某氣田蘇南區(qū)塊井筒堵塞原因及機(jī)理分析

陳懷兵，黃永章，薛艷

1.川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院（陜西 西安710018）

2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安710018）

1 氣井堵塞情況

2019年，某氣田蘇南區(qū)塊施工動(dòng)管柱作業(yè)21口井，其中6口井發(fā)生油管堵塞。圖1為其中一口井油管堵塞及腐蝕形貌。該井產(chǎn)層為下古氣藏，井深4 100 m，井底溫度100℃，CO2分壓為1.39 MPa，H2S分壓為88.185 kPa，屬于低含H2S、中含CO2氣藏。該井在壓井期間不能有效建立循環(huán)，起出管柱8根堵死。現(xiàn)場取出油管內(nèi)堵塞物形狀有油泥狀、塊狀、層片狀和粉末狀等，顏色呈黑色、灰白色和褐色等。該井油管發(fā)生大面積穿孔失效，部分管柱由于腐蝕嚴(yán)重，造成管柱承重不足，發(fā)生斷脫。通過對井筒產(chǎn)出液組分、所用化學(xué)藥劑性能、堵塞物成分進(jìn)行分析，明確該區(qū)塊氣井油管發(fā)生堵塞的原因和機(jī)理，為現(xiàn)場采取有效解堵措施提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 某井油管堵塞及腐蝕形貌

2 分析化驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 產(chǎn)出液全組分分析

在堵塞的6口井中選取1口井，取產(chǎn)出液進(jìn)行組分分析。參照GB 7476—1987、GB 7477—1987、HJ 603—2011、ASTM D3920—12、GB 11899—1989和GB 6920—1986等標(biāo)準(zhǔn)[1-6]，檢測水質(zhì)中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-和pH值。

表1 為該井水質(zhì)全組分分析結(jié)果。由表1可見，產(chǎn)出液礦化度高，成垢離子含量高，易形成難溶鹽垢。參照SY/T 0600—2009《油田難溶鹽垢趨勢預(yù)測》標(biāo)準(zhǔn)[7]，預(yù)測該井有CaCO3結(jié)垢趨勢。

2.2 化學(xué)藥劑性能分析

取該井現(xiàn)場使用的3種泡排劑（2種液體、1種固體）和1種緩蝕劑，參照SY/T 5273—2014標(biāo)準(zhǔn)[8]，對幾種藥劑的配伍性能進(jìn)行檢測。試驗(yàn)條件為：單獨(dú)藥劑與現(xiàn)場采出水混合，試驗(yàn)溫度50℃，試驗(yàn)時(shí)間24 h。緩蝕劑濃度為800 mg/L，2種液體泡排劑濃度為3%，固體泡排劑濃度為0.5%。緩蝕劑高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)條件為：溫度20℃、80℃、100℃和120℃，緩蝕劑濃度為10%，試驗(yàn)時(shí)間24 h。

表1 水質(zhì)全組分分析結(jié)果 （mg·L-1）

圖2 為配伍性試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可見，緩蝕劑和兩種液體泡排劑與采出水混合后溶液呈均相，無分層、沉淀等現(xiàn)象。固體泡排劑與采出水混合后溶液出現(xiàn)分層現(xiàn)象，底部有沉淀物生成。固體泡排劑為陰離子型表面活性劑，其中存在磺酸鹽成分易與高礦化度鹽水中的Ca2+、Mg2+等發(fā)生皂化反應(yīng)，形成一種不溶于水的混合物。固體泡排劑的皂化反應(yīng)所形成不溶物為形成堵塞物創(chuàng)造條件。

