某区块浅层煤层气井结垢普查及成垢原因研究

2022-04-25孟培伟李志臻

非常规油气 2022年2期

孟培伟，李志臻，王滨，徐浩，麻路，郭琦

(1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2. 中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034)

0 引言

油气田生产中，储层流体到达地面的流动过程中，温度、压力和油-气-水平衡状态的改变极易使油井发生结垢[1-2]；同时由于泵体部分温度较高，流体遇到泵体后其类型改变等因素也会导致结垢[3-4]。井筒结垢会对油气田生产造成严重影响，降低油气田产量甚至停产，同时损害各类生产设备[5-6]。

某采气厂是浅层煤层气的重点生产单位，天然气产量约为8×104m3，目前已有183口井投入了生产，生产情况良好。但是随着生产的进行，部分煤层气井产水量逐渐增大，由于出水使得气井结垢严重，目前共检泵47井次，其中17次有结垢，且结垢情况大于1 mm的出现11次，其中A1-3井、A9井组、A4井组结垢较为严重。气井结垢严重影响了生产。因此，为了确保气井正常生产，开展气井结垢成因研究，对于后期防垢技术设计，稳定天然气产量具有极其重要的意义。

1 概况

1.1 生产概况

某浅层煤层气开发区块勘查区域东西长40 740 m，南北宽8 249～21 210 m，矿权面积625.6 km2。该区块有页岩气井3口, 煤层气井190口，目前开井的页岩气井为2口, 煤层气井为183口, 占总井数的94.83%。随着排采的不断深入, 见气井数的增加和部分井提产措施的见效, 煤层气井的日产量由起初的3.5×104m3增加到现在的8×104m3，达到3 000 m3/d以上的煤层气井有4口, 2 000～3 000 m3/d的煤层气井2口, 1 000～2 000 m3/d的井有24口，气井生产情况见表1。

表1 某区块气井生产情况

煤层气井的产水量会随着生产逐渐升高, 截止目前煤层气井每日总产水量达到181.4 m3, 单井平均产水量约为1.0 m3/d。其中单井产水量大于10.0 m3/d的井有9口，由于产水量大，较难进行排水降压，目前已关停6口井。气井产水情况如图1所示。

图1 气井产水情况Fig.1 Water production of gas wells

1.2 气井结垢调查

对该区块煤层气井的结垢情况进行了调查，发现气井普遍存在结垢现象，调查结果如图2所示。

图2 气井结垢情况统计Fig.2 Gas well scaling statistics

调查发现，发生结垢现象的162口井中有46口井结垢情况严重，比例为28.40%；有59口井中等程度结垢，比例为36.42%；有57口井轻度结垢，比例为35.18%。从统计结果可知，该区块的气井结垢现象已经非常严重，采取有效措施防垢已经刻不容缓。

2 现场情况分析

2.1 区域水质分析

为了研究该区块煤层气井筒结垢机理和防垢措施，须对生产现场水质进行分析，确定水型，判断

可能成垢的离子成分及含量，为确定防垢技术和防垢工艺提供依据[7]。在现场采集了出现结垢现象的各气井水样并进行分析，测定结果见表2(以A1-3井为例)。

表2 A1-3井水样测定结果Table 2 Water sample measurement results of well A1-3

2.2 垢样分析

为了验证煤层气井出水水质对结垢的影响，以A1-3井为例对现场采集的垢样进行了分析，以确定水质与垢样的吻合程度[9]。对现场垢样进行了相应的X射线衍射分析及化学分析，确定出垢样的主要成分。

2.2.1 X射线衍射分析

将从现场取回的垢样在60 ℃的干燥箱中烘干后，制备成粉末并通过100目筛。制备好的垢样装在细口称量瓶中，放在干燥器中备用，随后进行X射线衍射分析[10]。A1-3井垢样的X射线衍射图谱如图3所示。

图3 A1-3井垢样的X射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction pattern of scale samples from well A1-3

由表3可以看出，X射线衍射结果表明垢样的主要成分为碳酸钙以及部分腐蚀产物，主要为Fe2O3和FeS。从气井检泵情况来看，油管和抽油杆大多数是结垢后腐蚀严重，没有结垢处表面是光滑的，这说明结垢是影响生产的主要原因。通过对垢样中的微生物检测发现，每克垢样中SRB的含量大于10万个，说明垢样中的硫化亚铁大多数是SRB引起的，也有部分是水质本身引起，因为采出水中也检测出硫化物(见表2)。

