天然氣集輸管道結鹽風險評價研究

唐詩，馬蠡，徐梅，蔣志，沈武冬 ，李忠良，周清

(中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦工藝研究所，四川 遂寧 629000)

0 引言

須家河氣藏地層水礦化度高，在油氣生產過程中，天然氣攜帶地層水進入集輸管線，導致管線出現了鹽結晶堵塞現象，管線鹽結晶堵塞嚴重且頻發，造成管線管輸效率下降甚至因管線完全堵死而被迫關井[1]。目前針對管道鹽結晶堵塞，主要采取傳統割管解堵方法，堵塞點尋找困難、耗用時間長，費用高，影響面大。為了更好的指導防鹽措施，避免鹽堵造成的各類危害[2]，采用Scale Chem 4.0結垢預測軟件進行管線結鹽趨勢預測[3]，從而篩選出存在結鹽風險的管道，并預測出結鹽種類、結鹽量等參數，為后續防鹽工藝優化及管道選材提供有力的技術依據[4]。

1 地層水水質分析及鹽樣分析

取樣并分析了21個須家河氣藏地層水水樣，其中6個礦化度較高的地層水水樣[5]：女深002-6-X1、蓬萊107、蓬萊11、蓬萊002-3-X1、金2、金17井地層水水樣分析結果如表1所示。

表1 須家河氣藏部分氣井地層水水樣分析結果

圖1 女深002-6-X1井至女112管線鹽垢樣品

通過水質分析可知，不同管線中地層水水樣礦化度均較高，總礦化度在19萬～27萬左右，屬于高礦化度鹽水，水中的優勢離子順序Cl-＞Na+＞Ca2+，占全部離子的90%以上，也含有一定量的Ca2+、Mg2+、SO42-，但HCO3-含量相對較小，主要為CaCl2水型[6]。

通過對女深002-6-X1井至女112管線中鹽垢進行取樣分析，分析結果如表2所示。

表2 女深002-6-X1井至女112管線鹽垢組分含量

通過女深002-6-X1井至女112管線中鹽垢樣品分析可知，鹽垢中主要成分為氯化鈉，綜合水樣分析結果得出須家河氣藏高礦化度水樣除了結晶出大量的氯化鈉鹽外，還有可能形成少量的硫酸鈣和硫酸鎂鹽的可能[7]。

2 管線結鹽風險模擬

目前主要采用包括指數預測模型、軟件預測模型、數值分析預測對地層水的結垢風險評價，通過對幾種方法進行對比分析后最終采用Scale Chem 4.0結垢預測軟件對須家河氣藏地層水水樣結鹽趨勢模擬進行結鹽趨勢預測[8]，該軟件可預測最高溫度315 ℃、壓力150 MPa、濃度700000 mg/L生產條件下的結垢情況[9]，在水樣信息不全的情況下，可以自動進行水質的酸堿和電離平衡的調和，預測正在發生或可能發生的輸氣管線結垢類型、結垢趨勢、結垢量。軟件模擬步驟主要包括管線中水樣成分分析結果的輸入、離子平衡計算、酸堿度平衡計算、輸氣管線中氣相組分含量的輸入、輸氣管線溫度和壓力輸入、計算結果的輸出[10-11]。模擬條件為：氣相設定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，溫度為25 ℃，壓力為3.0 MPa，以蓬萊002-3-X7井地層水水樣為例，其結鹽趨勢模擬結果如表3所示。

表3 部分地層水水樣結鹽趨勢模擬結果

從表3中可知，蓬萊11井地層水的平衡氯化鈉的濃度較高，且結垢預測的數值為0.72，接近結垢臨界值SI 1.0，其他離子如硫酸鈣結垢趨勢嚴重[12]，但由于含量非常少，因此，在模擬過程中不考慮其結垢趨勢。

(1)結鹽結垢臨界礦化度預測結果

以蓬萊11井的水分析數據為基礎，逐漸增加Na+和Cl-和的含量，而且比例為23∶35.5 (通過離子的摩爾質量轉化成濃度)，其他離子含量不變，分別設計四種模擬水樣，模擬結果如表4所示。

表4 四種模擬水樣模擬結果

根據表4中的預測結果可知，需要Na+濃度約85000 mg/L到90000 mg/L之間，且Cl-在19萬mg/L到20萬mg/L之間，總礦化度為28萬～30萬是氯化鈉結鹽的臨界濃度點，高于這個臨界點水樣結鹽，而且濃度越高結鹽越嚴重，低于這個濃度點，理論認為不能發生結鹽[13]，但由于產出液中含有凝析油，固相砂粒等結晶點的存在，這些結晶點的存在會誘發結晶的進行，低于這個濃度也能發生一定程度的結鹽。

