煤層氣井分散防固結-定期洗井工藝

羅凱 劉源 朱延茗 趙丹 尹海亮 劉新亮

1. 中國石油浙江油田分公司；2. 中國石油大學(華東)

蜀南地區二疊系煤層氣田是中國南方地區首個規模化開采的煤層氣田，海相地層地質條件比較復雜，與其他煤層氣田常見井筒結垢情況不同［1-2］，本區塊井筒結垢成分是以針鐵礦，菱鐵礦、黃鐵礦及水解產物的難溶鹽為主，同時還有了碳酸鈣、硫酸鈣、硫磺、石英砂等礦物。從分布空間來看，結垢類型與地質區塊無顯著相關性，叢式井組的不同井都存在巨大差異，給防治工作帶來了挑戰。

結合煤巖巖性分析，初步認為導致這一現象的原因主要是復雜的海相地層條件。本區塊煤巖中含有2%～4%的鐵礦類，采出水普遍含5～50 mg/L鐵鹽，隨著壓力和溫度發生變化，鐵鹽水解產物與煤泥等固態顆粒固結在抽油桿、篩管、尾管、泵筒、油管等各個部分，嚴重影響了正常生產。

防垢技術主要有化學法、機械法、電磁法，這些技術基本能夠緩解問題，保證油氣田生產的正常進行。煤層氣低成本開發策略限制了傳統高成本方法在本區塊的應用，以藥劑配合特定加注工藝來實現防垢，是一種經濟有效的治理策略。

1 實驗評價方法

根據文獻報道，鐵鹽結垢主要是水中CO2腐蝕管線內部所致［3-4］，與本區塊非腐蝕井的高鐵鹽結垢有著很大差異。井筒內鐵鹽為主的結垢現象在國內外文獻中均未見相關報道。大部分阻垢劑都是針對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶等難溶鹽類而研發，行業標準中阻垢劑的評價方法也均是針對上述類型礦物所制定，對于相應的鐵鹽結垢問題，業內缺少相應的評價方法，更多的研究則是停留在室內機理研究階段［5］。因此，建立適宜的實驗評價方法，對研究此類防垢技術具有重要意義。

1.1 分散性評價實驗

在本區塊的水分散體系中，懸浮顆粒物會導致透光率顯著下降，隨著懸浮顆粒物的合并和沉降，透光率上升，利用該性質判斷水中懸浮顆粒的相對含量。將檢泵撈出的超細煤泥與采出水按照體積比例1∶99混合，并在水中加入不同藥劑。震蕩搖勻后，置入分光光度計，在波長570 nm條件下考察體系沉降時間與透光率的關系，以此考察藥劑的分散性。

1.2 分散體系中顆粒粒徑分布及Zeta電位分析

動態光散射是測量納米及微米顆粒粒徑的有效方法，主要用于測定液體中顆粒物的粒徑和Zeta電位。實驗所用儀器為英國Malvern公司Mastersizer 2000 型激光粒度儀，光源為He-Ne激光器，入射角度90°。表面Zeta電位則使用Malvern Zetasizer Nano ZS90 電位分析儀。2項技術結合可以評價懸浮顆粒物的粒徑分布及表面電荷強度，對藥劑分散性機理進行初步探究。

1.3 固化程度評價實驗

將檢泵撈出的煤泥5 mL放入高硼硅材質100 mL比色管中，加入地層水95 mL和一定濃度的藥劑。每隔5 d觀察一次煤泥的流動狀態。根據煤泥狀態將煤泥的流動狀態分為A～F共6個等級。

