邱正陽 李長俊 邱奎 西南石油大學； 重慶科技學院

蜀南氣礦井筒結垢機理研究*

邱正陽1；2李長俊1邱奎21西南石油大學； 2重慶科技學院

在管道內形成結垢的直接原因是難溶鹽在過飽和溶液中的沉淀過程。根據(jù)飽和指數(shù)（SI）只能預測產生沉淀可能性，不能預測結垢量的數(shù)值。SI值越大，產生垢沉淀的可能性也越大。回注水CaCO3結垢趨勢受井底溫度和注入水pH值的影響很大，隨井底溫度和pH值的升高，CaCO3結垢趨勢增大。對于蜀南氣礦氣田水回注，當溫度較低且pH值較低時，不易結垢。但計算出來的飽和指數(shù)均大于0，因此判斷容易在井筒或地面集輸管線結垢，尤其是合8井和H1井結垢趨勢可能更強烈。

結垢；機理；飽和指數(shù)；溫度；pH值

蜀南氣礦具有50多年的開發(fā)歷史，一些氣井不同程度出現(xiàn)帶水現(xiàn)象，采出的氣田水礦化度較高，達32 000～78 000 mg/L。這些溫度高達60～70℃的采出水經過輸送管線匯集后從回注井重新注入地層。當井筒中液體在流動過程中溫度、壓力發(fā)生變化，地層水與回注水混合時不相容(不配伍)，將導致井筒、氣井管匯以及地面集輸管線部位形成結垢。回注水量越大，注水時間越長，井筒結垢越厚，這導致井筒流通截面減小，氣體輸送效率下降，回注難度增大。為找出防垢措施，以蜀南氣礦26井、桐18井、付1井、合8井、H1井等幾口具有典型結垢特征的回注井作為研究對象，展開井筒結垢機理研究。

1 水樣及垢樣成分

依據(jù)《油氣田水分析方法（SY/T5523-2000）》，采用化學滴定法分析水中成垢離子的含量，采用X射線衍射儀分析井筒垢樣組成。

1.1 水樣

對現(xiàn)場取回的水樣經過預處理，然后對水中各離子成分平行測定3次，取平均值，得到水質分析數(shù)據(jù)，見表1。

水質分析表明，基本水型屬于CaCl2型。根據(jù)離子分析初步判斷，付1井主要為CaCO3、MgCO3和BaSO4結垢；合8井主要為常規(guī)CaCO3、MgCO3結垢；井26/桐18井的預測垢樣類型為CaCO3、Mg-CO3，并夾雜部分鍶垢；H 1井水樣礦化度最高，各種成垢離子含量也很高，預測生成CaCO3、Mg-CO3、BaCO3和SrCO3等混合垢。

表1 水質分析數(shù)據(jù)

1.2 垢樣

井筒中的垢樣在正常工作下不易取得，利用合8井檢修期間取得其井筒垢樣，采用X射線衍射儀進行分析。

將合8井垢樣的XRD圖譜中幾個主要衍射峰與XRD標準卡片中的峰位比較，可以確定合8井垢樣中主要成分分別為碳酸鈣晶體、碳酸鎂晶體、氧化鐵、氧化鍶、硫酸鋇晶體、硫化鐵、氧化鉻、氧化鈷以及它們的混合晶體。這說明井筒結垢原因主要是筒體金屬鐵受到回注水攜帶的氧腐蝕而形成氧化物，另外地層水中存在一定數(shù)量鍶離子也是成垢物質之一。

2 井筒結垢機理分析

2.1 結垢機理

井筒結垢是一個相當復雜的過程。在管道內形成結垢的直接原因是難溶鹽在過飽和溶液中的沉淀過程。鹽類垢形成的一個首要因素是鹽類物質的溶解度處于過飽和狀態(tài)。過飽和濃度除了與溶解度有關外，還受熱力學、結晶動力學、流體力學等諸多因素影響，即受壓力、溫度以及pH值變化的影響，也就是說由于系統(tǒng)內化學不相容性和熱力學的不穩(wěn)定而引起結垢[1-2]。在油氣田注水作業(yè)中，最常遇到的是碳酸鹽和硫酸鹽兩種類型的無機垢。硫酸鹽垢主要與產出水和補充水或者注入水和地層水的不相容有關。對于腐蝕垢來說，結垢則受輸送介質、材料以及周圍環(huán)境的共同影響。

