蜀南氣礦井筒結(jié)垢機理研究*

邱正陽 李長俊 邱奎 西南石油大學(xué)； 重慶科技學(xué)院

蜀南氣礦井筒結(jié)垢機理研究*

邱正陽1；2李長俊1邱奎21西南石油大學(xué)； 2重慶科技學(xué)院

在管道內(nèi)形成結(jié)垢的直接原因是難溶鹽在過飽和溶液中的沉淀過程。根據(jù)飽和指數(shù)（SI）只能預(yù)測產(chǎn)生沉淀可能性，不能預(yù)測結(jié)垢量的數(shù)值。SI值越大，產(chǎn)生垢沉淀的可能性也越大。回注水CaCO3結(jié)垢趨勢受井底溫度和注入水pH值的影響很大，隨井底溫度和pH值的升高，CaCO3結(jié)垢趨勢增大。對于蜀南氣礦氣田水回注，當(dāng)溫度較低且pH值較低時，不易結(jié)垢。但計算出來的飽和指數(shù)均大于0，因此判斷容易在井筒或地面集輸管線結(jié)垢，尤其是合8井和H1井結(jié)垢趨勢可能更強烈。

結(jié)垢；機理；飽和指數(shù)；溫度；pH值

蜀南氣礦具有50多年的開發(fā)歷史，一些氣井不同程度出現(xiàn)帶水現(xiàn)象，采出的氣田水礦化度較高，達32 000～78 000 mg/L。這些溫度高達60～70℃的采出水經(jīng)過輸送管線匯集后從回注井重新注入地層。當(dāng)井筒中液體在流動過程中溫度、壓力發(fā)生變化，地層水與回注水混合時不相容(不配伍)，將導(dǎo)致井筒、氣井管匯以及地面集輸管線部位形成結(jié)垢?；刈⑺吭酱?，注水時間越長，井筒結(jié)垢越厚，這導(dǎo)致井筒流通截面減小，氣體輸送效率下降，回注難度增大。為找出防垢措施，以蜀南氣礦26井、桐18井、付1井、合8井、H1井等幾口具有典型結(jié)垢特征的回注井作為研究對象，展開井筒結(jié)垢機理研究。

1 水樣及垢樣成分

依據(jù)《油氣田水分析方法（SY/T5523-2000）》，采用化學(xué)滴定法分析水中成垢離子的含量，采用X射線衍射儀分析井筒垢樣組成。

1.1 水樣

對現(xiàn)場取回的水樣經(jīng)過預(yù)處理，然后對水中各離子成分平行測定3次，取平均值，得到水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，見表1。

水質(zhì)分析表明，基本水型屬于CaCl2型。根據(jù)離子分析初步判斷，付1井主要為CaCO3、MgCO3和BaSO4結(jié)垢；合8井主要為常規(guī)CaCO3、MgCO3結(jié)垢；井26/桐18井的預(yù)測垢樣類型為CaCO3、Mg-CO3，并夾雜部分鍶垢；H 1井水樣礦化度最高，各種成垢離子含量也很高，預(yù)測生成CaCO3、Mg-CO3、BaCO3和SrCO3等混合垢。

表1 水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

1.2 垢樣

井筒中的垢樣在正常工作下不易取得，利用合8井檢修期間取得其井筒垢樣，采用X射線衍射儀進行分析。

將合8井垢樣的XRD圖譜中幾個主要衍射峰與XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片中的峰位比較，可以確定合8井垢樣中主要成分分別為碳酸鈣晶體、碳酸鎂晶體、氧化鐵、氧化鍶、硫酸鋇晶體、硫化鐵、氧化鉻、氧化鈷以及它們的混合晶體。這說明井筒結(jié)垢原因主要是筒體金屬鐵受到回注水?dāng)y帶的氧腐蝕而形成氧化物，另外地層水中存在一定數(shù)量鍶離子也是成垢物質(zhì)之一。

2 井筒結(jié)垢機理分析

2.1 結(jié)垢機理

井筒結(jié)垢是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。在管道內(nèi)形成結(jié)垢的直接原因是難溶鹽在過飽和溶液中的沉淀過程。鹽類垢形成的一個首要因素是鹽類物質(zhì)的溶解度處于過飽和狀態(tài)。過飽和濃度除了與溶解度有關(guān)外，還受熱力學(xué)、結(jié)晶動力學(xué)、流體力學(xué)等諸多因素影響，即受壓力、溫度以及pH值變化的影響，也就是說由于系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)不相容性和熱力學(xué)的不穩(wěn)定而引起結(jié)垢[1-2]。在油氣田注水作業(yè)中，最常遇到的是碳酸鹽和硫酸鹽兩種類型的無機垢。硫酸鹽垢主要與產(chǎn)出水和補充水或者注入水和地層水的不相容有關(guān)。對于腐蝕垢來說，結(jié)垢則受輸送介質(zhì)、材料以及周圍環(huán)境的共同影響。