A級完全分散無固結。將比色管水平放置，煤泥流動性良好，輕微倒置即全部脫離底部，無附著。

B級具有初步黏滯性。將比色管水平放置，部分發生流動，但仍然有部分煤泥黏附在底部。倒置比色管，30 s內煤泥可全部緩慢流動脫離底部。

C級具有較強黏滯性。將比色管水平放置，輕微發生形變，大部分煤泥黏附在底部。倒置比色管后煤泥發生流動，但30 s內無法全部脫離底部。

中學階段，學生尚處在被監護期，開展定向越野運動前要先獲得監護人的允許才可向學校申請舉辦。但目前為止，定向越野運動在校園外的普及程度有限，許多監護人對定向越野運動缺乏足夠的認識，監護人的不重視導致了學生參與定向越野運動的機會較少。

D級初步固化。將比色管水平放置，煤泥無形變，經過倒置、正置再倒置后，煤泥可以緩慢流動，但30 s內無法全部脫離底部。

E級中度固化。將比色管水平放置，煤泥固結在底部無形變，但搖動可破碎為較大的顆粒或絮狀物，短暫懸浮在水中，10 s后迅速沉積至底部。

F級完全固化。煤泥固結在底部，搖動無法散開。

該分級法可半定量煤泥的固化程度及評價藥劑阻止煤泥固化的效果。

2 實驗結果分析

2.1 藥劑分散性實驗

當煤泥分散在水中時，會導致透光率下降，且水中煤泥濃度越高透光率越小，而透光率越小，煤泥的分散性越強。隨沉降時間延長，水中煤泥會逐漸發生合并、沉降現象，導致透光率升高。因此，考察透光率-時間關系曲線是評價藥劑對煤泥分散性的一種有效的方法。

實驗選用二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMPA)、乙二胺四亞甲基膦酸(EDTMPS)、羥基乙叉二膦酸(HEDPA)、聚環氧琥珀酸(PESA)和馬來酸酐-丙烯酸-2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸三元共聚物(AA/MA/AMPS)等5種藥劑進行了不同濃度下的分散性實驗，5種藥劑在50～400 mg/L的4個梯度濃度下，透光率隨沉降時間的變化如圖1所示。實驗結果表明，在藥劑濃度為50 mg/L時，隨著時間變化透光率最小的藥劑是EDTMPS；藥劑濃度為100 mg/L時，靜置時間相同的情況下，EDTMPS的透光率略高于50 mg/L時的透光率，而AA/MA/AMPS和PESA透光率與50 mg/L時透光率相近；藥劑濃度為200 mg/L和400 mg/L時，PESA、AA/MA/AMPS和EDTMPS的透光率結果相近，即分散性基本一致。總體來看，分散效果為EDTMPS＞AA/MA/AMPS＞PESA＞HEDP＞DTPMPA，并且添加藥劑的分散效果皆遠遠大于不使用藥劑。

圖1 分散性實驗Fig. 1 Dispersibility experiment

2.2 藥劑的分散機理分析

藥劑的分散性是抑制顆粒物合并聚集生長的重要因素［6-8］。動態光散射測定顆粒分散性實驗結果如圖2所示，藥劑的加入均會顯著改變懸浮顆粒物的粒徑分布。在不使用藥劑時，最大懸浮顆粒約為8 μm，而5種藥劑的加入將最大可分散的懸浮顆粒的粒徑值提升至50～300 μm。這一結果表明初步篩選的藥劑均具有分散性，但不同的藥劑仍有一定的差異。聚合物PESA和AA/MA/AMPS可將最大值為200～300 μm的顆粒分散至水中。分散性最差的為DTPMPA，能分散的最大顆粒僅有50 μm左右。實驗結果表明，各種藥劑對大顆粒的分散效果為AA/MA/AMPS≈PESA＞EDTMPS＞HEDP＞DTPMPA，都遠遠大于不使用藥劑。這一結果和2.1部分的沉降實驗結果基本一致。

圖2 藥劑對懸浮顆粒物的粒徑分布影響Fig. 2 Influence of chemical agents on the size distribution of suspended particles

