某區(qū)塊淺層煤層氣井結(jié)垢普查及成垢原因研究

孟培偉，李志臻，王 濱，徐 浩，麻 路，郭 琦

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2. 中國(guó)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100034)

0 引言

油氣田生產(chǎn)中，儲(chǔ)層流體到達(dá)地面的流動(dòng)過(guò)程中，溫度、壓力和油-氣-水平衡狀態(tài)的改變極易使油井發(fā)生結(jié)垢[1-2]；同時(shí)由于泵體部分溫度較高，流體遇到泵體后其類(lèi)型改變等因素也會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢[3-4]。井筒結(jié)垢會(huì)對(duì)油氣田生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，降低油氣田產(chǎn)量甚至停產(chǎn)，同時(shí)損害各類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備[5-6]。

某采氣廠(chǎng)是淺層煤層氣的重點(diǎn)生產(chǎn)單位，天然氣產(chǎn)量約為8×104m3，目前已有183口井投入了生產(chǎn)，生產(chǎn)情況良好。但是隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，部分煤層氣井產(chǎn)水量逐漸增大，由于出水使得氣井結(jié)垢嚴(yán)重，目前共檢泵47井次，其中17次有結(jié)垢，且結(jié)垢情況大于1 mm的出現(xiàn)11次，其中A1-3井、A9井組、A4井組結(jié)垢較為嚴(yán)重。氣井結(jié)垢嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。因此，為了確保氣井正常生產(chǎn)，開(kāi)展氣井結(jié)垢成因研究，對(duì)于后期防垢技術(shù)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定天然氣產(chǎn)量具有極其重要的意義。

1 概況

1.1 生產(chǎn)概況

某淺層煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊勘查區(qū)域東西長(zhǎng)40 740 m，南北寬8 249～21 210 m，礦權(quán)面積625.6 km2。該區(qū)塊有頁(yè)巖氣井3口, 煤層氣井190口，目前開(kāi)井的頁(yè)巖氣井為2口, 煤層氣井為183口, 占總井?dāng)?shù)的94.83%。隨著排采的不斷深入, 見(jiàn)氣井?dāng)?shù)的增加和部分井提產(chǎn)措施的見(jiàn)效, 煤層氣井的日產(chǎn)量由起初的3.5×104m3增加到現(xiàn)在的8×104m3，達(dá)到3 000 m3/d以上的煤層氣井有4口, 2 000～3 000 m3/d的煤層氣井2口, 1 000～2 000 m3/d的井有24口，氣井生產(chǎn)情況見(jiàn)表1。

表1 某區(qū)塊氣井生產(chǎn)情況

煤層氣井的產(chǎn)水量會(huì)隨著生產(chǎn)逐漸升高, 截止目前煤層氣井每日總產(chǎn)水量達(dá)到181.4 m3, 單井平均產(chǎn)水量約為1.0 m3/d。其中單井產(chǎn)水量大于10.0 m3/d的井有9口，由于產(chǎn)水量大，較難進(jìn)行排水降壓，目前已關(guān)停6口井。氣井產(chǎn)水情況如圖1所示。

圖1 氣井產(chǎn)水情況Fig.1 Water production of gas wells

1.2 氣井結(jié)垢調(diào)查

對(duì)該區(qū)塊煤層氣井的結(jié)垢情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氣井普遍存在結(jié)垢現(xiàn)象，調(diào)查結(jié)果如圖2所示。

圖2 氣井結(jié)垢情況統(tǒng)計(jì)Fig.2 Gas well scaling statistics

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象的162口井中有46口井結(jié)垢情況嚴(yán)重，比例為28.40%；有59口井中等程度結(jié)垢，比例為36.42%；有57口井輕度結(jié)垢，比例為35.18%。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，該區(qū)塊的氣井結(jié)垢現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴(yán)重，采取有效措施防垢已經(jīng)刻不容緩。

2 現(xiàn)場(chǎng)情況分析

2.1 區(qū)域水質(zhì)分析

為了研究該區(qū)塊煤層氣井筒結(jié)垢機(jī)理和防垢措施，須對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行分析，確定水型，判斷

可能成垢的離子成分及含量，為確定防垢技術(shù)和防垢工藝提供依據(jù)[7]。在現(xiàn)場(chǎng)采集了出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象的各氣井水樣并進(jìn)行分析，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2(以A1-3井為例)。

表2 A1-3井水樣測(cè)定結(jié)果Table 2 Water sample measurement results of well A1-3

2.2 垢樣分析

為了驗(yàn)證煤層氣井出水水質(zhì)對(duì)結(jié)垢的影響，以A1-3井為例對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的垢樣進(jìn)行了分析，以確定水質(zhì)與垢樣的吻合程度[9]。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)垢樣進(jìn)行了相應(yīng)的X射線(xiàn)衍射分析及化學(xué)分析，確定出垢樣的主要成分。