圖2 配伍性試驗(yàn)結(jié)果

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可見，該緩蝕劑20℃時(shí)溶液均勻清亮。80℃時(shí)，緩蝕劑溶液出現(xiàn)少量不溶物，漂浮在上層。溫度繼續(xù)升高到120℃時(shí)不溶物急劇增多，從點(diǎn)滴狀、油滴狀直至團(tuán)簇狀?，F(xiàn)場緩蝕劑采取間歇性加注的方式，大量的緩蝕劑注入井筒內(nèi)與采出水混合，部分緩蝕劑在井筒的停留時(shí)間超過24 h，緩蝕劑中一些組分特別是起乳化作用的組分，如提高溶解性的表面活性劑在超過濁點(diǎn)后失去其性能，緩蝕劑體系失穩(wěn)致使一些溶解性較差的組分脫出，在水溶液體系中呈團(tuán)簇狀存在。

圖3 緩蝕劑高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 堵塞物成分分析

取不同井段的堵塞物進(jìn)行組分分析，分別采用X衍射分析無機(jī)物組分及含量，采用傅里葉紅外光譜分析有機(jī)物官能團(tuán)。

由表2可見，不同井段無機(jī)組分包括腐蝕產(chǎn)物，難溶鹽垢和固體砂粒。腐蝕產(chǎn)物為CO2和H2S腐蝕產(chǎn)物，難溶鹽垢為碳酸鹽垢和硫酸鹽垢。

表2 堵塞物無機(jī)組分分析結(jié)果

根據(jù)上述檢測結(jié)果，固體泡排劑與該井采出水配伍性差，混合后有沉淀物，緩蝕劑在80℃條件下有不溶物出現(xiàn)，兩種藥劑可能是造成井筒堵塞的原因。采用傅里葉紅外分析法確定油管堵塞物中是否含有固體泡排劑和緩蝕劑成分。圖4為堵塞物和不同藥劑傅里葉紅外分析圖譜以及特征振動(dòng)峰對應(yīng)的官能團(tuán)分析結(jié)果。由圖可見，堵塞物與兩種藥劑在1 650～1 590 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)有相同的N-H特征振動(dòng)峰。表明堵塞物成分中可能有一種或兩種藥劑含N-H官能團(tuán)的組分[9]。

3 井筒堵塞原因及機(jī)理分析

圖4 堵塞物及不同藥劑傅里葉紅外分析圖譜

一般情況下，造成氣井井筒堵塞的原因很多，如地層出砂、腐蝕產(chǎn)物、難溶鹽垢、機(jī)械落物、油套管變形、地層產(chǎn)出的瀝青質(zhì)、或者開采期間入井的聚合物及生產(chǎn)過程中形成的水合物都能造成井筒堵塞[10]。根據(jù)堵塞物成分分析結(jié)果，井筒堵塞物有腐蝕產(chǎn)物（CO2和H2S腐蝕產(chǎn)物）、難溶鹽垢（CaCO3、SrSO4）、固體砂粒以及化學(xué)藥劑中的有機(jī)組分。

3.1 腐蝕產(chǎn)物堵塞

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研以及堵塞物成分分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)堵塞井井筒管柱發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，由于管柱腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致管內(nèi)壁附著大量腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)長期生產(chǎn)，腐蝕產(chǎn)物層增厚，為井筒堵塞創(chuàng)造條件。

3.2 難溶鹽垢堵塞

該堵塞井采出水礦化度高，成垢離子含量高，在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)出液經(jīng)井筒流出，隨井深變化，溫度、壓力隨之變化，導(dǎo)致水中的離子平衡發(fā)生改變，形成難溶鹽垢。油管結(jié)垢和腐蝕密切相關(guān)，互相促進(jìn)，腐蝕產(chǎn)物會(huì)形成銹垢，腐蝕銹垢層在金屬表面堆積和不均勻分布，會(huì)引起垢層下嚴(yán)重腐蝕[11]。腐蝕產(chǎn)物形成銹垢后，表面粗糙度增大，為難溶鹽垢的形成提供了形核條件。經(jīng)過長期生產(chǎn)，腐蝕結(jié)垢不斷進(jìn)行，管內(nèi)壁形成較厚垢層，造成井筒堵塞。

