陜北某氣田井筒堵塞原因分析

賈浩民，郝冠中，呂玉海，劉 洋，劉 偉，高旺斌

（1.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西西安 710016；2.成都孚吉科技有限責任公司，四川成都 610017）

陜北某氣田已進入中高含水期，采出水中成垢陰陽離子含量高、天然氣中存在H2S和CO2，導致井筒存在結垢和腐蝕現象。井筒堵塞嚴重，造成氣井產量下降，嚴重影響氣田穩產，亟需找出氣田井筒堵塞的主要影響因素，為井筒解堵提供理論依據。

1 堵塞物組成及其影響因素分析

取三口典型氣井的堵塞物（圖1），對堵塞進行XRD射線頻譜分析，分析結果見圖2。圖1a中氣井堵塞物主要為結垢產物，主要組成為CaCO3；圖1b中氣井堵塞物主要為腐蝕和結垢混合物，主要組成為FeCO3、CaCO3、FeS和少量的SO2；圖1c中氣井堵塞物主要為腐蝕產物，主要組成為FeCO3、FeS和少量的SO2。由此可見，陜北某氣田井筒堵塞類型多樣，造成堵塞的原因有CaCO3結垢、CO2腐蝕、H2S腐蝕以及氣井出砂。影響井筒CaCO3結垢、CO2腐蝕、H2S腐蝕以及氣井出砂的因素較多，主要為生產制度、天然氣組成、采出水水質[1–2]。

圖1 氣井堵塞物外觀

圖2 氣井堵塞物XRD分析圖譜

2 堵塞原因分析

2.1 基于灰關聯分析的堵塞原因分析

2.1.1 灰關聯理論

關聯度是指兩個系統之間的因素隨時間或不同對象變化的關聯性大小的量度。系統發展過程中，若兩個因素變化趨勢一致，即同步變化程度較高，則二者關聯程度較高；反之，則較低?；疑P聯分析方法作為衡量因素間關聯程度的一種方法[3]，是根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，即“灰色關聯度”?；疑P聯度在0～1之間，并且灰色關聯度數值越大，則表明母因素受形成序列的子因素的影響程度越大[4]。

2.1.2 堵塞影響因素分析

影響陜北某氣田井筒結垢的子因素很多，如水質組成、天然氣組成和生產工況，包括影響井筒堵塞行為特征的因素（井筒溫度、井筒壓力、產氣量、采出水的pH值、Cl–含量、Ca2+含量、Mg2+含量、HCO3–含量、SO42–含量、Fe含量、礦化度以及天然氣中H2S含量、CO2含量），即子因素。但沒有直接的參數表征陜北某氣田井筒堵塞特征的因素，即母因素。因此，對典型堵塞氣井的生產曲線進行分析，發現氣井穩定生成一段時間后，出現堵塞，氣井產量下降，堵塞后氣井產量再次出現穩定，如圖3所示。

圖3 典型堵塞氣井生產曲線

選取結垢期間日均減產量作為表征陜北某氣田井筒結垢特征的參數，即母因素。本文以氣井減產前15 d日均產氣量的平均值作為堵塞前產氣量，以氣井減產后15 d日均產氣量的平均值作為堵塞后產氣量，堵塞前后產氣量之差作為產氣下降量，產氣下降量除以堵塞時間即為日均減產量。以22口典型堵塞井為研究對象，選取18個可能影響氣井井筒堵塞因素為子因素，22口典型堵塞氣井堵塞影響因素描述性統計見表1。使用灰色關聯分析進行母因素與子因素之間的灰色關聯度計算（圖4），舍棄灰色關聯度較小的影響因素，由圖4可知，由日均減產量作為堵塞參數得到影響氣井井筒堵塞結垢因素由強到弱為：pH值＞日均產水量＞壓差＞CO2含量，其他因素影響不明顯。pH值能夠影響CaCO3結垢[5–6]和CO2[7]、H2S腐蝕[8]；產水量影響井筒結垢堵塞，產水量越少，井筒結垢的機率越小，產水量越大，井底結垢堵塞的機率越大；壓差和CO2含量對CaCO3結垢影響明顯，與陜北某氣田以CaCO3堵塞為主的實際情況相符。

