魏 凱 何榮華 李國(guó)鋒
中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院
大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地陜蒙交界處,為典型的低壓力、低滲透、低產(chǎn)量氣藏,埋藏深度2700~ 3 500 m,儲(chǔ)層壓力系數(shù)范圍0.83~0.96,平均壓力系數(shù)0.92[1],溫度介于80~95 ℃。所產(chǎn)氣田以甲烷為主,含量大于93%[2-3],地層水為CaCl2型,總礦化度(10~26)×104mg/L,且地層水中鈣鎂等易垢離子質(zhì)量濃度較大[4]。目前氣田儲(chǔ)層平均地層壓力降至8 MPa以下,42%以上的氣井因管柱結(jié)垢導(dǎo)致測(cè)井遇阻,嚴(yán)重危及氣田穩(wěn)產(chǎn)[5-6]。筆者通過(guò)氣田垢樣組分分析,結(jié)合地層水離子構(gòu)成及歷年氣井流溫流壓測(cè)試數(shù)據(jù),明確了該氣田氣井結(jié)垢機(jī)理,并優(yōu)化形成了其地層水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。利用模型對(duì)D1-2-6、D52井進(jìn)行了結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè),提出了化學(xué)除垢方法,并在D1-2-6井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得較好的試驗(yàn)效果。
化學(xué)除垢法是目前國(guó)內(nèi)外油氣田除垢方法中最有效、最簡(jiǎn)便的除垢方法[2,5]。本文選取DPH-47井油管垢樣進(jìn)行了成分分析,垢樣經(jīng)研磨稱重,分別用石油醚、蒸餾水浸泡、過(guò)濾,溶去可溶固體,干燥后再次稱重,然后再向其中加入體積濃度1%的鹽酸,待反應(yīng)完全后過(guò)濾、干燥,稱量剩余固體質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示,結(jié)果如表1所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DPH-47井油管垢樣中86.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的垢質(zhì)可溶于鹽酸,且在鹽酸中產(chǎn)生大量氣泡,反應(yīng)劇烈,判斷其主要成分為碳酸鹽,氫氧化物及氧化物等。
為進(jìn)一步明確結(jié)垢垢質(zhì)組分,收集大牛地氣田D1-1-102,D1-1-45,D1-2-31,D1-4-5,D47-31 等井垢樣送至陜西省質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行了成分鑒定,結(jié)果如表2所示。檢測(cè)報(bào)告顯示垢物外觀呈現(xiàn)黃褐色或土黃色,主要成分為:碳酸鈣,氯化鈉,硫酸鈣,硫酸鋇和砂土等,不同生產(chǎn)層,垢物組成略有差別,但均以CaCO3居多,平均占比80%以上(質(zhì)量百分比)。因此重點(diǎn)分析了CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)。
根據(jù)大牛地氣田氣井流溫流壓測(cè)試顯示,該氣田井口平均套壓降至8 MPa左右,井底流壓降至4 MPa以下,已處于低壓高溫狀態(tài)[7-8]。諸林等對(duì)非酸性天然氣含水量計(jì)算公式按照溫度區(qū)間進(jìn)行了劃分,其結(jié)果如表3所示[9]。
大牛地氣田儲(chǔ)層溫度介于80~95 ℃之間,天然氣含水量計(jì)算適用Khaled公式,其公式如下所示:
式中W表示天然氣含水率;p表示地層壓力,MPa;T表示地層溫度,K。
圖1 大牛地氣田DPH-47井垢樣分析過(guò)程圖
表1 大牛地氣田DPH-47井垢樣組分分析結(jié)果表
本文應(yīng)用Khaled公式計(jì)算了大牛地氣田不同溫度條件下,天然氣含水量隨壓力變化趨勢(shì)(圖2)。在低壓高溫條件下,特別是當(dāng)?shù)貙訅毫抵? MPa以下后,天然氣飽和蒸汽含量迅速增加,地層水大量快速蒸發(fā)導(dǎo)致高礦化度地層水中各種鹽類(lèi)達(dá)到飽和及過(guò)飽和狀態(tài),開(kāi)始結(jié)晶析出形成沉淀,最終成為垢質(zhì)堵塞產(chǎn)層及油管[10-11]。
表2 大牛地氣田氣井結(jié)垢產(chǎn)物分析表
表3 非酸性天然氣含水量計(jì)算各溫度區(qū)間適用公式表
圖2 大牛地氣田天然氣飽和蒸汽含量隨壓力變化圖[9]
大牛地氣田縱向發(fā)育7套含氣地層,各層地層水性質(zhì)差別較大,總體呈現(xiàn)隨深度增加,礦化度逐漸增大的規(guī)律。地層水中均含有一定量的Ca2+、Mg2+、HCO32-等成垢離子,存在一定的結(jié)垢趨勢(shì),各氣層地層水水質(zhì)如表4所示。
由表4可知,該氣田地層水中Ca2+含量較高,礦化度較大。隨著地層水大量蒸發(fā),溶解于其中的酸性氣體CO快速散逸,使得地層水中2轉(zhuǎn)化為,與地層水中 Ca2+、Mg2+結(jié)合生成CaCO3、MgCO3析出沉淀[12-13]。由于各含氣層系地層水中Ca2+含量遠(yuǎn)高于Mg2+含量,因此垢質(zhì)中CaCO3遠(yuǎn)高于MgCO3,CaSO4也較少。
