合興場氣田須二氣藏氣井結垢主控因素與防治試驗評價研究

王承陸

中石化西南油氣分公司川西采氣廠

一、基本地質特征及開發概況

合興場須二氣藏儲層致密化程度高，儲層砂巖孔隙度普遍小于8%，滲透率區間值一般低于0.1md，其基質孔、滲性差；儲集類型復雜多樣，主要以裂縫－孔隙型、孔隙－裂縫型為主，非均質性強，地壓系數均大于1.6 MPa/100m，地層溫度97～1170C。開發實踐表明須二氣藏的水體活躍，氣井在投產初期產水量較小，水型以Na2SO4型為主，Cl-濃度和總礦化度均較低；氣井進入產水階段后開始大量出水，水性發生變化，主要為CaCl2型，Cl-離子濃度上升，一般為30000-50000mg/L,總礦化度80000mg/L左右。氣井天然氣組分以烴類氣體為主，烴類氣體占氣體總量的98.3917%，其次是CO2和N2及其它非烴類氣體，CO2平均占總量的0.9762%。至2013年該氣藏采出程度僅為10%左右。困擾氣井正常生產的主要因素之一是地層結垢導致氣井滲透性能下降，成為產能下降重要原因之一；油管結垢在氣井產水開采階段成為其它后續措施的主要障礙。

二、氣井結垢的機理與影響因素

合興場氣田須二氣藏所產地層水為CaCl2型，天然氣中CO2含量約占1%左右，近幾年開始陸續進行修井作業，從取出的油管內、外壁直接證實了存在地層水結垢，其主要成分為CaCO3，平均約占90%以上，其次為MgCO3，以及少量CaSO4，微量FeCO3等其它物質,垢樣有固定的晶格，堅硬而致密，是一種具有離子晶格的鹽。修井中更換了新油管，使井筒內暢通無阻，但在測試替噴中產能較低，采用CHY-I型低毛管降阻酸實施酸化解堵作業后，氣井測試產能顯著上升，間接表明地層同樣存在結垢現象。

圖1 CaCO3溶解量與PCO2關系圖

1.氣井結垢的機理

在合興場須二氣藏的氣井儲層中，地層水含有一定量的Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3＋、CI－、SO42-、HCO3－等多項離子，平均總礦化度為81829mg/L，PH值在6左右，成為結垢產生的必要條件。在儲層條件下，溶解的鈣（Ca2+）和HCO3－與固體的碳酸鈣（CaCO3）、CO2處于某種平衡狀態。圖1是不同CO2分壓下得出的CaCO3溶解度曲線。氣井在排水采氣生產過程中，地層水和天然氣在地層中從孔隙、微裂縫、大裂縫流向向井底，再沿著油管上升流動，直至采出至地面管線輸送，處于壓力不斷下降的環境中，地層水中的CO2不斷逸出，系統中的CO2分壓減小時，在同樣穩定壓力下，離子平衡向有利于CaCO3沉淀生產方向移動，化學反應向生成CaCO3鹽垢的方向進行。

2.結垢的影響因素

碳酸鈣結垢是受多種因素影響的。油氣田條件下在巖芯孔隙內垢形成速度快，在電子顯微鏡下觀察認為，這種碳酸鈣結晶主要以異相成核為主，晶體緊靠巖石表面生長，而不在巖石孔道內流動的鹽水中形成，并可在滲流通道中多處多次發生。

（1）、PH值的影響。合興場須二段氣井產水早期地層水的PH值在5.4左右，后期上升到6.5左右。隨產水逸出的CO2越多，PH值的逐漸升高，在堿性條件下HCO-3轉變為CO32－，CO32－與Ca2+結合成CaCO3沉淀，即氣井開采過程中因條件改變自然結垢。