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

2.2.2 金属离子含量分析

对垢样进行金属离子含量分析，使用原子吸收分光光度计测定[11]，测定结果如表4所示。

表4 各金属离子含量Table 4 The percentage of metal ions in scale sample

从测定结果可知，垢样中的铁含量普遍较高，经过分析可知铁有2个来源，主要来源为地层水中铁的析出(采出水中的铁含量不高，因为水样是井口采集的，铁在井下已经沉淀析出了)，另一个来源为腐蚀产物，说明管线中局部位置有一定的腐蚀，铬和锰也来源于管材的腐蚀；垢样中也有较多的碳酸钙沉淀，并且气井中不是均匀结垢，垢样分析结果表明抽油杆上结垢较为严重，这可能和气井中的水流状态、温度等因素有关系。

2.2.3 阴离子含量分析

使用离子色谱对垢样进行测试，分析其阴离子含量[12]。测试结果如图4所示。

图4 垢样盐酸溶解后滤液中阴离子离子色谱分析谱图Fig.4 Anionic ion chromatographic analysis spectrum of filtrate after hydrochloric acid dissolution of scale sample

2.3 流型对结垢的影响

在油气生产开发过程中，流体的流型是油气田结垢和防垢的一个重要参考依据[14]。油气田大部分结垢是在湍流的状态下发生的，流体在管道喉管、井下安全阀等部位流过的时候都是湍流状态，这些部位出现的结垢会给油田生产带来严重的减产问题[15]。为了验证湍流对结垢的影响，进行了湍流与结垢关系的室内实验研究。

在实验溶液不加阻垢剂的情况下，分别用不同的搅拌速度(雷诺数随之变化)进行1 h的搅拌，得到不锈钢环表面的沉淀质量如图5所示。从图5可以清楚地看到，随着雷诺数的增加，不锈钢表面的碳酸钙沉淀也越来越多，也就是湍流状态下结垢会更多。同时在层流和过渡区阶段(雷诺数<40 000)，随着雷诺数的增加，碳酸钙在不锈钢表面的增长率比在湍流阶段(雷诺数>40 000)高。

图5 沉淀量与雷诺数关系图Fig.5 Relationship between precipitation amount and Reynolds number

2.4 管材粗糙程度对结垢的影响

为了研究管材表面粗糙程度与结垢的关系，对不同粗糙程度的钢片进行了结垢情况评价。将不同表面粗糙度的钢片分为3组(如表5所示)，清洗干净后竖直放到A1-3井模拟采出水中进行结垢实验，实验温度设为80 ℃，实验中，要将试片完全浸没在溶液中，并不断向反应体系中添加模拟采出水，保持溶液体积不变，在一定时间后取出，风干，称重，求取增重[16]，实验结果如图6所示。

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

图6 钢片不同时间下的增重Fig.6 Weight gain of steel sheet at different time

从图6中可以发现，1～3组试片的质量变化的总体趋势是一致的，刚开始时质量基本无变化，后面逐渐增重，最后重量增加缓慢并逐渐稳定。粗糙度越大，结垢速度越快且结垢量越大，这是因为氧化膜在表面形成后，会变得更加不平，有助于成核和附着，缩短了结垢诱导期，提高了结垢速率，且在流动过程中，较高的粗糙度有利于结垢产物的沉积[17]。

图7所示是第3组钢片在结垢溶液中恒温4 h, 12 h和24 h后的电镜扫描图[16]。

图7 钢片的表面形貌Fig.7 Surface topography of steel sheet

从图7可以看到，4 h后钢片表面具有很多小颗粒，主要为铁的氧化物，此时还未在表面形成氧化薄膜；12 h后钢片表面氧化膜已经基本形成，还有少量的CaCO3结垢颗粒；24 h后成垢颗粒明显增多，CaCO3大量不均匀地分布在钢片表面。

根据图7的分析，可把整个过程分为3个阶段。首先是氧化膜的形成(0～4 h)，钢片放入水中后，由于腐蚀作用形成氧化物，钢片的一部分Fe变成Fe2+溶解在溶液中, 此外CaCO3垢开始孕育, 为结垢诱导期，但还未形成结垢, 所以试片未发生增重；其次是结垢期(4～24 h), 此时氧化膜已经形成, 阻止了腐蚀进展, 降低了腐蚀速率；最后是稳定期(24 h之后)，氧化膜全面形成, 腐蚀速率最低，试片表面结垢沉积经历快速增长后也趋于稳定, 试片平均增重缓慢。