一種煤層氣井井筒緩蝕阻垢劑的研究及應(yīng)用

蔣建勛，李靜

(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

煤層氣開采過(guò)程中的阻垢和緩蝕是一個(gè)難題，在排水過(guò)程中，特別是氣液同產(chǎn)階段，高含CO2的高硬度地層水在井筒中流動(dòng)時(shí)極易造成腐蝕和結(jié)垢[1-2]。2017年該區(qū)塊共修井580井次，其中因井筒腐蝕漏失修井256次、井筒堵塞修井80井次、泵堵塞修井33井次，平均泵深800 m，腐蝕發(fā)生在泵上0～100 m，平均檢泵周期為井下201 d。頻繁檢泵不僅帶來(lái)高昂的作業(yè)費(fèi)用，還嚴(yán)重傷害氣井產(chǎn)能。

為了延長(zhǎng)檢泵周期，減緩井下腐蝕和結(jié)垢，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上[3-6]，針對(duì)腐蝕、結(jié)垢的特點(diǎn)，研制了一種高效低毒的緩蝕阻垢劑，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果顯著，平均延長(zhǎng)100 d的檢泵周期，降低了修井作用費(fèi)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

羥基乙叉二膦酸(HEDP)、2-羥基膦?；宜?HPAA)、馬來(lái)酸/丙烯酸共聚物(MA/AA)、無(wú)水乙醇、AES、十七烯基胺乙基咪唑啉季銨鹽、EDTA、氫氧化鈉、硫酸、鹽酸、丙酮等均為分析純；石油醚(60～90 ℃)；高純氮(純度≥99.99%)；二氧化碳(純度≥99.95%)。

FS-Ⅲ高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜；IC761離子色譜儀；PHS-3E型pH計(jì)；AL204型電子分析天平；HX-HH420A4型恒溫水浴鍋。

1.2 緩蝕效能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

緩蝕效能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)基本流程遵循SY/T 5273—2000《油田采出液用緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》。首先，取現(xiàn)場(chǎng)采出液600 mL置于反應(yīng)釜內(nèi)，3片N80掛片外型尺寸為50 mm×13 mm×1.5 mm，在40 ℃的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)7 d，實(shí)驗(yàn)壓力3 MPa，CO2分壓7 300 Pa，按照式(1)～(3)確定反應(yīng)釜轉(zhuǎn)子的線速率、腐蝕速率和緩蝕率。

(1)

式中V——掛片線速度，m/s；

Q——井筒截面流量，m3/s；

d2——套管內(nèi)徑，cm；

d1——抽油桿外徑，cm

(2)

式中rcorr——均勻腐蝕速率，mm/a；

m——實(shí)驗(yàn)前的試片質(zhì)量，g；

m1——實(shí)驗(yàn)后的試片質(zhì)量，g；

S1——試片總面積，cm2；

ρ——試片材料的密度，g/cm3；

t——實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h；

(3)

式中η1——緩蝕率，%；

Δm0——空白實(shí)驗(yàn)中試片的質(zhì)量損失，g；

Δm1——加藥實(shí)驗(yàn)中試片的質(zhì)量損失，g。

1.3 阻垢效能測(cè)定實(shí)驗(yàn)

阻垢效能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)使用靜態(tài)阻垢法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)采出液靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)添加不同種類的緩蝕阻垢劑，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)確定各種緩蝕阻垢劑的阻垢率，從而確定適用的緩蝕阻垢劑配方，然后通過(guò)添加不同濃度的適用阻垢劑，確定阻垢劑的最佳適用濃度。

阻垢率計(jì)算公式如下：

(4)

式中M2——加緩蝕阻垢劑后混合溶液中鈣鎂離子濃度，mg/L；

M1——未加緩蝕阻垢劑混合溶液中鈣鎂離子濃度，mg/L；

M0——A溶液中測(cè)定的鈣鎂離子濃度之半，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕結(jié)垢能力評(píng)價(jià)

2.1.1 采出液腐蝕能力評(píng)價(jià) 利用高溫高壓動(dòng)態(tài)反應(yīng)釜對(duì)8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采出液樣品的腐蝕能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，樣品腐蝕速率見表1。

表1 煤層氣井采出液腐蝕速率分布Table 1 The corrossion rate distribution of water form CBM well

由表1可知，采出液的最低腐蝕速率為1.124 1 mm/a，最高腐蝕速率為1.333 1 mm/a，平均腐蝕速率為1.190 1 mm/a，屬于比較嚴(yán)重的腐蝕。

根據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，該煤層氣區(qū)塊是由于采出氣體中含有二氧化碳、較低的pH值、氯離子含量相對(duì)較高造成的電化學(xué)腐蝕，可以歸納為CO2電化學(xué)腐蝕，而鈣鎂離子和煤粉的存在造成井筒結(jié)垢，結(jié)垢也加劇了腐蝕。結(jié)垢成分主要為碳酸鈣鎂。

