1.2 測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)方案二

主要管柱結(jié)構(gòu)為：RD安全循環(huán)閥＋電子壓力計(jì)＋插管封隔器。

此管柱的優(yōu)點(diǎn)是油管內(nèi)一旦鹽結(jié)晶堵塞無法疏通，可直接起鉆，拔出插管的同時(shí)關(guān)閉CMQ滑套，實(shí)現(xiàn)不壓井起鉆。此管柱工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多次開關(guān)井工作制度，且工藝成熟，滿足施工要求，但需要兩趟管柱完成。

3.2 采鹵控制閥研制

測(cè)試過程中一旦發(fā)生鹵水結(jié)晶堵塞現(xiàn)象，需要立即進(jìn)行循環(huán)洗井，解除堵塞，否則管柱會(huì)越堵越死，導(dǎo)致施工失敗并復(fù)雜化。APR測(cè)試工具OMNI閥操作時(shí)間較長(zhǎng)，如果地面發(fā)現(xiàn)管柱堵塞現(xiàn)象，則不能及時(shí)進(jìn)入循環(huán)解堵程序。RDS閥只能進(jìn)行一次循環(huán)，不能多次循環(huán)。

針對(duì)現(xiàn)有工具問題，選用35CrMo材料，研制了采鹵控制閥。其工作原理為：采用環(huán)空打壓操作，利用活塞壓差面積把作用力傳至心軸，推動(dòng)心軸向下動(dòng)作；泄壓后，靠地層壓力推動(dòng)心軸向上動(dòng)作。配合工具換位機(jī)構(gòu)，反復(fù)關(guān)閉或打開球閥（滑閥）和循環(huán)孔，每操作一次可更改一次工作狀態(tài)。

3.3 插管封隔器優(yōu)選

采鹵控制閥是新開發(fā)的測(cè)試工具，初次下井未必能達(dá)到理想效果，所以優(yōu)選插管封隔器來代替采鹵閥，通過上提下放管柱插拔插管，進(jìn)行開關(guān)滑套動(dòng)作，同樣實(shí)現(xiàn)井下開關(guān)井和循環(huán)洗井動(dòng)作。

3.4 測(cè)試油管優(yōu)選

測(cè)試井地區(qū)溫度梯度在2.3℃／100m左右，以某井產(chǎn)層4 627.00～4 941.00m計(jì)算，地層中部溫度為126℃。產(chǎn)出液經(jīng)油管到井口還保持在102℃以上就需要進(jìn)行保溫。分析認(rèn)為，選擇使用Φ114.3mm真空隔熱油管可以滿足測(cè)試施工要求。

3.5 地面流程設(shè)計(jì)

鹵水井以出液為主，測(cè)試選用簡(jiǎn)易地面流程，但壓力級(jí)別根據(jù)不同井況確定。流程設(shè)計(jì)為3條管線：一是測(cè)試生產(chǎn)流程，用于對(duì)地層產(chǎn)液進(jìn)行計(jì)量和產(chǎn)能資料錄?。欢撬嘬嚧驂翰僮骷把h(huán)流程，主要用于水泥車替漿和操作井下設(shè)備的開關(guān)閥等；三是壓井流程，主要用于壓井作業(yè)。

由于流到地面流程中的鹵水溫度較高，存在管線燙傷人員的安全隱患，為此，特制定燙傷應(yīng)急預(yù)案和相應(yīng)的防燙傷措施。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2010年2－3月，對(duì)平落4井雷口坡的四段、三段（4 627.00～4 941.00m）共進(jìn)行了4次采鹵測(cè)試。

4.1 測(cè)試工藝評(píng)價(jià)

以其中一次為例，說明現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。管柱結(jié)構(gòu)為：RD安全循環(huán)閥＋電子壓力計(jì)＋插管封隔器。測(cè)試工作制度一開一關(guān)，總測(cè)試時(shí)間53.124h。其中，開井37.00h，關(guān)井16.124h。測(cè)試開井期間排出水298m3，折算日產(chǎn)水187.7m3／d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄取資料和電子壓力計(jì)回放數(shù)據(jù)，對(duì)本次測(cè)試工藝評(píng)價(jià)如下：①測(cè)試期間，測(cè)試管柱無滲漏，RTTS封隔器密封良好；②測(cè)試期間相繼完成了井下開關(guān)井、循環(huán)壓井等工序，各項(xiàng)操作正常；③井底電子壓力計(jì)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比說明，電子壓力計(jì)工作正常，完整記錄了測(cè)試全過程的壓力溫度數(shù)據(jù)（圖3，表1）。

圖3 測(cè)試實(shí)測(cè)壓力溫度曲線圖

表1 測(cè)試成果數(shù)據(jù)表

4.2 測(cè)試統(tǒng)計(jì)及分析

對(duì)比使用真空隔熱管和鉆桿、井筒預(yù)熱和未預(yù)熱進(jìn)行測(cè)試時(shí)的井口溫度數(shù)據(jù)（表2）發(fā)現(xiàn)，真空油管的使用和井筒預(yù)熱措施都使鹵水的產(chǎn)出溫度條件得到了改善。比較測(cè)試平衡熱時(shí)間和最底下壓力計(jì)的顯示溫度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平衡熱時(shí)間最高達(dá)到1 060min時(shí)，溫度還是處于上升階段，并未完全達(dá)到熱交換平衡。

表2 平落4井施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)鹽結(jié)晶堵塞的分析，證實(shí)堵塞發(fā)生在生產(chǎn)管柱較深、溫度較高的地方，而不是上部低溫井段，這說明鹵水從地層產(chǎn)出后狀態(tài)的確有個(gè)急劇變化而利于產(chǎn)生結(jié)晶的過程，當(dāng)然也存在結(jié)晶體在上部出現(xiàn)而沉淀到下部產(chǎn)生堵塞的可能。

5 結(jié)論

平落壩構(gòu)造鹵水礦藏超深井下過飽和鹵水開發(fā)，鹵水礦化度之高，埋藏之深堪稱世界之首。對(duì)此類防治井下測(cè)試管柱及地面管線鹽結(jié)晶的鹵水測(cè)試，在國(guó)內(nèi)外開采鹵水方面還沒有可以借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。解決不好測(cè)試過程中的鹽結(jié)晶難題，測(cè)試井將無法正常進(jìn)行。通過分析研究，得出的認(rèn)識(shí)和建議有以下幾點(diǎn)：

1）真空保溫管一定保溫效果，在超飽和鹵水測(cè)試、開采中可推廣使用；采鹵控制閥經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合格后，方可推廣使用。

2）增加井筒預(yù)熱時(shí)間，對(duì)產(chǎn)出鹵水能起到更好的保溫效果。如果施工中井口溫度最高達(dá)到103℃，管柱仍然有結(jié)晶出現(xiàn)并發(fā)生堵塞現(xiàn)象，就應(yīng)對(duì)本井的鹵水在126℃－100℃ 及高壓到低壓的溶解表現(xiàn)進(jìn)行深入研究，分析其結(jié)晶特點(diǎn)，尋找更為適宜的解決采鹵過程中鹽析結(jié)晶堵塞問題的辦法。

3）地層中的超飽和鹽水變?yōu)轱柡望}水是解決結(jié)晶問題的關(guān)鍵。在鹵水流出地層后加入少量低飽和鹽水或清水，使鹵水由超飽和狀態(tài)變成飽和狀態(tài)的方法，是一種可行的防結(jié)晶工藝。

4）最大限度增加井內(nèi)溫度，減少鹵水結(jié)晶條件是此類鹵水井測(cè)試的根本工作思路。

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