（2）、雜質的影響。井內流體中含一定量的雜質微粒，作為晶核能夠促使碳酸鹽在較低的過飽和條件下析出晶體。懸浮的雜質微粒與析出的碳酸鹽晶體，在油管中受到沿管柱的切力以及內表粗糙點（段）附著物的粘結作用，使以雜質微粒為主和析出的碳酸鹽結晶迭加在一起，在管壁某些滯留區沉積并聚集起來，如腐蝕管壁的坑點、油管絲扣連接處等。即粗糙的管壁及其它雜質對結晶過程有強烈的催化結晶作用和沉積作用，從而導致流體在較低的飽和度下便析出沉淀，產生誘發結垢。

（3）、溫度的影響。研究表明除CaSO4系列垢的溶解度隨溫度的升高急劇下降，而其它系列的變化較小，CaCO3及其它并不隨溫度升高而增大溶解度，呈單向變化趨勢。

（4）、壓力的影響。CaCO3在水中存在如下溶解平衡為：CaH?CO3?CaCO3＋CO2＋H2O，當溫度升高，平衡向右移動；壓力下降，平衡也向右移動，產生CaCO3沉淀，由于井底溫度一般較高，容易產生沉淀，系統中任何有壓力降的部位，如井底附近及主要滲流裂縫，井筒等都會導致CO2分壓降低從而產生CaCO3沉淀。

（5）、流體動力學因素的影響。影響結垢的流體動力學因素主要是液流形態（層流、紊流）、流速及其分布。流速增加使液流攪動程度增大，沉淀晶體凝聚加劇，促使晶核快速形成。在油氣田環境中，油管線內壁不光滑表面，腐蝕表面附近易出現紊流，使局部過飽和度增大而產生結垢；井底區域紊流劇烈，更易產生結垢。

三、氣井結垢的預測

由于地層水結垢的不可避免性，需要準確及時地預測合興場地層水的結垢趨勢，以利于及時采取防治措施。合興場氣田產出的地層水，由于高礦化度存在大量自由陰、陽離子，因而普遍存在締合現象。利用W.F.Langerlier提出飽和指數判斷水中CaCO3的穩定性，結垢趨勢判定條件如下：

①、SI＜0，地層水為不飽和溶液，無垢的析出或原有垢繼續溶解；

②、SI＝0，地層水為飽和溶液，垢的析出和溶解達到平衡；

③、SI＞0，地層水為過飽和溶液，有垢從地層中析出。

Rogers等人通過推算，對于大多數油氣生產井的地層水來說有：

SI＝log(CatA2/PVCO2)＋5.89＋1.549×10－2－4.26×10－4T2－7.44×10－5P

－2.526Si1/2＋0.920Si

式中：Cat（摩爾）＝(mg/L Ca)/40000；A（摩爾）＝(mg/L HCO-3)/61000；

Si（摩爾）＝電導率(μΩ/cm)/66667=(mg/L TDS)/58500；VCO2=氣相中CO2的體積百分數；

P為壓力，單位1bf/in2；T為溫度，單位℉；TDS（mg/L）約等于0.88×電導率。

依據公式計算結果作圖表明川合127井的井底結垢趨勢最大（見圖2），從井底向上至井口其SI值逐漸減小，并在一定深度時不再出現結垢現象，此時SI為0，此點再向上SI則為負值。由于地層水結垢受多種因素綜合影響，統計表明在油氣田生產條件下SI＜1.1-1.4時，在無垢的系統中不易結垢，尤其是SI＜-1.0時，腐蝕往往成為主要問題，這與127井口附近油管腐蝕斷落結果是相符的。

圖2 川合127井SI值與壓力、井深關系曲線

在無抑制劑情況下SI在1.1～1.4為臨近結垢的值，依據計算可大致判斷從1750米以下即為油管結垢的深度，并隨井深增加其結垢能力越強。127井第一次修井后生產測井遇阻段井深1907米，與計算結果誤差約150米。