2.1.2 采出液結(jié)垢能力評(píng)價(jià) 通過(guò)滴定的方法確定MHA-B緩蝕阻垢劑使用后溶液的鈣離子濃度的變化，從而確定其結(jié)垢能力。實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃，8份樣品，具體結(jié)垢數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，最低結(jié)垢率82%，最高結(jié)垢率85%，平均結(jié)垢率83%，結(jié)垢十分嚴(yán)重。

表2 煤層氣井采出液結(jié)垢率分布Table 2 The scaling rate distribution of water form CBM well

2.2 緩蝕阻垢劑的研制

通過(guò)對(duì)采出液和采出氣的針對(duì)性分析，采用2-羥基膦?；宜?、十七烯基胺乙基咪唑啉季銨鹽和馬來(lái)酸/丙烯酸共聚物為主要成分，羥基乙叉二膦酸、無(wú)水乙醇和AES為輔助原料，進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)協(xié)同增效作用達(dá)到最佳效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了5種緩蝕阻垢劑配方，具體配方比例成分見表3。

表3 5種緩蝕阻垢劑成分

注：以上含量均為摩爾分?jǐn)?shù)。

2.3 緩蝕阻垢劑的緩蝕阻垢性能評(píng)價(jià)

2.3.1 緩蝕性能評(píng)價(jià) 通過(guò)使用高溫高壓反應(yīng)釜的失重法對(duì)MHA-A、MHA-B、MHA-C、MHA-D和MHA-E這5種緩蝕阻垢劑進(jìn)行緩蝕性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見表4，圖1。

表4 不同緩蝕阻垢劑的緩蝕能力

圖1 不同緩蝕阻垢劑的緩蝕能力 Fig 1 Corrosion inhibition ability of different corrosion and scale inhibitors

由圖1可知，MHA-B型緩蝕阻垢劑具有最好緩蝕能力，效果明顯，最低腐蝕速率可以達(dá)到0.058 0 mm/a，該緩蝕具有較長(zhǎng)的緩蝕作用周期，注入井筒后可以達(dá)到保護(hù)井筒，延長(zhǎng)油管使用年限，減少修井頻次的效果。

2.3.2 阻垢性能評(píng)價(jià) 先通過(guò)緩蝕能力評(píng)價(jià)可以看出MHA-B型緩蝕阻垢劑緩蝕性能優(yōu)良，再通過(guò)滴定的方法確定MHA-B型緩蝕阻垢劑使用后溶液的鈣離子濃度的變化，從而確定其阻垢率。實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃，加量分別為2，4，6，8，10，20，40，80 mg/L 時(shí)，MHA-B緩蝕阻垢劑的阻垢率變化見圖2。

由圖2可知，當(dāng)加藥量小于20 mg/L時(shí)阻垢率逐漸上升，當(dāng)加藥量為20 mg/L時(shí)，阻垢率可以達(dá)到95%，當(dāng)加藥量>20 mg/L后隨著加藥濃度的上升，阻垢率上升緩慢，所以加藥量為20 mg/L是最經(jīng)濟(jì)的加藥濃度。

綜上可知，從緩蝕阻垢劑的緩蝕效果和阻垢效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，MHA-B緩蝕阻垢劑具有良好的緩蝕阻垢性能。

圖2 各濃度條件下的阻垢效果

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

選取鄂東煤層氣田某區(qū)塊煤層氣井的52口實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受實(shí)驗(yàn)條件限制，采用間歇性泵注加注緩蝕阻垢劑，添加緩蝕阻垢劑前平均檢泵周期為201 d，井筒腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象十分嚴(yán)重，添加緩蝕阻垢劑后，平均檢泵周期延長(zhǎng)100 d左右，腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象得到顯著改善。

4 結(jié)論

(1)加入藥劑后，油井采出液的結(jié)垢能力明顯減弱，油井未發(fā)生因結(jié)垢而造成的檢泵，藥劑的阻垢效果明顯。

(2)加入藥劑后，油井采出液的腐蝕得到明顯的控制，腐蝕速率從1.190 1 mm/a降低到了0.058 0 mm/a，緩蝕率高達(dá)95%，因腐蝕造成的檢泵次數(shù)明顯較少，藥劑的緩蝕效果明顯。

(3)MHA-B型緩蝕阻垢劑的使用濃度僅為20 mg/L，遠(yuǎn)低于其他同類緩蝕劑，具有低濃度、高效能的優(yōu)點(diǎn)。

(4)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)后，由于腐蝕結(jié)垢造成的檢泵次數(shù)明顯減少，檢泵周期延長(zhǎng)100 d，實(shí)驗(yàn)效果顯著，具有良好的應(yīng)用前景，有力地保證了該區(qū)塊煤層氣井開采的連續(xù)性。