油氣田產(chǎn)出水系統(tǒng)碳酸鈣結垢預測

牛魯娜,蔣 秀,郭龍江,屈定榮

(1．中國石化青島安全工程研究院,山東青島 266071 2．中國石油大學(華東)，山東青島 266000)

水力壓裂技術是油氣田開采中廣泛使用的技術，壓裂完成后返排到地面的液體包括返排液和采出水。隨著返排時間的延長，尤其是在產(chǎn)出水階段，由于與地層接觸時間長，體系中的金屬離子含量增高，可能出現(xiàn)結垢的風險。結垢對油層、井筒、地面管線和設備都會造成嚴重的損害，極大影響正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。油氣田最常見的水垢是碳酸鈣垢，為了降低油氣田產(chǎn)出水系統(tǒng)結垢的危害、合理指導企業(yè)防垢清垢工作，對碳酸鈣結垢進行有效預測非常必要[1,2]。

碳酸鈣結垢預測技術，主要有化學計算預測法[3-7]、實驗預測法和軟件預測法[8]三種?；瘜W計算法主要基于熱力學模型進行結垢趨勢預測，常進行假設忽略某些因素的影響，易造成預測結果偏差；實驗預測法利用掛片的增重或成垢離子的質量濃度變化來判斷結垢類型和計算沉淀量，工作量大，適用范圍有限；軟件預測法大多是將標準方法利用編程工具軟件化，使用成本高?？梢姡壳暗奶妓徕}預測技術應用均具有一定的局限性。為了保證預測結果更貼合現(xiàn)場實際，本文考慮了碳酸鈣在傳熱面上的結晶和沉積作用，建立了基于動力學的碳酸鈣結垢量預測模型，并與實驗室模擬實驗和標準方法所得結果進行了對比驗證。

1 碳酸鈣結垢預測模型

碳酸鈣的成垢機制是結晶和顆粒沉積的共同作用[9]，參考Kern-Seaton提出的換熱面上污垢形成過程，將結垢速率模型定義為：

W=W1+W2-W3

(1)

其中，W、W1、W2、W3分別是總結垢速率、析晶垢結垢速率、顆粒垢沉積速率和剝蝕速率，kg/m2·s。

則在t時刻單位面積結垢的質量mf,t可表示成：

mf,t=Wt=(W1+W2-W3)t

(2)

為簡化模型影響因素，對結垢過程做如下假設：①不同類型的結垢獨立存在，同一沉積層的特性參數(shù)在各個方向上相同；②忽略結垢過程的誘導期、結垢表面粗糙度以及流體物性的變化；③傳熱面的初始狀態(tài)不予考慮。

按照文獻[10]所述污垢沉積過程模型，CaCO3析晶垢的沉積速率可表示為：

(3)

(4)

式中：β——傳質系數(shù)；

kR——表面反應速率常數(shù)，kR0為阿侖尼烏斯常數(shù)；

ΔE——活化能，kJ/(kg·mol)；

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；

T——體系流體溫度，K；

cf和cs——分別是CaCO3在主溶液中的濃度和CaCO3的飽和濃度，kg/m3，其中Δc=cf-cs，且cs=98.85714-1.71071T+9.82×10-3T2。

基于Kern-Seaton[11]提出的沉積-脫除模型，顆粒結垢沉積速率顆粒垢沉積速率可表示為：

W2=CbVt

(5)

式中：Cb——溶液中顆粒的濃度，kg/m3,Cb=-16.467+1.667Sb，Sb為溶液的過飽和度；

Vt——晶粒的沉積速度[12]，m/s。

基于Bohnet模型[13]，結垢的脫除速率可表示為：

(6)

式中：K——垢層內缺陷點的數(shù)目；

P——晶間附著力，可按Krause方法進行計算得到；

ρf——垢的密度，kg/m3；

δf、xf——分別為垢層的線脹系數(shù)和厚度；

△T——主流體與壁面之間溫差，K；

v——流體流速，m/s。

測得氣井井口產(chǎn)出水樣各項離子參數(shù)后，可利用上述模型計算出各個時刻的結垢量，通過累加得出一定時間段內的結垢量。采用Visual Basic編寫程序進行計算不同井筒深度碳酸鈣的結垢情況，流程如圖1所示。由于產(chǎn)出水體系屬于復雜的混合電解質體系，離子間存在相互制約作用，故計算中均采用離子活度修正離子濃度，活度基于Debye-Hǜckel理論模型[14]得到。

圖1 產(chǎn)出水井筒碳酸鈣結垢預測流程

2 模型實際應用

2.1 水質及生產(chǎn)參數(shù)

將模型預測方法應用于某氣田A井和B井的產(chǎn)出水井筒進行碳酸鈣結垢預測。產(chǎn)出水水樣成分分析結果如表1所示，可見各水樣成垢離子含量和礦化度均較高。氣井相關生產(chǎn)參數(shù)見表2，井筒內不同深度的溫度、壓力按均勻梯度分布計算。

表1 水質分析數(shù)據(jù) mg·L-1

表2 氣井生產(chǎn)參數(shù)

2.2 模型預測結果

采用編制的軟件計算了A井和B井產(chǎn)出水井筒365天結垢量隨井深的變化，如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，隨著井深增加，井筒結垢量增大，井底部位碳酸鈣最大結垢量分別為0.478 kg/m2和1.455 kg/m2。將井筒內流動看作穩(wěn)定狀態(tài)，計算了兩口井365天和720天的結垢量，發(fā)現(xiàn)兩個時間周期的結垢量無變化，即井筒壁上結垢并不是持續(xù)增加，而是一段時間后即可達到垢物附著與脫落的動態(tài)平衡。

圖2 A井365天碳酸鈣結垢預測結果

圖3 B井365天碳酸鈣結垢預測結果

3 模型預測結果準確性評價

3.1 結垢模擬實驗

為了驗證模型預測結果的準確性，在井筒沿井深方向依次選取靠近井口、井筒中部和井底的三個典型部位進行實驗室內模擬結垢實驗。表3為典型部位溫度、壓力參數(shù)。

表3 典型深度部位生產(chǎn)參數(shù)

實驗試樣材質為油田鋼管用N80鋼材，主要成分見表4。采用帶旋轉功能的高溫高壓反應釜進行掛片腐蝕實驗，試驗周期3天，實驗前掛片質量為m，掛片從反應釜內取出后質量為m1，清洗后掛片質量為m2。采用X射線衍射分析確定金屬表面垢樣成分。由于掛片上附著物的重量m1-m2是總垢物量與腐蝕產(chǎn)物之和，實驗中選擇將m1-m2與XRD定量結果中碳酸鈣所占比例相乘近似認為是碳酸鈣的結垢量。

表4 N80鋼材的主要成分

圖4和圖5是掛片表面垢樣的XRD衍射圖，表5是垢樣成分組成?？梢钥闯?，A井200 m和1 200 m深度條件下，在衍射角2θ為18.28°、30.06°、35.40°、42.99°、56.93°、62.55°和33.30°、35.63°處有物質特征峰，除了鐵基體外，主要是不同形態(tài)的鐵的氧化物類腐蝕產(chǎn)物，未見碳酸鈣等垢物的特征峰；隨著深度的增加，在井底2 200 m狀態(tài)條件下，衍射角為27.21°、33.11°和52.49°時出現(xiàn)微弱的CaCO3晶體峰，定量分析結果表明掛片表面存在少量CaCO3沉淀附著。B井垢樣XRD圖中三個典型部位均有明顯的CaCO3晶體峰，且CaCO3含量隨井深增加而增加。

圖4 A井不同井深掛片結垢XRD圖

圖5 B井不同井深掛片結垢XRD圖

3.2 不同方法結果對比

采用油田現(xiàn)場常用的Oddo-Tomson飽和指數(shù)法對兩口井典型部位進行了結垢趨勢預測，與實驗法和動力學模型法的對比結果列于表6中。可以看出，對于A井，根據(jù)標準中計算得到的飽和指數(shù)均小于0，表明無碳酸鈣結垢趨勢，但隨著井深增加，飽和指數(shù)Is越接近0，向著可能結垢的方向發(fā)展；動力學預測模型方法計算得到在井底部位有碳酸鈣結垢，井中上部則結垢量非常小，可以忽略；而實驗室掛片結果測得井底條件下試樣上附著有碳酸鈣垢，但井口和井中條件下未測得垢物。對于B井，根據(jù)Oddo-Tomson飽和指數(shù)法計算得到的飽和指數(shù)均小于0，無碳酸鈣結垢趨勢，但動力學模型預測結果和實驗法測得的在井筒中均有一定的垢物產(chǎn)生，井口位置結垢量相對較小。

表5 不同條件下XRD分析定量結果

表6 不同方法碳酸鈣結垢趨勢預測結果對比

通過結垢趨勢預測結果對比可以看出，飽和指數(shù)預測結果與實測值略有偏離，而基于熱力學和動力學耦合作用的模型方法預測結垢趨勢與實驗結果相一致。這可能是因為結垢過程不僅受到成垢離子濃度、溫度、壓力等因素的影響，還與所接觸的壁面材質、井筒內流體的動力學參數(shù)有關，井筒表面的粗糙度以及腐蝕產(chǎn)物的存在為垢物形成和附著提供了條件，使得溶液結垢趨勢增大，故飽和指數(shù)法準確性欠佳，而基于熱力學和動力學耦合作用的模型預測法則根據(jù)流體中離子與井筒壁面?zhèn)鳠醾髻|機理和碳酸鈣垢的析晶-沉積-剝蝕機制進行分析計算，且模型計算中全部使用活度代替濃度，可靠性較高。

4 結論

綜合考慮了碳酸鈣結垢的熱力學和動力學影響因素，基于結晶-沉積-剝蝕模型建立了油氣田產(chǎn)出水井筒碳酸鈣結垢的預測方法，采用編制的軟件將方法進行了實際應用。通過與飽和指數(shù)法和模擬實驗法的結垢趨勢預測結果進行對比，證明基于熱力學和動力學耦合作用的模型法與實驗測試結垢趨勢相一致，準確性較高。

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