物理防垢技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用

物理防垢技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用

常輝，鄭鋒，徐衛(wèi)峰，羅滿岐

（中國石化華北分公司第一采氣廠，河南 鄭州 450006）

由于地層水礦化度較高，鈣鎂離子質(zhì)量濃度較大，許多氣井生產(chǎn)管柱內(nèi)易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。通過流壓測試分析發(fā)現(xiàn)，大牛地氣田2005—2010年開發(fā)氣井中50%有結(jié)垢現(xiàn)象，嚴(yán)重影響氣井的持續(xù)生產(chǎn)。2010年開始，在大牛地氣田加注阻垢劑，但防垢率只有80%。為了提高防垢效果，大牛地氣田進(jìn)行了物理防垢試驗，并研制了懸掛式物理合金防垢器。對5口氣井安裝物理合金防垢器前后鈣鎂離子質(zhì)量濃度監(jiān)測的結(jié)果表明：安裝物理合金防垢器后，鈣鎂離子質(zhì)量濃度提高了133%，綜合防垢率提高至90%，且鈣鎂離子質(zhì)量濃度在20 000～40 000 mg/L的氣井防垢效果較好。通過物理防垢試驗，形成了大牛地氣田物理防垢技術(shù)和物理合金防垢器安裝工藝技術(shù)，為大牛地氣田的防、除垢研究奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)垢；物理防垢器；鈣鎂離子；防垢率；大牛地氣田

大牛地氣田自2005年大規(guī)模開發(fā)以來，由于地層水礦化度較高，且鈣鎂離子質(zhì)量濃度較大，許多氣井生產(chǎn)管柱內(nèi)易結(jié)垢，造成氣井產(chǎn)層和炮眼堵塞，產(chǎn)液和產(chǎn)氣量下降，嚴(yán)重影響了氣井的正常生產(chǎn)［1-4］。氣井主要產(chǎn)地層水和凝析水的混合液，導(dǎo)致產(chǎn)出液中的Ca2+，Mg2+，Ba2+金屬陽離子質(zhì)量濃度較高；同時產(chǎn)出流體中的CO2溶解于水中，形成CO32-，HCO3-，這些陰離子和SO42-與地層水中的 Ca2+結(jié)合之后易形成 CaCO3及CaSO4沉淀而結(jié)垢［5-8］。油氣田防垢技術(shù)主要包括化學(xué)法、物理法和工藝法［9］。針對越來越嚴(yán)重的氣井結(jié)垢問題，大牛地氣田自2010年以來主要采用了向井內(nèi)加注防垢劑的方法來預(yù)防氣井結(jié)垢，防垢率僅80%。本文針對大牛地氣田化學(xué)藥劑防垢率較低的現(xiàn)狀，對目前國內(nèi)外防垢技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)選［10-12］，確定采用物理防垢技術(shù)進(jìn)行試驗研究。

1　物理防垢原理

物理防垢核心部件為物理合金材料，這種特殊合金材料由多種具有不同電負(fù)性的金屬元素構(gòu)成。當(dāng)流體介質(zhì)以一定的流速流經(jīng)該合金材料時，這些元素因其電極電位存在差異而產(chǎn)生電勢差，形成多個微小的原電池，成為特殊的電化學(xué)催化體，可以向流體介質(zhì)釋放自由電子，使流體介質(zhì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，促進(jìn)水分子形成小分子水團(tuán)，使正負(fù)電荷重心偏離增大，所產(chǎn)生的水偶極子與水中的鈣鎂離子形成牢固的水合離子，增加了礦化物的溶解度，使其不易附著于管壁。同時，合金材料能使已板結(jié)的垢塊逐漸溶解、脫落，從而達(dá)到防垢、除垢的目的［13-14］。

2　物理合金防垢器的研發(fā)

2.1合金材料配比試驗

防垢合金主要由銅、鋅、錫、鎳、錳、銀等元素構(gòu)成。結(jié)合大牛地油氣井結(jié)垢情況以及水樣分析測試結(jié)果，本文對合金的配比作了大量試驗研究，且對防垢工具進(jìn)行了結(jié)垢靜態(tài)和動態(tài)評價試驗［15-16］。

試驗結(jié)果表明，5種不同質(zhì)量配比合金材料試塊的防垢率最高的為87.9%，其配比為銅∶鋅∶鎳∶錫∶銀∶鈀∶鋰=51.0∶18.0∶13.2∶5.3∶3.8∶3.2∶2.3。

2.2防垢效果評價試驗

2.2.1試驗條件及流程

模擬井筒狀況：水槽溫度控制在80℃；管道選用φ15 mm的鋁塑管，管道內(nèi)濕度控制在99%以上；氣泵流量選取10 m3/h，使管道內(nèi)的濕氣流速達(dá)15 m/s；垢樣試塊來源于大牛地2個不同氣井。試驗流程如圖1所示。