四、藥劑試驗評價與加注原則

1.防、除垢方法的優選

鑒于合興場氣田須二氣藏氣井結垢導致產量下降，且無法采取后續井下作業措施的情況，必須進行防治以利于氣井的正常開采。國內外對地層水結垢的防治方法分為物理防垢和化學防垢法。物理防垢屬于純機械作業方式，需要專用作業機械及人員，操作成本相對較高。目前較廣泛采用的是化學防垢法，其優點是便于操作，成本較低。

2.抑制劑試驗評價

合興場氣田須二氣藏為整裝性氣藏，具備氣井各單井水樣分析結果接近的有利條件。按照廠家提供的抑制劑使用參數，選擇其中一口川合127井產出水樣進行試驗評價。通過防垢效果試驗、腐蝕性試驗、巖心傷害試驗、失活試驗等多項指標試驗評價，最終評定合興場須二氣藏氣井的水垢防治工作液篩選為一種含酸的復配物質，該復配液具備避免抑制劑與地層水在井眼附近起反應形成再沉淀而堵塞氣流通道的重要特點，其PH＝1，與沉積物反應式：2H++CaCO3＝Ca2++H2O+CO2↑

工作液中復配有高溫酸性緩蝕劑，降低H+對井下管串的腐蝕；同時還配有在高溫及酸性條件下，起泡排水能力較強的化學排水劑，該型化排劑在90oC，PH=1的液體中起始泡高185mm，3分鐘后維持泡高165 mm；復配液中的螯合劑、分散劑可使溶液中的各種離子有效穩定地溶解于水，以幫助排出井筒溶液。

3.抑制劑的加注原則

根據合興場須二氣藏的生產井結垢物分布，可采取井底凈化施工，以解除井下堵塞，提高其產氣、產液能力。實施抑制劑加注方案的原則為：用高壓泵周期性把適量抑制劑通過套壓環空注入井內，可同時防治管柱及地面設備結垢；必要時可把抑制劑擠入地層，并適時關井利于藥劑與底層結垢反應后，隨恢復生產時流體返排帶至井口分離處理。

為避免形成不溶解物質的再沉淀堵塞，通常可以采取一些預防措施，以保證地層水中的Ca2+、Fe3＋離子處于低濃度。擠注時可選用與地層水配伍的前置液，抑制劑擠注完畢后可泵入超量后置液，以把抑制劑較深地擠入地層。為防止由任何原因造成的顆粒堵塞，還可使用一臺小孔徑尺寸（＜2μm）的過濾器對處理液作過濾。

五、認識與建議

1.合興場須二氣藏氣井在采氣過程中，因產地層水結垢的主控因素其一是因近井地帶地層壓力下降較大，致使CO2分壓下降并使地層水中溶解的CO2較多地逸出，以及地層水的PH值增高，產生了沉積在井眼附近地層的孔喉、裂縫內及油管壁以CaCO3結晶為主的自然結垢；其二是粗糙的管壁及其它井內流體中含一定量的雜質微粒雜質對結晶過程有強烈的催化結晶作用和沉積作用，從而導致流體在較低的飽和度下便析出沉淀，在晶體生長過程中，雜質微粒也會不斷地向晶體沉積，其結果形成誘發結垢。結垢程度與溫度、壓力、PH值及流體動力學因素等綜合影響相關。

2.在常規采氣條件下，應用飽和指數法對碳酸鈣的結垢預測表明，其井下油管結垢點大致從1750米開始，并隨井深增加飽和指數SI上升其結垢能力增強。

3.防、除垢方法適合成本較低的化學防垢法。試驗評定合興場須二氣藏氣井的水垢防治工作液篩選為一種含酸的復配物質，采用周期性加注此類抑制劑的井底凈化施工，能有效地降低井眼附近的地層結垢堵塞滲透性能下降問題，是目前條件下較為有利的方案。

[1]惠曉霞.油田化學基礎.石油工業出版社.1988.

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[5]Rogers P S Z.Thermodynamics of Geothermal Fluids.report LBL-12356,1981.