(2)結鹽結垢臨界溫度預測結果

為了研究溫度對集輸管線結鹽趨勢的影響，采用Scale Chem 4.0進行模擬。根據川中油氣礦輸氣管線的輸氣參數的調研，認為輸氣壓力從1.0 MPa到10 MPa的范圍內，但最常見的是輸氣壓力為3 MPa到5 MPa，因此，選擇4 MPa為作為模擬的壓力，溫度從5～80 ℃之間，根據氣相分析結果，氣相設定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，水相設定為飽和含水量，考察溫度變化水樣的結垢趨勢[14]。

通過圖2的模擬結果可見，當Na+離子濃度約85000 mg/L，且Cl-離子濃度約在19萬mg/L，總礦化度為28萬是氯化鈉結鹽的臨界濃度，輸氣壓力為4 MPa，當氯化鈉22 ℃，氯化鉀10 ℃達到臨界結鹽溫度，也就是溫度低22 ℃，均出現結鹽[15]，而管線的溫度在5～15 ℃，均可能結鹽，也就是說在當礦化度達到臨界狀態，管線基本是有結鹽的情況。

圖2 蓬萊11井水樣結垢趨勢隨溫度變化模擬圖

(3)結鹽結垢臨界壓力預測結果

常見的輸氣溫度從井口溫度到管線溫度逐漸降低，一般幾十米即可達到平衡溫度一般在5～15 ℃，因此選擇10 ℃為模擬溫度，研究壓力從1.0～10 MPa的范圍內的結鹽結垢規律。根據氣相分析結果，氣相設定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，水相設定為飽和含水量。采用蓬萊11井的模擬水樣進行模擬。其模擬結果如圖3所示。

圖3 蓬萊11井結垢趨勢隨壓力變化模擬圖

從圖3分析可見，固定溫度為10 ℃，壓力從1.0～10 MPa的范圍內，隨著壓力的增加氯化鉀和氯化鈉的結鹽基本是隨壓力的增加而降低的，也有2口井隨壓力增加，兩者的的結鹽趨勢隨壓力增加后保持穩定。但從結鹽趨勢的SI數值可見，變化不超過0.01，因此，模擬結果可以認為在輸氣管線中，壓力的變化對對結鹽的趨勢幾乎沒有影響[16]。但在集輸管線中，可能存在支線管線的干氣進入主管線，干氣可能可攜帶管線中的水，使得水的礦化度增加，產生濃蒸效應，產生結鹽。模擬軟件無法變化中的干氣輸入的情況。

綜上，天然氣集輸管線中地層水的礦化度是結鹽的根本原因，只有具備了結鹽的物質基礎，其是主要因素，溫度是在礦化物結鹽的基礎上影響結鹽的風險[17]，屬于輔助因素，壓力屬于次要因素，如表5所示

表5 須家河集輸管線結鹽風險評價重點參數

3 天然氣集輸管線的結鹽風險預測

為了進一步評價須家河氣藏天然氣集輸管線是否存在結鹽風險，對多條管線進行了結鹽趨勢預測，以蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線為例，其管線運行情況如表6所示。

表6 蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線運行參數

從表7的管線結鹽風險預測結果分析可知，蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫結垢趨勢依次減小，硫酸鋇最大，而氯化鈉鹽SI指標為1.7112，大于1，存在結鹽風險。但從含量來講，氯化鈉的結鹽含量50444.7 mg/L，遠遠大于硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫結垢的含量。因此該管線存在結鹽結垢風險，鹽垢成分中主要是是氯化鈉鹽垢，且夾雜少量的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫垢。在日常生產運行管理中需要對該管線采取防鹽清鹽措施，避免管線出現大量鹽結晶堵塞物，將管線完全堵死，影響正常生產[18]。

表7 蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線結鹽風險預測結果

4 結語

(1)采用 Scale Chem 結垢預測軟件，對須家河氣藏天然氣集輸管線的結鹽風險影響因素進行了模擬，模擬結果得出集輸管線中水的高礦化度是結鹽的根本原因，是主要因素，總礦化度為28萬～30萬是氯化鈉結鹽的臨界濃度點，溫度是在礦化度的基礎上進一步影響結鹽的風險程度，屬于輔助參數。當礦化度達到臨界狀態，氯化鈉的臨界結鹽溫度為22 ℃，壓力屬于次要因素。

(2)進一步預測了蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線的結鹽趨勢，結果表明該管線存在結鹽結垢風險，鹽垢成分中主要是是氯化鈉鹽垢，且夾雜少量的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫垢。