丘東氣田氣井結(jié)垢的影響因素研究

鄒躍偉 孟 江 黃小亮

(1. 中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處， 成都 610050；2. 重慶科技學(xué)院， 重慶 401331)

產(chǎn)水氣藏在生產(chǎn)過程中由于溫度、壓力的變化，氣藏水會在井筒以及采氣管線中結(jié)垢[1-2]；凝析氣藏產(chǎn)出的凝析油含蠟量較高，蠟結(jié)晶有利于水垢晶體的沉積，從而促進垢的生成[3-4]。丘東氣田在生產(chǎn)過程中既產(chǎn)水又產(chǎn)出凝析油，其采輸系統(tǒng)管線的腐蝕結(jié)垢問題日趨嚴重。針對丘東氣田的氣井結(jié)垢問題，通過室內(nèi)實驗，聯(lián)系現(xiàn)場生產(chǎn)有關(guān)參數(shù)，分析了導(dǎo)致氣井結(jié)垢的原因。

1 丘東氣田采輸系統(tǒng)的結(jié)垢問題

丘東氣田的大部分氣井都產(chǎn)出水和凝析油，而且產(chǎn)出水的礦化度普遍較高，產(chǎn)出凝析油的含蠟量較高。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，部分采氣井的管柱和地面集輸管線已經(jīng)出現(xiàn)腐蝕結(jié)垢甚至堵塞的問題(見圖1)，有的氣井因管內(nèi)結(jié)垢而無法測流壓，有的井場采氣管線在冬季已經(jīng)發(fā)生了管線堵塞事故。

圖1 丘東氣田氣井管柱的結(jié)垢現(xiàn)象

2 丘東氣田氣井結(jié)垢產(chǎn)物的成分

將N80腐蝕掛片放在70 ℃的QD21井水中10天。利用X射線衍射儀分析結(jié)垢物的化學(xué)組成，通過掃描電鏡觀察結(jié)垢產(chǎn)物的表面形貌。掃描電鏡能譜分析結(jié)果見圖2。

分析結(jié)果，結(jié)垢產(chǎn)物的化學(xué)成分為：碳占5.86%，氧占34.89%，鈉占1.17%，硫占19.42%，氯占1.42%，鈣占33.79%，鐵占3.46%。由此分析，結(jié)垢物的主要物相是CaSO4、CaCO3、Fe2O3，次要物相為FeCl3。掃描電鏡觀察結(jié)果也表明，QD21井水垢主要為碳酸鈣、硫酸鈣及鐵的腐蝕產(chǎn)物。

圖2 70 ℃下結(jié)垢產(chǎn)物的掃描電鏡能譜分析結(jié)果

3 導(dǎo)致氣井結(jié)垢的因素

3.1 離子濃度對結(jié)垢的影響

丘東氣田產(chǎn)出水的礦化度較高，含有鈣、鎂離子及碳酸根離子，這些離子相互間的作用對垢的形成有很大的影響。

圖3為碳酸鈣在不同鹽濃度下的溶解度曲線。由圖可知，水中氯離子濃度在(0～1)×104mgL范圍內(nèi)，碳酸鈣的溶解度比在清水中大；氯離子濃度超過1×104mgL后，碳酸鈣的溶解度比在清水中小。這表明，氯離子在一定濃度范圍內(nèi)可以增加碳酸鈣的溶解度；在超過某一濃度之后，由于鹽析作用，則會降低碳酸鈣的溶解度。水中只要存在硫酸根離子，就可以降低碳酸鈣的溶解度。鉀離子和鈉離子對碳酸鈣溶解度的影響與氯離子相似。在氯離子、鈉離子(鉀離子)和硫酸根離子同時存在的條件下，硫酸根對碳酸鈣溶解度的影響占主導(dǎo)地位。

圖3 碳酸鈣在不同鹽濃度下的溶解度

丘東氣田13口井的產(chǎn)出水中，氯離子最大濃度為10 920 mg/L，并存在硫酸根離子。在這種條件下，由于硫酸根離子對碳酸鈣的溶解度起主導(dǎo)作用，丘東氣田的產(chǎn)出水正處于容易產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶沉積的狀態(tài)。

由圖4可知，在含氯離子的水中，隨著氯離子濃度的增大，硫酸鈣的溶解度會增大，而在含硫酸根離子的水中硫酸鈣的溶解度會明顯下降；鉀離子、鈉離子會促進硫酸鈣的溶解。水中的氯離子、鉀離子、鈉離子都可以明顯促進硫酸鈣溶解，而硫酸根離子對硫酸鈣的溶解有強烈的抑制作用。丘東氣田的產(chǎn)出水礦化度為3 469～24 408 mg/L，其中的硫酸鈣有較高的溶解度，不易產(chǎn)生硫酸鈣結(jié)垢。

圖4 硫酸鈣在不同鹽濃度下的溶解度

3.2 溫度對結(jié)垢的影響

溫度因素會影響易結(jié)垢鹽類的溶解度。碳酸鈣及硫酸鈣在水中的溶解度，隨溫度的上升而下降。圖5是實驗所得QD27井產(chǎn)出水在不同溫度下的結(jié)垢情況。在25 ℃下，掛片表面有不均勻的、很薄的一層垢晶體(見圖5a)；在70 ℃下，掛片表面的垢晶體厚度明顯增加，同時腐蝕也比較嚴重(見圖5b)。丘東油田氣井的井下溫度多在70～90 ℃之間，而地面溫度多在30 ℃左右，因此溫度較高的井底附近結(jié)垢嚴重。

3.3 pH對結(jié)垢的影響

將CaCl2、KCl與NaHCO3混合，配制總礦化度為5×104mgL的水，水中Ca2+的含量為600 mgL，pH為8.5，在50℃下進行結(jié)垢實驗。從實驗結(jié)果看，水垢數(shù)量隨pH的增大而逐漸增加，但當(dāng)pH達到12后，隨著pH的增大，水垢數(shù)量的變化卻不明顯。這說明此時水中的已經(jīng)完全變?yōu)楫?dāng)pH由8.5逐漸變小時，水垢數(shù)量則逐漸減少；pH小到5.0時，水中有氣泡冒出，沒有垢的產(chǎn)生，只有掛片的腐蝕。

圖6 QD21等6口井的pH變化曲線

3.4 凝析油對結(jié)垢的影響

丘東氣田產(chǎn)出的凝析油C16以上的組分含量高，凝固點較高，在溫度較低時，蠟晶易于析出。氣液從井底流到井口的過程中，溫度逐漸下降，凝析油中的蠟就會析出，吸附在管壁上，成為垢的一部分。同時，蠟晶的析出改變了管道壁面的性質(zhì)，便于水中垢晶體的吸附沉積，使得有機垢和無機垢相互作用，形成無機物和有機物的混合垢。凝析油含量越大，其中的重組分含量就越多，在相應(yīng)的溫度條件下，蠟晶沉積而加速垢的形成，增加了結(jié)垢量。目前在丘東氣田13口氣井中有10口井的凝析油含量較高，都存在結(jié)蠟的可能。

圖7 QD39等7口井的pH變化曲線

3.5 氣液流速對結(jié)垢的影響

井筒內(nèi)壁能否形成穩(wěn)定的垢層，這既與垢晶體與管壁的吸附程度有關(guān)，也與氣液流動剪切作用有關(guān)。從井垢的放大圖中，可看到剝蝕痕跡和后續(xù)充填痕跡。這說明在結(jié)垢過程中垢層的形成明顯受到了氣體流速(剪切力)的影響。氣液流速變大時，吸附在管壁的垢晶體受到的剪切作用變強，垢晶體不易在管壁吸附，并會剝蝕已形成的垢層，使垢層變得不完整；氣液流速變小時，吸附在管壁的垢晶體受到的剪切作用變?nèi)酰妇w易于在管壁吸附，充填在已有垢層的剝蝕部位，形成新垢層，增加垢層的厚度。油管在結(jié)構(gòu)上存在突變部位，如油管的接頭部位，過流面積減小，更容易結(jié)垢。在油管局部突變部位的結(jié)垢量，還與突變幅度和水中成垢離子濃度有關(guān)。實驗中觀察到，含水氣流的流速越大，水中已經(jīng)形成的垢晶體就會被帶到更遠的地方沉積。氣井的產(chǎn)氣量高，氣流速度大，對垢層的剪切作用明顯，則有利于阻止垢層的形成。

3.6 壓力變化對結(jié)垢的影響

壓力變化可以改變水中碳酸根離子和碳酸氫根離子的濃度。在采氣井含有二氧化碳的情況下，壓力變化可以改變水中的二氧化碳含量。采氣井的壓力從井底到井口不斷下降，水中的二氧化碳不斷析出，水中的碳酸根離子不斷增加，在鈣離子存在的條件下，就容易形成碳酸鈣晶體析出并吸附于管壁。丘東氣田氣井中的二氧化碳含量很低，而且多數(shù)氣井井筒中的壓力低，生產(chǎn)過程中壓力變化不大，因此壓力變化對碳酸鈣結(jié)垢的影響不大。

綜上所述，在丘東氣田，導(dǎo)致氣井結(jié)垢的主要因素是產(chǎn)出水的離子濃度、溫度、pH、氣體流速和凝析油含量。井口到集輸站的地面氣液混輸管道系統(tǒng)，溫度、壓力變化幅度不大，因此壓力變化引起結(jié)垢的可能性很小，而較高的井下溫度是導(dǎo)致氣井結(jié)垢(結(jié)蠟)的重要因素。

4 結(jié) 論

(1) 丘東氣田的氣井產(chǎn)出水含有大量氯離子和較多的硫酸根離子及鈣離子、鎂離子，因此容易產(chǎn)生碳酸鈣結(jié)晶，而不易產(chǎn)生硫酸鈣結(jié)晶。這種狀態(tài)為碳酸鈣垢的最終形成奠定了基礎(chǔ)。

(2) 地層水礦化度和組分的變化，引起水中離子種類和濃度的變化，這為垢結(jié)晶提供了內(nèi)部條件；溫度、pH的變化打破了氣田水原有的離子間的電離平衡，為碳酸鈣結(jié)垢創(chuàng)造了外部條件。

(2) 液相中的凝析油含有較多的重組分，重組分的結(jié)晶促進了無機鹽垢晶體的沉積和吸附，形成混合垢。在同樣條件下，氣井的產(chǎn)氣量大、氣體流速大，可在一定程度上阻止垢層的形成，但在水中垢晶體存在的情況下卻會使氣井的結(jié)垢范圍擴大。