高礦化度儲(chǔ)層儲(chǔ)氣庫井筒結(jié)鹽機(jī)理研究

段雨安，王述銀，薛賀讓，寇松林

（西安杰源石油工程有限公司，陜西西安 710014）

地下儲(chǔ)氣庫在注氣和采氣周期性運(yùn)行過程中，井筒的溫度和壓力等條件發(fā)生變化[1]，導(dǎo)致地層水中的礦物質(zhì)離子從水中析出，凝結(jié)成鹽，堵塞近井地帶和井筒，嚴(yán)重影響地下儲(chǔ)氣庫的正常運(yùn)行[2]。

目前我國X 儲(chǔ)氣庫雖采用一定方式清除井筒內(nèi)的鹽垢，但隨著儲(chǔ)氣庫運(yùn)行周期的增加，結(jié)鹽趨勢不可避免，結(jié)鹽情況會(huì)加重[3]。因此開展地下儲(chǔ)氣庫井筒內(nèi)的結(jié)鹽機(jī)理研究，對含高礦化度地層水的地下儲(chǔ)氣庫井筒內(nèi)的清鹽防鹽工作有著重要意義[4]。

儲(chǔ)氣庫結(jié)鹽概況：我國X 油田A 區(qū)塊儲(chǔ)氣庫地層屬中高孔隙度、中高滲儲(chǔ)層，砂體連通性好，地層水為CaCl2型，總礦化度為250 000～280 000 mg/L，屬高礦化度地層水[3]。截至2017 年12 月20 日，儲(chǔ)氣庫累計(jì)注氣8.52×108m3，累計(jì)采氣4.84×108m3。自2012 年投產(chǎn)以來，在第五個(gè)注采周期生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)多口注采井井筒結(jié)鹽；在14 口生產(chǎn)井中有6 口氣井井筒也出現(xiàn)了結(jié)鹽現(xiàn)象[5]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

A 區(qū)塊儲(chǔ)層地層水離子主要包括Na+、K+、Ca2+、七種。

溶液組成對成垢過程有著顯著影響，尤其對于含多種鹽組分的高礦化度油田水，對成垢過程存在著多種潛在的影響因素，通過實(shí)驗(yàn)找出這些影響因素并定量考察不同因素對成垢過程的影響，對于考察高礦化度油田水中的成垢機(jī)理是必要的前期工作[6]。根據(jù)前期研究，初步認(rèn)為井筒結(jié)鹽主要受壓力、溫度以及流體動(dòng)力學(xué)等因素影響[7]。地層水中各離子濃度（見表1）。

表1 地層水中各離子濃度表

為考察壓力、溫度以及流體動(dòng)力學(xué)因素對井筒中鹽垢形成的影響，采用了動(dòng)態(tài)結(jié)鹽模型進(jìn)行模擬井筒結(jié)鹽過程，分別模擬不同時(shí)期不同井段在施工過程中鹽含量的變化規(guī)律和在一定施工歷史時(shí)期生產(chǎn)過程中鹽含量的變化規(guī)律。

圖1 裝置模型

該動(dòng)態(tài)結(jié)鹽裝置模型（見圖1）；選取A 區(qū)塊A1井的原始地層水作為高壓氣源模擬地層壓力，地層水容器里的水模擬地層水，氮?dú)馄客饽M生產(chǎn)過程，藍(lán)寶石管模擬井筒，從可視化窗口觀察井筒內(nèi)的結(jié)鹽過程。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 模擬溫度不變，壓力逐步降低

不通氮?dú)?，保持A1 井產(chǎn)層（2 976 m）初期溫度（114 ℃），逐步降低壓力，觀察模擬井筒中地層水的揮發(fā)及鹽垢晶體的析出情況。壓力為10 MPa 時(shí)，地層水蒸發(fā)較慢，有少量晶體析出，直到溶液平衡；隨著壓力逐步下降，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，地層水的蒸發(fā)逐漸加快。壓力降至7 MPa 時(shí)，地層水中氯化鈉晶體進(jìn)一步增加；壓力進(jìn)一步降低至5.8 MPa 時(shí)，地層水完全揮發(fā)。

2.2 模擬不同歷史時(shí)期溫度和壓力條件

不通入氮?dú)?，模擬A1 井井筒2 190 m 處不同時(shí)期對應(yīng)的溫壓條件下鹽含量的變化規(guī)律。不同歷史時(shí)期溫度與壓力（見表2）。

表2 不同時(shí)期溫度與壓力

模擬測試初期井筒該深度處的溫度98 ℃與壓力6.1 MPa，密封條件下平衡后檢測地層水，發(fā)現(xiàn)存在少量氯化鈉晶體。時(shí)間順延，相同方法模擬下一組壓力和溫度條件下的結(jié)鹽情況。隨著時(shí)間順延，地層水析出鹽量逐漸增加。溫度與壓力為104.6 ℃，5.79 MPa 時(shí)，地層水完全蒸發(fā)。