這些析出的鹽類(lèi)附著在近井地層孔喉內(nèi),生產(chǎn)油管及地面管線內(nèi),最為普遍且不易發(fā)現(xiàn),往往在結(jié)垢影響產(chǎn)能時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。
大牛地氣田地層溫度介于80~95 ℃之間,離子強(qiáng)度小于6.0,pH值為5.5~8.5之間,結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型滿足Davis-Stiff提出的飽和指數(shù)SI模型[14],計(jì)算公式如下:
式中SI為飽和指數(shù),無(wú)因次;PpH為水樣的pH值;K為修正系數(shù),由不同溫度時(shí)離子強(qiáng)度與修正系數(shù)的關(guān)系圖查得;PCa是Ca2+濃度(mol/L)的負(fù)對(duì)數(shù);PAlK是總堿度(mol/L)的負(fù)對(duì)數(shù)。
SI=0時(shí),地層水中鹽分處于臨界狀態(tài);SI<0時(shí),地層水欠飽和,無(wú)結(jié)垢趨勢(shì);SI>0時(shí),地層水含鹽過(guò)飽和,有結(jié)垢趨勢(shì)。
2010年大牛地氣田開(kāi)始加注防垢劑,目前防垢率為0.85,防垢劑加注降低了氣井結(jié)垢率,導(dǎo)致Davis-Stiff飽和指數(shù)模型誤差較大,本文對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化并驗(yàn)證,優(yōu)化后模型如下:
利用D1-1-13井歷年地層水離子測(cè)試數(shù)據(jù),結(jié)合Davis-Stiff飽和指數(shù)模型及優(yōu)化后的模型,形成D1-1-13井飽和指數(shù)預(yù)測(cè)圖(圖3、圖4):利用Davis-Stiff飽和指數(shù)模型,SI=0時(shí),地層水在井深1000 m處達(dá)到臨界狀態(tài),開(kāi)始析出鹽垢,與現(xiàn)場(chǎng)觀察到的生產(chǎn)油管實(shí)際結(jié)垢位置相比較淺,且差距較大。采用優(yōu)化后的飽和指數(shù)模型,SI=0時(shí),地層水在2 500 m處達(dá)到臨界狀態(tài),開(kāi)始結(jié)垢,基本位于氣井油管喇叭口上部第一根油管處,與生產(chǎn)油管觀察到的結(jié)垢位置基本吻合,符合度高。
表4 大牛地氣田不同氣層地層水水質(zhì)分析表
圖3 D1-1-13井飽和指數(shù)預(yù)測(cè)模型Stiff圖
圖4 D1-1-13井飽和指數(shù)預(yù)測(cè)模型優(yōu)化圖
利用優(yōu)化后的模型結(jié)合D1-2-6井、D52井不同生產(chǎn)時(shí)期的流溫流壓測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算了不同井底條件下的碳酸鈣飽和指數(shù),結(jié)果如表5所示。數(shù)據(jù)表明,隨著該氣田開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)和開(kāi)發(fā)程度的深入,D1-2-6、D52井碳酸鈣飽和指數(shù)逐漸增加,具備了生成鹽垢的條件。
2017年對(duì)2口井進(jìn)行了更換管柱作業(yè),起出的生產(chǎn)管柱結(jié)垢嚴(yán)重,D1-2-6井喇叭口上第一根油管完全堵塞,D52井生產(chǎn)篩管篩孔完全堵塞,與結(jié)垢預(yù)測(cè)結(jié)果一致(圖5、圖6)。
針對(duì)大牛地氣田結(jié)垢現(xiàn)狀研制了GCCG-1化學(xué)除垢劑,該除垢劑為無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、螯合劑、緩蝕劑、防膨劑以及助排劑復(fù)配而成,對(duì)碳酸鹽類(lèi)等無(wú)機(jī)鈣質(zhì)有較強(qiáng)的溶解,剝落及分散作用,且對(duì)管材腐蝕小。
3.1.1 溶垢性能評(píng)價(jià)
為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)除垢劑溶垢性能,近似認(rèn)為垢質(zhì)在油管內(nèi)壁均勻分布,厚度為現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的平均厚度3 mm,則除垢劑與垢質(zhì)實(shí)驗(yàn)用量比例可認(rèn)為是油管單位長(zhǎng)度內(nèi)部容積與內(nèi)表面積之比,以?73 mm油管為例,用量比為30∶1。實(shí)驗(yàn)取3只燒杯分別加入GCCG-1除垢劑100 mL,分別在其中加入干燥稱重好的垢樣(約3.7 g)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流溫流壓測(cè)試結(jié)果,取平均產(chǎn)層溫度80 ℃為實(shí)驗(yàn)條件。在80 ℃恒溫水浴中反應(yīng)2.5 h,然后過(guò)濾,將殘?jiān)稍锓Q重,計(jì)算溶垢率,結(jié)果如表6所示。