為了進一步闡明其分散機理，開展了顆粒表面Zeta電位測試實驗，實驗數據見表1。從分散體系動力學的角度來看，顆粒的分散主要是取決于表面電荷強度和空間位阻。如果顆粒的表面電荷小于?30 mV時，顆粒間的靜電斥力較大，分散體系將會變得十分穩定；而顆粒的表面電位高于?30 mV，且沒有足夠的空間位阻的情況下，體系將會是一個動力學不穩定體系，分散體系可能在短時間內就會發生失穩沉降。 該體系的實測結果表明，藥劑吸附至顆粒表面后，可以將Zeta電位由不使用藥劑時的?5 mV降低至?8.5～?22 mV，其中導致Zeta電位降幅最大的藥劑為EDTMPS(?22 mV)。由2.1部分沉降實驗結果及圖2粒徑分布結果對比可知，雖然藥劑PESA和藥劑AA/MA/AMPS的Zeta電位僅有?16.7 mV和?17.2 mV，但其懸浮顆粒物的能力卻高于EDTMPS。聚合物類藥劑除了具有較低的Zeta電位外，還具有一定的空間位阻效果，因此具有更好的分散性。

表1 藥劑對懸浮顆粒表面Zeta的電位影響Table 1 Influence of chemical agents on Zeta potential on the surface of suspended particles

2.3 防煤泥固結實驗

大量文獻表明，微量鐵鹽的存在會影響阻垢劑的效果，甚至會出現“阻垢劑毒化”現象，導致阻垢效果大大降低。這種失效現象主要發生在有機膦酸類藥劑上，其機理主要是鐵鹽與有機膦酸具有更高的絡合強度，且絡合后的分子不會參與碳酸鈣及鐵鹽水解物的結晶過程，失去了產生晶格畸變效應的能力。另外，高價鐵離子具有很高的電荷強度，會極大壓縮分散劑的擴散雙電層結構，導致分散體系失穩發生聚沉。因此，有機膦酸并不適用于這種高含鐵鹽顆粒的防垢或防固結［9］。

防固結實驗結果見表2。實驗前期，藥劑的防固結能力沒有顯著區別。第15 d時，3種加入有機膦酸類阻垢劑的煤泥均達到了C級固化程度，與不加藥劑基本一致；而同時期的PESA和AA/MA/AMPS聚合物類的藥劑則具有B級固化程度，直到第30 d才達到C級。第40 d時，不同藥劑之間防固結的性能具有顯著差異，整體性能排序為AA/MA/AMPS＞PESA＞EDTMPS≈HEDP＞DTPMPA，都遠遠大于不加藥劑。出現這種情況的原因，分析認為是有機膦酸類藥劑在高鐵鹽環境下優先與鐵離子發生絡合形成了可溶態的鹽，而未參與鐵鹽水解物的結晶過程。聚合物類藥劑是由于其聚合物分子的撓曲和伸展帶來了更大的空間位阻，使穩定晶格難以形成。 這一結果表明，有機膦酸類阻垢劑并不適合本區塊的顆粒物分散。

表2 藥劑對煤泥固結程度的影響Table 2 Influence of chemical agents on the consolidation degree of coal slime

3 現場應用

針對本區塊煤粉多、鐵鹽含量高的特點制定了分散防固結-定期洗井策略，該方案的主體包含選用分散性、防固結性好的藥劑，采用沖擊加注及連續加注的方式，防止煤泥固結并定期洗井。本區塊生產井的套壓普遍低于0.5 MPa，而單井的日產量則約為1000～5000 m3，日產水量低于30 m3。生產采用抽油機或電潛泵經油管采水、套管采氣的方式，經過計算可知環空內氣體流速僅有0.2～0.3 m/s。井下電視成像結果證明，環空中存在靜液面，無環狀流和霧狀流現象，整個系統具有較低的攜液率。