2.2.1 X射線(xiàn)衍射分析

將從現(xiàn)場(chǎng)取回的垢樣在60 ℃的干燥箱中烘干后，制備成粉末并通過(guò)100目篩。制備好的垢樣裝在細(xì)口稱(chēng)量瓶中，放在干燥器中備用，隨后進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析[10]。A1-3井垢樣的X射線(xiàn)衍射圖譜如圖3所示。

圖3 A1-3井垢樣的X射線(xiàn)衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of scale samples from well A1-3

由表3可以看出，X射線(xiàn)衍射結(jié)果表明垢樣的主要成分為碳酸鈣以及部分腐蝕產(chǎn)物，主要為Fe2O3和FeS。從氣井檢泵情況來(lái)看，油管和抽油桿大多數(shù)是結(jié)垢后腐蝕嚴(yán)重，沒(méi)有結(jié)垢處表面是光滑的，這說(shuō)明結(jié)垢是影響生產(chǎn)的主要原因。通過(guò)對(duì)垢樣中的微生物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，每克垢樣中SRB的含量大于10萬(wàn)個(gè)，說(shuō)明垢樣中的硫化亞鐵大多數(shù)是SRB引起的，也有部分是水質(zhì)本身引起，因?yàn)椴沙鏊幸矙z測(cè)出硫化物(見(jiàn)表2)。

表3 各成分含量Table 3 The content of each component

2.2.2 金屬離子含量分析

對(duì)垢樣進(jìn)行金屬離子含量分析，使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[11]，測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 各金屬離子含量Table 4 The percentage of metal ions in scale sample

從測(cè)定結(jié)果可知，垢樣中的鐵含量普遍較高，經(jīng)過(guò)分析可知鐵有2個(gè)來(lái)源，主要來(lái)源為地層水中鐵的析出(采出水中的鐵含量不高，因?yàn)樗畼邮蔷诓杉?，鐵在井下已經(jīng)沉淀析出了)，另一個(gè)來(lái)源為腐蝕產(chǎn)物，說(shuō)明管線(xiàn)中局部位置有一定的腐蝕，鉻和錳也來(lái)源于管材的腐蝕；垢樣中也有較多的碳酸鈣沉淀，并且氣井中不是均勻結(jié)垢，垢樣分析結(jié)果表明抽油桿上結(jié)垢較為嚴(yán)重，這可能和氣井中的水流狀態(tài)、溫度等因素有關(guān)系。

2.2.3 陰離子含量分析

使用離子色譜對(duì)垢樣進(jìn)行測(cè)試，分析其陰離子含量[12]。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 垢樣鹽酸溶解后濾液中陰離子離子色譜分析譜圖Fig.4 Anionic ion chromatographic analysis spectrum of filtrate after hydrochloric acid dissolution of scale sample

2.3 流型對(duì)結(jié)垢的影響

在油氣生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，流體的流型是油氣田結(jié)垢和防垢的一個(gè)重要參考依據(jù)[14]。油氣田大部分結(jié)垢是在湍流的狀態(tài)下發(fā)生的，流體在管道喉管、井下安全閥等部位流過(guò)的時(shí)候都是湍流狀態(tài)，這些部位出現(xiàn)的結(jié)垢會(huì)給油田生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的減產(chǎn)問(wèn)題[15]。為了驗(yàn)證湍流對(duì)結(jié)垢的影響，進(jìn)行了湍流與結(jié)垢關(guān)系的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

在實(shí)驗(yàn)溶液不加阻垢劑的情況下，分別用不同的攪拌速度(雷諾數(shù)隨之變化)進(jìn)行1 h的攪拌，得到不銹鋼環(huán)表面的沉淀質(zhì)量如圖5所示。從圖5可以清楚地看到，隨著雷諾數(shù)的增加，不銹鋼表面的碳酸鈣沉淀也越來(lái)越多，也就是湍流狀態(tài)下結(jié)垢會(huì)更多。同時(shí)在層流和過(guò)渡區(qū)階段(雷諾數(shù)<40 000)，隨著雷諾數(shù)的增加，碳酸鈣在不銹鋼表面的增長(zhǎng)率比在湍流階段(雷諾數(shù)>40 000)高。

圖5 沉淀量與雷諾數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Relationship between precipitation amount and Reynolds number

2.4 管材粗糙程度對(duì)結(jié)垢的影響

為了研究管材表面粗糙程度與結(jié)垢的關(guān)系，對(duì)不同粗糙程度的鋼片進(jìn)行了結(jié)垢情況評(píng)價(jià)。將不同表面粗糙度的鋼片分為3組(如表5所示)，清洗干凈后豎直放到A1-3井模擬采出水中進(jìn)行結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為80 ℃，實(shí)驗(yàn)中，要將試片完全浸沒(méi)在溶液中，并不斷向反應(yīng)體系中添加模擬采出水，保持溶液體積不變，在一定時(shí)間后取出，風(fēng)干，稱(chēng)重，求取增重[16]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表5 鋼片的粗糙程度Table 5 The roughness of steel sheet