由表6可見(jiàn),GCCG-1化學(xué)除垢劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)垢樣溶解分散能力較強(qiáng)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)混合物垢型,在80℃條件下,GCCG-1溶垢率超過(guò)95%,泥沙等成分也分散剝落。
表5 D1-2-6、D52井結(jié)垢預(yù)測(cè)結(jié)果表
圖5 D1-2-6井喇叭口上第一根油管結(jié)垢截面圖
圖6 D52井篩管結(jié)垢圖
3.1.2 緩蝕性能評(píng)價(jià)
GCCG-1除垢劑總酸度在15%左右,采用掛片法評(píng)價(jià)其緩蝕性能。取6只250 mL廣口瓶,分別加入GCCG-1除垢劑200 mL,在其中分別懸掛已經(jīng)處理稱重好的N80鋼片標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片,在80 ℃(產(chǎn)層平均溫度)恒溫水浴中放置并計(jì)時(shí)。8 h后,取出試片,處理后稱重,計(jì)算腐蝕率,結(jié)果如表7所示。
表7可知,GCCG-1除垢劑對(duì)N80鋼片腐蝕小,平均腐蝕率僅為1.80 g/(m2·h),處于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5405-1996《 酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》中的一級(jí)范圍內(nèi),對(duì)井下管材及地面管材傷害小。
D1-2-6井于2005年9月投產(chǎn),投產(chǎn)時(shí)油壓15.5 MPa、套壓 17.8 MPa,日產(chǎn)氣 2.1×104m3,至2010年1月產(chǎn)氣量降低至0.3×104m3/d。2010年7月,油壓進(jìn)一步降低而關(guān)井,關(guān)井后油壓2.2 MPa,油壓低于運(yùn)輸管網(wǎng)壓力無(wú)法開(kāi)井生產(chǎn)。2017年對(duì)該井進(jìn)行了大修作業(yè),更換生產(chǎn)管柱過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其下部最后一根油管完全堵塞。為恢復(fù)該井產(chǎn)能,更換管柱后實(shí)施了抽吸、誘噴作業(yè),作業(yè)期間關(guān)井時(shí)油套壓力恢復(fù)較快,開(kāi)井后迅速下降,間歇性產(chǎn)氣,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn),分析認(rèn)為該井儲(chǔ)層近井地帶孔喉出現(xiàn)結(jié)垢堵塞現(xiàn)象。
2017年6月取該井垢樣檢測(cè),垢質(zhì)以碳酸鹽為主(質(zhì)量百分比85%以上),在該井進(jìn)行了化學(xué)除垢劑GCCG-1的應(yīng)用,采用不動(dòng)管柱除垢工藝,即在不活動(dòng)井下管柱的前提下,利用天然氣頂替除垢劑進(jìn)入近井地帶清除儲(chǔ)層垢物堵塞,疏通氣體滲流通道。施工步驟如下:用700型水泥車(chē)從油管加注除垢劑,利用天然氣頂替除垢劑進(jìn)入近井地帶,確保除垢劑與井內(nèi)垢質(zhì)充分接觸,反應(yīng)3 h后,開(kāi)井排液生產(chǎn)。
表6 GCCG-1除垢劑溶垢性能表
表7 GCCG-1除垢劑的腐蝕性能表
通過(guò)除垢施工,D1-2-6井實(shí)現(xiàn)了從關(guān)停7 a到成功復(fù)產(chǎn),最高試氣產(chǎn)量29 000 m3/d。目前該井已進(jìn)站生產(chǎn),油壓穩(wěn)定在4.3 MPa,套壓穩(wěn)定在8 MPa左右,可自主攜液生產(chǎn),日均產(chǎn)氣7 000 m3,產(chǎn)液 2.6 m3/d,對(duì)比停產(chǎn)關(guān)井前的 3 000 m3/d,平均增產(chǎn)氣量4 000 m3/d,增產(chǎn)幅度133%。截至2018年 7月累計(jì)生產(chǎn)天然氣 260×104m3。
1)大牛地氣田地層水礦化度較高,且開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)層壓力下降,產(chǎn)出水蒸發(fā)迅速,伴隨水中酸性氣體散逸,導(dǎo)致氣井鹽類(lèi)結(jié)垢嚴(yán)重,影響氣田穩(wěn)產(chǎn)。
2)通過(guò)對(duì)Davis-Stiff的飽和指數(shù)SI模型進(jìn)行優(yōu)化,形成了大牛地氣田碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型,并利用改模型對(duì)D1-2-6、D52井結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況吻合度較好。
3) 研制的GCCG-1化學(xué)除垢劑對(duì)以碳酸鹽為主要成分的垢質(zhì)具有較強(qiáng)的溶解、分散、剝落能力,且腐蝕性小,在大牛地氣田得到了成功應(yīng)用,該技術(shù)對(duì)同類(lèi)低壓氣藏除垢作業(yè)具有借鑒和推廣意義。