3.1 環空沖擊加注及加注周期優化

針對流速低、攜液率低的特點，對日產水量低于0.2 m3的井，嘗試了從環空沖擊注入藥劑。沖擊加注涉及到加注周期的問題，根據現場試驗結果可知，藥劑進入低產水井時，并非按照頂替的形式從井口替出，而是由于氣井自身存在大的起泡擾動，抽油桿抽提過程中的攪拌作用迅速擴散至整個管柱，并在第3 d以較低的濃度見于采出水當中。隨后藥劑出現波峰峰值，在第5～6 d開始下降。對于井深700 m、?121.4 mm套管的井進行一次沖擊加注，藥劑有效期大約可維持15～20 d。

3.2 環空連續加注及排量優化

由于沖擊加藥有效時間短，針對日產水大于2 m3的井，開展了小型隔膜泵連續加注工藝。連續泵注加藥流程如圖3所示。儲存于藥劑桶中的藥劑經計量泵計量，通過管道經環空按0.5～3 L/h的流量連續緩慢注入套管水中。經現場的硝酸鹽示蹤劑測試表明，根據單井產況，加藥液體入井率為61.4%～90.8%，入井液體損失率約為9.2%～38.6%，具體數據見表3。藥劑利用率屬于現場可接受范圍內，方案具有可行性。

圖3 連續泵注加藥示意圖Fig. 3 Schematic diagram of continuous injection and dosing

表3 連續加藥井的藥劑入井率Table 3 Chemical agent entry rate of continuous dosing wells

3.3 定期洗井攜出顆粒物

結合粒徑分布的結果可知，加入聚合物類藥劑后200 μm以下顆粒基本可以被完全懸浮在水中，并隨著采出水帶至地面。然而正常生產過程中，產水量僅有2～10 m3/d，流速較慢，較大顆粒的礦物在低流速下難以攜至地面。盡管結垢速率由于藥劑的加入而大大降低，但滯留在井筒中的大顆粒長期堆積仍然會發生固結，因此需要定期開展洗井將顆粒物隨水帶出。采用洗井泵將含200 mg/L的藥劑洗井液注入井中，并提高抽油機沖次，使采出水及注入水的流量達到平衡，替換約3～5 m3液體后，井口不再出現黑色顆粒時即可停止。該措施是分散防固結-定期洗井組合策略的最后一步。

3.4 工藝效果分析

通過超過300口沖擊加注井數據統計可知，分散防固結-定期洗井策略在現場開展3年來，油管外附著物大幅減少，平均檢泵周期由原有的879 d提升至1200 d，延長率到達了36%。對結垢非常嚴重的204-3井及結垢較為嚴重的201-2井開展連續加注工藝，前者檢泵周期由最初的160 d提升至365 d以上，后者由210 d提升至600 d以上，延長率分別為240%及300%。綜合來看，各類井的檢泵周期普遍延至原來的1.36～3倍，該措施工藝有效地減少了檢泵作業等相關費用，創造了良好的經濟效益。

4 結論

(1) 通過分析顆粒粒徑分布和表面Zeta電位的關系可知，有機膦酸類藥劑僅能改變表面Zeta電位，而聚合物同時具有更大的空間位阻，因此PESA及AA/MA/AMPS聚合物類藥劑最大可以將200～300 μm的顆粒分散至水中。

(2) 防煤泥固結研究表明，聚合物類PESA及AA/MA/AMPS防固結性能顯著優于DTPMPA、EDTMPS、HEDP這3種有機膦酸類的阻垢劑。

(3) 針對蜀南地區二疊系海相地層煤層氣井井筒結垢物中煤粉多、鐵鹽含量高的特點，制定了分散防固結-定期洗井策略，該策略包含篩選分散性和防固結性優異的藥劑、采用沖擊加注或連續加注方式注入藥劑、定期洗井等技術措施。該方案現場應用3年，檢泵周期普遍延長到原有的1.3～3倍，有效減少了檢泵作業等相關費用，取得良好應用效果。