圖4 氣井堵塞影響因素與日均減產量的灰色關聯度

表1 22口典型堵塞氣井堵塞影響因素描述性統計

雖然陜北某氣田井筒堵塞主要由CaCO3結垢引起，但影響因素中Ca2+含量和HCO3–含量的影響并不明顯，可能是Ca2+和HCO3–與其他因素之間作用，共同引起結垢，故需對結垢影響因素之間的交互作用進行分析。

2.2 基于主成分和灰關聯的堵塞原因分析

2.2.1 主成分分析理論

在解決實際問題時，為盡可能全面地描述研究對象需收集更多信息，但信息相互之間關系復雜，過多的信息也給描述研究對象造成阻礙。主成分分析法利用降維的思想，排除眾多指標信息中相互重疊的部分，通過一系列的線性變換把多個指標轉化為少數幾個綜合指標（即主成分）[9]，這些主成分在不同程度上反映所研究問題指標的某些信息。全部主成分能夠反映研究問題的大部分信息，且所含信息互不重復。通過主成分分析使得研究對象信息損失較少（推薦累計貢獻率達到80.0%以上），達到減少變量、簡化研究問題的目的。

2.2.2 井筒堵塞因素主成分分析

按照文獻中的主成分分析步驟[10]，對表1中22口典型堵塞井進行因素相關性檢驗、主成分的提取、主成分載荷及得分分析，最后分析主成分得分與日均減產量之間的灰色關聯度。

通過計算可得，前6個主成分特征根均大于1，且方差累計貢獻率為85.9%（＞85.0%），包含原始指標大部分的信息量[9]，認為主成分能夠有效反映原始變量的信息，故提取前6個因子為主成分，即原來的18個影響氣井結垢指標可以綜合成6個公共因子，分別命名為PC1–PC6，并計算22口典型堵塞氣井的主成分得分，旋轉后的成分載荷矩陣見表2。

表2 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣

第一主成分PC1主要綜合礦化度、Ca2+、Mg2+的信息，均呈正向分布，反映陽離子的影響；第二主成分PC2主要綜合堵塞前產氣量、合計產水量、產氣下降量的信息，均呈正向分布，反映生產制度的影響；第三主成分PC3主要綜合溫差、井深、井底溫度的信息，呈正向分布，反映溫度–壓力的影響；第四主成分PC4主要綜合CO2、井底壓力和壓差的信息，僅CO2呈正向分布，壓力變化影響CO2在水中的溶解度，直接影響CaCO3結垢；第五主成分PC5主要綜合SO42–、HCO3–、H2S和pH值的信息，除H2S外均呈正向分布，反映陰離子的影響；第六主成分PC6主要綜合生產時間和Fe2+的信息，均呈正向分布，反映腐蝕產物或井筒粗糙度的影響。對比各種主成分，影響氣井井筒結垢主要是陽離子含量、氣井生產制度、溫度–壓力變化、CO2壓降、成垢陰離子和腐蝕產物等六方面。

2.2.3 主成分得分對氣井堵塞的影響

以22口典型堵塞氣井的主成分得分為子因素，以日均減產量為母因素，計算主成分得分與以日均減產量之間的灰色關聯度。由圖5可知，陜北某氣田井筒結垢影響強弱排序為：PC2＞PC5＞PC3＞PC1＞PC4＞PC6。生產制度和陰離子影響較為明顯，其他因子影響不太明顯。生產參數因子中包含產水量和產氣量等信息，是主要影響因素；成垢陰離子中包含pH值和成垢陰離子等方面信息，HCO3–含量與CO2含量有直接關系，故陰離子影響較大，說明陜北某氣田井筒堵塞是由陰離子控制。