3.3 井筒臟物堵塞

氣井在鉆井、完井過程中因泥漿漏失，產(chǎn)層出砂等因素不可避免地會(huì)出現(xiàn)井筒臟物未排盡的情況，一旦氣井開井生產(chǎn)，井下臟物就會(huì)隨氣流被帶入油管、地面管線，影響氣井的正常生產(chǎn)[12]。從堵塞物成分分析發(fā)現(xiàn)堵塞井井筒普遍含有固體砂粒，氣井出砂不但會(huì)影響正常生產(chǎn)，還會(huì)造成井筒堵塞，故預(yù)防氣井出砂是保證氣井正常生產(chǎn)的重要因素。

3.4 緩蝕劑質(zhì)量缺陷

在井筒高溫下緩蝕劑中的烴組分不斷揮發(fā)，黏度增加或者其有效成分發(fā)生降解、失效，甚至形成不溶殘?jiān)?、黏性沉淀物或發(fā)生相組分離。這些降解產(chǎn)物吸附于產(chǎn)層會(huì)污染產(chǎn)層，吸附于油管壁上會(huì)使油管的有效通道變窄，進(jìn)而造成油管堵塞[13-15]。本文中評價(jià)的緩蝕劑在80℃以上出現(xiàn)不溶物，表明該緩蝕劑高溫穩(wěn)定性較差，傅里葉紅外分析檢測出堵塞物和緩蝕劑中均含有N-H官能，即緩蝕劑高溫失穩(wěn)后形成的不溶物是造成井筒堵塞的原因之一。

3.5 固體泡排劑配伍性差

目前，氣井加注起泡劑后引起井下堵塞的現(xiàn)象也有存在，入井泡排劑若與地層產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)或在高溫情況下發(fā)生性質(zhì)改變，也有可能引起井下堵塞。根據(jù)藥劑配伍性試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)用固體泡排劑與采出水混合后出現(xiàn)沉淀，主要是因?yàn)榕菖艅┲幸恍╆庪x子與采出水中的Ca2+、Mg2+發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，即“鈣皂沉淀”?，F(xiàn)場在用的固體泡排劑為磺酸鹽復(fù)合表面活性劑，屬于陰離子泡排劑，磺酸鹽類陰離子泡排劑在水中發(fā)生解離：NaR=Na++R-。

式中NaR代表磺酸鹽。解離后的磺酸根離子R-能與采出水中的Ca2+、Mg2+發(fā)生反應(yīng)，生成磺酸鈣、磺酸鎂沉淀[9]。

綜上所述，結(jié)合水分析、藥劑配伍性、緩蝕劑高溫穩(wěn)定性分析及堵塞物成分分析結(jié)果，井筒堵塞主要原因是管柱腐蝕嚴(yán)重，管內(nèi)壁生成大量腐蝕產(chǎn)物，再加上難溶鹽垢沉積，井筒出砂、固體泡排劑與采出水配伍性差以及緩蝕劑高溫失穩(wěn)形成不溶物。這些腐蝕產(chǎn)物、難溶鹽垢、固體砂粒、有機(jī)難溶組分在管內(nèi)壁長期附著，使油管的有效通道變窄，進(jìn)而造成油管堵塞。

4 結(jié)論及建議

1）造成某氣田蘇南區(qū)塊部分井堵塞的原因有：產(chǎn)出氣中含有腐蝕性氣體CO2和H2S；地層采出水礦化度高，成垢離子含量高；井筒出砂；現(xiàn)場用泡排劑與地層水配伍性差、緩蝕劑高溫穩(wěn)定性差。

2）該堵塞井油管腐蝕嚴(yán)重，形成的腐蝕產(chǎn)物是造成井筒堵塞的主要原因，建議對現(xiàn)有防腐措施進(jìn)行適用性評價(jià)。

3）針對堵塞井的生產(chǎn)工況，優(yōu)選出合適的泡排劑和緩蝕劑。

4）氣井堵塞并非單一因素造成，因此必須針對性地選擇解堵措施。建議針對不同堵塞情況研制相應(yīng)的解堵劑及開展現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。