圖1　物理防垢試驗流程

2.2.2試驗設(shè)計

試驗采用圖1中的流程進(jìn)行。試驗所用垢樣試塊均為氣井結(jié)垢樣本。

By adopting the method of density matrix, linear IOACs α(1)(ω), and the third-order nonlinear IOACs α(3)(I, ω) can be given as follows[14, 15, 18, 19]:

試驗1、試驗2和試驗3均取2塊相同氣井的垢樣試塊1和垢樣試塊2，但稱重后分別放入盛有D1-4-71，D1-4-38，D1-4-170井取回的液樣（鈣鎂離子質(zhì)量濃度分別為25 000，34 000，46 327 mg/L）的容器1和容器2中，每3 d將其取出1次，放入烘箱恒溫80℃持續(xù)30 min后再分別稱重。

2.2.3試驗結(jié)果

3組試驗結(jié)果見圖2。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，試驗1、試驗2和試驗 3的合金防垢器防垢率分別為 88.8%，86.7%，85.1%，均在85%以上。可見，所研制的合金防垢器，雖然隨液樣礦化度的升高，防垢效果稍微減弱，但對不同礦化度的液樣都有明顯防垢效果，符合預(yù)期。

圖2　不同液樣下防垢試驗效果對比

2.3物理合金防垢器設(shè)計

2.3.1性能要求

為了盡量增強防垢效果，物理防垢器性能需滿足以下要求：

1）適應(yīng)不同管徑的氣井和生產(chǎn)工況，耐壓、耐溫、耐高礦化度水質(zhì)。

2）能夠在井下懸掛式安裝，安裝后不影響后期的測井工作。

3）盡量延長合金防垢器與流體的接觸時間，以強化對流體的極化效果；盡可能增大合金防垢器與流體的接觸面積，使產(chǎn)出水與合金材料充分接觸，以最大限度地提高防垢效果。

4）保證合金防垢器和油管（即采氣管柱）間的密封性能。

2.3.2防垢器設(shè)計

依據(jù)以上要求進(jìn)行防垢器設(shè)計。防垢器主要分為外部和核心2部分（見圖3）。其中，外部主要是保護(hù)套，核心部分由防護(hù)桶、合金材料組成。防護(hù)桶是類似油管的罩子，底端有孔。天然氣和水通過這些孔進(jìn)入防護(hù)桶，與合金材料接觸，從而達(dá)到防止水中的礦化物在管壁結(jié)垢的作用。

由于防護(hù)桶表面有液態(tài)合金涂層，因此具有優(yōu)異的耐酸堿性能，耐中性鹽霧試驗2 000 h，涂層表面無明顯變化；它還有很強的耐溫性，耐溫可達(dá)600℃，可在250℃濕熱環(huán)境中長期使用；其耐壓性能則與原管材相同。

圖3　物理合金防垢器構(gòu)件示意

3　物理合金防垢器的安裝

物理合金防垢器采取懸掛式安裝，即將其與帶有密封裝置的卡瓦式懸掛裝置連接，然后通過繩索或者其他方式下到油管的指定位置。

3.1安裝工具設(shè)計

安裝物理合金防垢器需滿足的技術(shù)要求是：1）安裝在喇叭口以下；2）工作坐封安全，密封可靠；3）方便打撈；4）安裝精度高。

安裝工具包括固定裝置、加長管和定位裝置。安裝工具組合與合金防垢器連接方式如圖4所示。

圖4　物理合金防垢器安裝連接示意

安裝工具優(yōu)點：1）雙密封圈，密封效果好；2）防垢器與安裝工具間設(shè)加長管，提高精度；3）防垢器出生產(chǎn)管柱喇叭口后，能自動坐封，確保其在喇叭口以下。

3.2物理合金防垢器安裝

首先進(jìn)行通井作業(yè)，以確保井內(nèi)無堵塞。確認(rèn)油管無遇阻現(xiàn)象后，連接井下防落工具及工具串，下井速度控制在50～60 m/min，并保持勻速；當(dāng)下至距喇叭口20 m時，減速至5～10 m/min。防垢裝置下過喇叭口時，加長管下方連接動作機構(gòu)上的滑片在防滑工具彈簧作用下外張，同時滑套失鎖，防滑工具彈簧釋放，推動防下落卡瓦上移，并外出咬合油管內(nèi)壁，此時工具串停止下落，觀張力顯示明顯減小；然后上提鋼絲，啟動震擊器將投送器脫開，使防頂卡瓦打開，咬合油管內(nèi)壁，膠筒壓縮膨脹密封油管；緩慢下放鋼絲，待張力減小或鋼絲變軟時，即說明坐封良好。

2013年11，12月以及2014年3，4月，分別對D47-7，D10-19，D1-1-25，D66-94，D66-55氣井進(jìn)行了物理合金防垢器的安裝作業(yè)（見表1）。