圖6 鋼片不同時(shí)間下的增重Fig.6 Weight gain of steel sheet at different time

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，1～3組試片的質(zhì)量變化的總體趨勢(shì)是一致的，剛開(kāi)始時(shí)質(zhì)量基本無(wú)變化，后面逐漸增重，最后重量增加緩慢并逐漸穩(wěn)定。粗糙度越大，結(jié)垢速度越快且結(jié)垢量越大，這是因?yàn)檠趸ぴ诒砻嫘纬珊?，?huì)變得更加不平，有助于成核和附著，縮短了結(jié)垢誘導(dǎo)期，提高了結(jié)垢速率，且在流動(dòng)過(guò)程中，較高的粗糙度有利于結(jié)垢產(chǎn)物的沉積[17]。

圖7所示是第3組鋼片在結(jié)垢溶液中恒溫4 h, 12 h和24 h后的電鏡掃描圖[16]。

圖7 鋼片的表面形貌Fig.7 Surface topography of steel sheet

從圖7可以看到，4 h后鋼片表面具有很多小顆粒，主要為鐵的氧化物，此時(shí)還未在表面形成氧化薄膜；12 h后鋼片表面氧化膜已經(jīng)基本形成，還有少量的CaCO3結(jié)垢顆粒；24 h后成垢顆粒明顯增多，CaCO3大量不均勻地分布在鋼片表面。

根據(jù)圖7的分析，可把整個(gè)過(guò)程分為3個(gè)階段。首先是氧化膜的形成(0～4 h)，鋼片放入水中后，由于腐蝕作用形成氧化物，鋼片的一部分Fe變成Fe2+溶解在溶液中, 此外CaCO3垢開(kāi)始孕育, 為結(jié)垢誘導(dǎo)期，但還未形成結(jié)垢, 所以試片未發(fā)生增重；其次是結(jié)垢期(4～24 h), 此時(shí)氧化膜已經(jīng)形成, 阻止了腐蝕進(jìn)展, 降低了腐蝕速率；最后是穩(wěn)定期(24 h之后)，氧化膜全面形成, 腐蝕速率最低，試片表面結(jié)垢沉積經(jīng)歷快速增長(zhǎng)后也趨于穩(wěn)定, 試片平均增重緩慢。

3 結(jié)垢原因分析

由水質(zhì)和垢樣分析得知該區(qū)塊主要為碳酸鈣垢，促使碳酸鈣生成沉淀的主要外部因素依次為水質(zhì)、pH值、溫度壓力、管材的材質(zhì)、流速流型等。

3.1 水質(zhì)的影響

3.2 pH值的影響

3.3 溫度和壓力的影響

3.4 管材質(zhì)量的影響

由于Cl-、溶解氧、細(xì)菌等腐蝕介質(zhì)成分的作用，若鋼材質(zhì)量較差，表面易產(chǎn)生細(xì)小腐蝕點(diǎn)，使得后期更易結(jié)垢，主要是由于鋼材表面先腐蝕的部位更容易作為沉積結(jié)垢成分的成核中心[20]；反之，如果管材質(zhì)量較好，不容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，管材表面光滑，可能結(jié)垢情況不會(huì)嚴(yán)重。

3.5 流型的影響

流體的流型中湍流使水質(zhì)點(diǎn)相互碰撞，液流攪合程度隨流速增加而增大，加劇了沉淀晶體的凝聚，形成晶核。氣井生產(chǎn)過(guò)程中，管線(xiàn)較為粗糙或發(fā)生腐蝕后，導(dǎo)致流體出現(xiàn)湍流，使局部過(guò)飽和度增大而易產(chǎn)生CaCO3結(jié)垢[18]。

4 結(jié)論

1)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)塊煤層氣井普遍存在結(jié)垢問(wèn)題，發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象的162口井中有46口井結(jié)垢情況嚴(yán)重，比例為28.40%；有59口井中等程度結(jié)垢，比例為36.42%；有57口井輕度結(jié)垢，比例為35.18%。

2)水質(zhì)分析看出研究區(qū)塊采出水的水型大多為重碳酸鈉型，主要為地層水。結(jié)垢部位普遍在泵的上部，這是因?yàn)閴毫档秃土骶€(xiàn)變化引起脫氣而產(chǎn)生結(jié)垢，結(jié)垢類(lèi)型為碳酸鈣垢，同時(shí)有腐蝕產(chǎn)物氧化鐵和硫化亞鐵。

3)產(chǎn)水量大的井，水流的雷諾數(shù)越大，脫氣量會(huì)變大，結(jié)垢量會(huì)增加。

4)結(jié)垢與鋼材型號(hào)有一定的關(guān)系，結(jié)垢的內(nèi)因是水質(zhì)，水的礦化度越高，結(jié)垢越嚴(yán)重；易腐蝕的鋼材，粗糙度越大，越有利于垢的沉積，結(jié)垢速度越快。