2.2 結(jié)垢趨勢預(yù)測

根據(jù)飽和指數(shù)原理，可以預(yù)測結(jié)垢的效率和準(zhǔn)確度[3]。飽和指數(shù)是過飽和度的一種量度，用飽和指數(shù)可表示溶液中 CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4等沉淀的可能性。飽和指數(shù)定義為

式中IP為實際溶液的離子積；Ksp為溶度積平衡常數(shù)。

根據(jù)飽和指數(shù)只能預(yù)測產(chǎn)生沉淀可能性，不能計算結(jié)垢量的數(shù)值。SI值越大，產(chǎn)生垢沉淀的可能性也越大。當(dāng)SI<0時，溶液未飽和，此時不結(jié)垢；當(dāng)SI>0時，溶液過飽和，結(jié)垢；當(dāng)SI=0時，溶液飽和，處于平衡狀態(tài)。

對蜀南氣礦幾口井的回注水在不同溫度和pH值下的CaCO3垢飽和指數(shù)SI進行了計算機模擬計算，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，回注水CaCO3結(jié)垢趨勢受井底溫度和注入水pH值的影響很大，隨井底溫度和pH值的升高，CaCO3結(jié)垢趨勢增大。

對于蜀南氣礦氣田水回注，當(dāng)溫度較低且pH值較低時，不易結(jié)垢。但是這些被測井口的水溫普遍偏高，在46～70℃之間，pH值為6.5～7.1，弱酸性至中性之間，計算出來的飽和指數(shù)均＜0，因此判斷容易在井筒或地面集輸管線結(jié)垢，尤其是合8井和H1井結(jié)垢趨勢可能更強烈。

表2 CaCO3垢飽和指數(shù)計算結(jié)果

2.3 井筒結(jié)垢原因分析

（1）地層水礦化度及成垢離子含量高，是井筒管道輸送系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢的主要原因，它為結(jié)垢的產(chǎn)生提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）由于注入水由地面泵入井下，溫度逐步升高，導(dǎo)致CaCO3溶解度下降，此時就會在井下和注水管柱產(chǎn)生碳酸鈣垢；另外，由于回注污水產(chǎn)生難溶的硫酸鹽而結(jié)垢[4]。

（3）在氣井生產(chǎn)過程中，流體是從高壓地層流向壓力較低的井筒，此時CO2分壓降低，CaCO3溶解度下降，造成在井筒內(nèi)結(jié)垢。

（4）生產(chǎn)井和回注井中結(jié)垢主要在井筒部位，管輸流動狀態(tài)對結(jié)垢部位也有很大的影響，并且垢的厚度隨井筒深度而增加。這表明結(jié)垢主要在井底部高度湍流區(qū)發(fā)生，其次在層流區(qū)；而地面系統(tǒng)結(jié)垢易產(chǎn)生于注水管線彎頭、閘門的滯留區(qū)。

3 結(jié)語

（1）對26井、桐18井、付1井、合8井、H1井等幾口具有典型結(jié)垢特征的回注井取水樣，測定其離子成分，并對取回的垢樣進行分析，為確定垢型奠定了基礎(chǔ)。

（2）分析了井筒結(jié)垢的機理，并根據(jù)飽和指數(shù)SI的大小預(yù)測產(chǎn)生沉淀可能性。

[1]萬里平，唐酞峰，孟英峰．長慶油田油井井筒腐蝕機理與防護措施[J]．石油與天然氣化工，2006，35（4）：311-313．

[2]王銳．腰英臺油田采出井阻垢防腐工藝技術(shù)[J]．油氣田地面工程，2010，29（7）：29-30．

[3]王兵，李長俊，劉洪志，等．井筒結(jié)垢及除垢研究[J]．石油礦場機械，2007，36（11）：17-21．

[4]朱宏偉，錢慧娟，梁文鈺，等．喇嘛甸油田三元復(fù)合驅(qū)觀察井結(jié)垢跟蹤[J]．油氣田地面工程，2010，29（11）：31-33．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.009

基金論文：本項目獲得中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦資助。

邱正陽：副教授，西南石油大學(xué)在讀博士，主要從事油氣儲運方面研究。

15923956668、qzy2265@163.com

（欄目主持 楊 軍）