2.3 模擬不同歷史時(shí)期生產(chǎn)狀態(tài)下溫度和壓力條件

通入氮?dú)?，模擬A1 井1 500～3 000 m 井段不同歷史時(shí)期對應(yīng)的溫度和地層壓力條件下生產(chǎn)過程中鹽含量的變化規(guī)律（見圖2）。

由圖2 可以看出，地層水含鹽總質(zhì)量百分比濃度隨深度增加而略有增加。在井底3 000 m 時(shí)，鹽總濃度最大24.7%，氯化鈉質(zhì)量百分比含量為21%左右。此時(shí)氯化鈉還沒有到飽和狀態(tài)，在井筒中不能形成鹽垢。

圖2 飽和蒸汽含量隨井深變化關(guān)系圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）壓力降低是井筒結(jié)鹽的主要影響因素。采氣初期，井筒中壓力較高，水分難以揮發(fā)，產(chǎn)出水中鹽質(zhì)量百分比含量上升幅度較小，達(dá)不到過飽和狀態(tài)。隨著開發(fā)的進(jìn)一步采氣，井筒內(nèi)壓力逐漸下降，當(dāng)井底流壓降至13 MPa 左右時(shí)，天然氣中飽和蒸汽含量增加幅度較大，水分開始大量蒸發(fā)，地層水一進(jìn)入井筒內(nèi)就達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)。

（2）從離子分析角度，結(jié)鹽表現(xiàn)為產(chǎn)出水中各種離子質(zhì)量百分比濃度將有所降低，尤其是鈉離子與氯離子；另一方面，鈉鉀離子含量也將發(fā)生明顯變化，隨著結(jié)鹽程度增加，鈉鉀離子比值將明顯增加。

（3）當(dāng)?shù)貙铀懈鞯V物質(zhì)濃度低于溶解度界限時(shí)，蒸濃并非立即導(dǎo)致鹽的析出。由于在地層水中有一定量的純水儲(chǔ)備，可以補(bǔ)償氣體中的濕度差量而不析出巖鹽。在純水儲(chǔ)備耗盡之后，巖鹽開始析出。在氣井中鹽沉積的必要條件可取成下式：

△ω＞vα

式中：△ω-氣體的濕度差量，△ω=ωp，t-ωn，n，cm3/m3；ωp，t-在井筒溫度壓力條件下氣體中水蒸汽的含量，cm3/m3；ωn，n-在地層條件下氣體中水蒸汽的含量，cm3/m3；v-地層水流入井中的單位進(jìn)水量，cm3/m3；α-地層水中純水相對于氯化鈉的單位儲(chǔ)備量占總量的分?jǐn)?shù)。α 數(shù)值的變化范圍是從0（飽和鹵水）到1（淡水）。

由此，其他條件相同時(shí)，井筒內(nèi)流進(jìn)相當(dāng)少量的高礦化度水都會(huì)促成結(jié)晶，不等式的右邊取最小值。相反，流進(jìn)含有大量低礦化度水作為純水單位儲(chǔ)備量，即使是大量流入通常也不會(huì)導(dǎo)致結(jié)鹽，因?yàn)関α值比氣體中濕度差量更大。

開采后期在近井地帶與氣井井筒容易出現(xiàn)巖鹽沉淀現(xiàn)象。隨著地層壓力和井底壓力的降低就形成特別大的濕度差量。進(jìn)入少量地層水不足以彌補(bǔ)這一差量，結(jié)果水被蒸濃到析出固體巖鹽。相反，在水壓驅(qū)動(dòng)方式下，壓力降低小，產(chǎn)水量增加，具備保持巖鹽處于溶解狀態(tài)的條件，水的蒸發(fā)不足以形成過飽和溶液，甚至是相反的現(xiàn)象井底的巖鹽被氣體中凝析出的水所稀釋，并使帶出的地層水淡化。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）影響井筒結(jié)鹽主要因素為壓力與溫度，其中壓力起決定性作用。當(dāng)井底流壓降至一定壓力，儲(chǔ)層產(chǎn)出的地層水將會(huì)大量蒸發(fā)。隨著壓力進(jìn)一步降低，產(chǎn)出的地層水蒸發(fā)將進(jìn)一步加劇。為井筒結(jié)鹽提供了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）產(chǎn)水量也是影響井筒結(jié)鹽的主要因素之一。產(chǎn)水量較大，且鹽含量較低，不易結(jié)鹽。反之，產(chǎn)水量小，即使鹽含量較低，井筒也可能出現(xiàn)結(jié)鹽現(xiàn)象。

（3）井筒是受流體動(dòng)力學(xué)因素的影響，在流速較低的情況下，結(jié)鹽量先隨流速的增加而增加，此時(shí)當(dāng)速度進(jìn)一步增加，結(jié)鹽量達(dá)到最大值。但隨著流速繼續(xù)增加，結(jié)鹽量將減小。

（4）結(jié)鹽前與結(jié)鹽后地層水中的鈉鉀離子比例發(fā)生明顯變化，即結(jié)鹽后鈉鉀離子比例相對結(jié)鹽前比例增加。