圖5 主成分得分與日均減產量的灰關聯分析結果

3 井筒堵塞機理分析

陜北某氣田井筒堵塞機理為pH值、CO2含量和井筒壓降相互協同作用引起，分別對氣井以腐蝕為主的氣井堵塞和以結垢為主的氣井堵塞進行機理分析。

3.1 以腐蝕為主的氣井堵塞機理

CO2溶解于水形成H2CO3，溶液中H2CO3與Fe發生反應，引起腐蝕，主要反應式如下：

CO2+ H2O → H2CO3

H2CO3→ H++ HCO3–

HCO3–→ H++ CO32–

2H++ Fe → Fe2++ H2↑

Fe2++ CO32–→ FeCO3

總腐蝕反應為：

CO2+ H2O + Fe → FeCO3+ H2↑

pH值和CO2含量能夠直接影響井筒CO2腐蝕，井筒CO2分壓范圍內，分壓越高，腐蝕越嚴重。CO2腐蝕為陰極控制的反應，pH值對CO2腐蝕影響見表3。

表3 CO2腐蝕陰極反應過程

3.2 以結垢為主的氣井堵塞機理

CaCO3結垢方程式為：

Ca2++ CO32–= CaCO3↓

水中CO32–離子的濃度受水的pH值和碳酸平衡狀態的影響，碳酸各級反應的平衡式為：

CO2+ H2O = H2CO3；

H2CO3? HCO3–+ H+；

HCO3–? CO32–+ H+；

可以得到：

2HCO3–? CO32–+ H2CO3

或：

2HCO3–? CO32–+ H2O + CO2↑

上式為水中三種狀態碳酸：游離碳酸（CO2、H2CO3）、重碳酸鹽碳酸（HCO3–）和碳酸鹽碳酸（CO32–）的統一化學式。水中的CO32–離子同時參與碳酸平衡和CaCO3溶解平衡兩方面的反應，所以油田水中CaCO3的溶解平衡可以用下列可逆反應來表示：

Ca2++ 2HCO3–? CaCO3↓+ H2O + CO2↑

當反應達到平衡時，油田水中溶解的CaCO3、CO2和碳酸氫鈣量保持不變，這時不會在管道、用水設備和油井的巖隙中產生結垢現象。

影響CaCO3溶解平衡的因素有pH值、壓差和CO2含量。

pH值對陜北某氣田井筒結垢主要表現為：在低pH值范圍內，水中只有CO2和H2CO3；在高pH值范圍內只有CO32–離子；在中等pH值范圍內HCO3–離子占絕對優勢，當pH=8.34時達到最大。因此，水的pH值較高時就會產生更多的CaCO3沉淀；反之，水的pH值較低時，則CaCO3不易產生沉淀。

壓差和CO2含量對陜北某氣田井筒結垢主要表現在：當水中CO2含量低于CaCO3溶解平衡所需含量時，CO2溶解反應式向右邊進行，CaCO3沉淀結垢量增加。反之，當水中CO2含量超過CaCO3溶解平衡所需要含量時，CO2溶解反應式向左邊進行，這時原有的CaCO3垢會逐漸被溶解。所以，水中CO2含量對CaCO3的溶解有一定影響。水中CO2含量與水表面氣體中CO2的分壓成正比，當油田水系統中任何有壓力降低的部位，氣相中CO2分壓都會減小，CO2從水中逸出，導致CaCO3沉淀。因此，井底至井口壓差越大，采出水結垢趨勢越強。

4 結論

（1）引起陜北某氣田井筒堵塞的原因主要有井筒腐蝕、CaCO3結垢和氣井出砂。

（2）基于灰關聯分析的井筒堵塞原因分析可得，引起氣井堵塞的原因排序為：pH值＞日均產水量＞壓差＞CO2含量。

（3）基于主成分分析，將影響氣井堵塞的因素綜合為六個因素，其中生產制度和陰離子含量對井筒堵塞影響明顯。

（4）pH值、CO2含量和壓降相互協同作用是引起陜北某氣田井筒腐蝕堵塞和結垢堵塞的主要原因。