表1　物理防垢器安裝日期及深度

因受安裝時鋼絲伸長量及計數(shù)誤差影響，造成設(shè)計深度與實際有誤差，5口氣井平均誤差在0.90 m。

4　現(xiàn)場應(yīng)用效果及分析

檢驗分析物理合金防垢器的防垢效果，主要依據(jù)其安裝前后監(jiān)測的鈣鎂離子質(zhì)量濃度。一是監(jiān)測安裝物理物理防垢器前正常加注阻垢劑和安裝防垢器后不加注阻垢劑的流體鈣鎂離子質(zhì)量濃度，然后進(jìn)行對比分析。二是監(jiān)測安裝物理防垢器前正常加注阻垢劑和安裝防垢器后正常加注阻垢劑的流體鈣鎂離子質(zhì)量濃度，進(jìn)行對比分析。

這里僅以D1-1-25井為例。該井2005年7月17日投產(chǎn)，生產(chǎn)層位S1+H3層，油壓4.5 MPa，安裝物理合金防垢器前流體鈣鎂離子質(zhì)量濃度為19 000 mg/L。2014年3月28日安裝物理防垢器，安裝深度2637.0m。

監(jiān)測分3個階段（見圖5）：第1階段，安裝物理防垢器之前，此階段每天加注1次AS-2型阻垢劑0.5 L，其鈣鎂離子平均質(zhì)量濃度為19 746 mg/L；第2階段，安裝物理防垢器之后，仍然按照上述制度加注阻垢劑，該階段鈣鎂離子平均質(zhì)量濃度為25 565 mg/L，較第1階段提高29.0%；第3階段，安裝物理防垢器后，未加注阻垢劑，該階段鈣鎂離子質(zhì)量濃度為21 864 mg/L，相比第1階段，提高10.7%。從以上分析看，該井安裝物理合金防垢器取得了良好的防垢效果。

圖5　D1-1-25井安裝防垢器前后防垢效果對比

從大牛地氣田的總體應(yīng)用情況來看，物理防垢方法可以提高流體鈣鎂離子質(zhì)量濃度99.5%，而物理化學(xué)綜合防垢方法可以提高流體鈣鎂離子質(zhì)量濃度至133.0%左右。物理合金防垢器較適宜在地層水礦化度20 000～40 000 mg/L的氣井使用；地層水礦化度越高的氣井，防垢效果會越差，這是由于地層水與防垢器接觸時間有限。

5　結(jié)論

1）針對大牛地氣田氣井垢質(zhì)特征以及氣井結(jié)垢的特殊現(xiàn)狀，利用動態(tài)模擬試驗平臺，確定了物理防垢使用的合金材料的最優(yōu)配比，并驗證了防垢效果。

2）根據(jù)懸掛式物理合金防垢器安裝要求，研制了物理防垢器安裝工具。該工具能實現(xiàn)可安裝、可打撈、密封可靠、安裝精確等要求，形成了物理合金防垢器安裝技術(shù)工藝。

3）對物理防垢和物理化學(xué)綜合防垢的評價結(jié)果表明，物理防垢可提高鈣鎂離子質(zhì)量濃度99.5%，物理化學(xué)綜合防垢可提高鈣鎂離子質(zhì)量濃度至133.0%左右。

4）由于地層水與防垢器接觸時間有限，地層水礦化度越高的氣井，使用物理合金防垢器的防垢效果將越差。地層水礦化度在20 000～40 000 mg/L的氣井，使用物理合金防垢器的防垢效果較好。

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（編輯李宗華）

Application of physical scale prevention technology in Daniudi Gas Field

Chang Hui，Zheng Feng，Xu Weifeng，Luo Manqi
（No.1 Gas Production Plant，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China）

Because of high water salinity and high mass concentrations of calcium and magnesium ions，many wells are prone to scaling in the production string.Daniudi Gas Field began to fill inhibitors in 2010，but the scale inhibition rate was only 80%.Test and analysis of flowing pressure show that 50%developed wells have scaled from 2005 to 2010，which seriously affected the continued production of gas wells.In order to improve the scale inhibition rate，physical scale prevention test was carried out and suspension physical scale prevention devices were developed.The mass concentrations of calcium and magnesium ion for five gas wells before and after installation were monitored.Results show that the mass concentration of calcium and magnesium ions increases 133%and the comprehensive scale inhibition rate increases to 90%.The mass concentrations of 20，000-40，000 mg/L have good effect.By the experiment of physical scale prevention，the technology of physical scale prevention and its process of installation have been formed，which laid a foundation for further study of scale removal and prevention technology.

scaling；physical scale prevention device；calcium and magnesium ions；scale inhibition rate；Daniudi Gas Field

國家科技重大專項“鄂爾多斯盆地大牛地致密低滲氣田開發(fā)示范工程”（2011ZX05045）

TE358+5

A

10.6056/dkyqt201503030

2014-12-05；改回日期：2015-03-12。

常輝，男，1983年生，助理工程師，碩士，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事井下工藝研究工作。E-mail：396976652@qq.com。

引用格式：常輝，鄭鋒，徐衛(wèi)峰，等.物理防垢技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：405-408.

Chang Hui，Zheng Feng，Xu Weifeng，et al.Application of physical scale prevention technology in Daniudi Gas Field［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2015，22（3）：405-408.