2.2 結垢趨勢預測

根據(jù)飽和指數(shù)原理，可以預測結垢的效率和準確度[3]。飽和指數(shù)是過飽和度的一種量度，用飽和指數(shù)可表示溶液中 CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4等沉淀的可能性。飽和指數(shù)定義為

式中IP為實際溶液的離子積；Ksp為溶度積平衡常數(shù)。

根據(jù)飽和指數(shù)只能預測產生沉淀可能性，不能計算結垢量的數(shù)值。SI值越大，產生垢沉淀的可能性也越大。當SI<0時，溶液未飽和，此時不結垢；當SI>0時，溶液過飽和，結垢；當SI=0時，溶液飽和，處于平衡狀態(tài)。

對蜀南氣礦幾口井的回注水在不同溫度和pH值下的CaCO3垢飽和指數(shù)SI進行了計算機模擬計算，結果見表2。

由表2可以看出，回注水CaCO3結垢趨勢受井底溫度和注入水pH值的影響很大，隨井底溫度和pH值的升高，CaCO3結垢趨勢增大。

對于蜀南氣礦氣田水回注，當溫度較低且pH值較低時，不易結垢。但是這些被測井口的水溫普遍偏高，在46～70℃之間，pH值為6.5～7.1，弱酸性至中性之間，計算出來的飽和指數(shù)均＜0，因此判斷容易在井筒或地面集輸管線結垢，尤其是合8井和H1井結垢趨勢可能更強烈。

表2 CaCO3垢飽和指數(shù)計算結果

2.3 井筒結垢原因分析

（1）地層水礦化度及成垢離子含量高，是井筒管道輸送系統(tǒng)產生結垢的主要原因，它為結垢的產生提供了重要的物質基礎。

（2）由于注入水由地面泵入井下，溫度逐步升高，導致CaCO3溶解度下降，此時就會在井下和注水管柱產生碳酸鈣垢；另外，由于回注污水產生難溶的硫酸鹽而結垢[4]。

（3）在氣井生產過程中，流體是從高壓地層流向壓力較低的井筒，此時CO2分壓降低，CaCO3溶解度下降，造成在井筒內結垢。

（4）生產井和回注井中結垢主要在井筒部位，管輸流動狀態(tài)對結垢部位也有很大的影響，并且垢的厚度隨井筒深度而增加。這表明結垢主要在井底部高度湍流區(qū)發(fā)生，其次在層流區(qū)；而地面系統(tǒng)結垢易產生于注水管線彎頭、閘門的滯留區(qū)。

3 結語

（1）對26井、桐18井、付1井、合8井、H1井等幾口具有典型結垢特征的回注井取水樣，測定其離子成分，并對取回的垢樣進行分析，為確定垢型奠定了基礎。

（2）分析了井筒結垢的機理，并根據(jù)飽和指數(shù)SI的大小預測產生沉淀可能性。

[1]萬里平，唐酞峰，孟英峰．長慶油田油井井筒腐蝕機理與防護措施[J]．石油與天然氣化工，2006，35（4）：311-313．

[2]王銳．腰英臺油田采出井阻垢防腐工藝技術[J]．油氣田地面工程，2010，29（7）：29-30．

[3]王兵，李長俊，劉洪志，等．井筒結垢及除垢研究[J]．石油礦場機械，2007，36（11）：17-21．

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10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.009

基金論文：本項目獲得中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦資助。

邱正陽：副教授，西南石油大學在讀博士，主要從事油氣儲運方面研究。

15923956668、qzy2265@163.com

（欄目主持 楊 軍）