何 競(jìng)，李展峰

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

天然氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地層水礦化度高（20 000～280 000 mg/L），成垢離子含量高，同時(shí)天然氣中又含有一定量的CO2（平均約4.2%）和 H2S（平均含量872 mg/m3），極易造成井筒腐蝕、結(jié)垢堵塞。在氣井大修作業(yè)、通井、氣井解堵時(shí)，先后對(duì)478口氣井進(jìn)行通井作業(yè)，其中通井遇阻井321口，占總通井?dāng)?shù)的67.2%，導(dǎo)致部分氣井無(wú)法正常生產(chǎn)。

通過(guò)化學(xué)方法和物理手段，研究井筒堵塞物的組成及形成機(jī)制，為抑制堵塞物的生成和采取有效解堵措施提供依據(jù)。

1 井筒堵塞物組成性質(zhì)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

實(shí)驗(yàn)所用井筒堵塞物直接從井筒內(nèi)刮取，密封保存，防止樣品曝氧氧化及吸水后的組成性質(zhì)發(fā)生改變。固體樣品中的無(wú)機(jī)組成分析主要采用化學(xué)容量法，對(duì)堵塞物的有機(jī)成分分析主要采用石油醚萃取后，吹脫石油醚溶劑進(jìn)行紅外譜圖分析方法。堵塞物組成性質(zhì)分析流程見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表1 堵塞物組成性質(zhì)分析流程

對(duì)氣井井筒堵塞物進(jìn)行組成性質(zhì)分析，并將堵塞物用石油醚萃取后進(jìn)行X-衍射分析，進(jìn)一步對(duì)堵塞物中無(wú)機(jī)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。石油醚萃取堵塞物后X-衍射分析結(jié)果顯示，井筒堵塞物中主要是FeCO3和CaCO3，分析結(jié)果與化學(xué)容量法所得到的結(jié)果一致。

表2 井筒堵塞物石油醚萃取后X-衍射分析結(jié)果 %

2 井筒堵塞物形成機(jī)理

上述井筒堵塞物成分分析結(jié)果表明，井筒堵塞物主要是腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物、有機(jī)物和少量采氣過(guò)程中由儲(chǔ)層帶來(lái)的黏土礦物、白云石等。下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，研究堵塞物的來(lái)源以及形成機(jī)理。

2.1 結(jié)垢產(chǎn)物來(lái)源

參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) J氣田水質(zhì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。在水質(zhì)分析基礎(chǔ)上，采用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法分別預(yù)測(cè)采出水沿井筒的碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，分析結(jié)果見(jiàn)圖2。

表3 水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L

由表3可知，產(chǎn)出水礦化度高，成垢離子含量大。隨著溫度和壓力的增加，采出水在井筒溫壓系統(tǒng)下存在嚴(yán)重的硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，當(dāng)井深達(dá)到900 m左右時(shí)，采出水有碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，且隨著井深的增加，結(jié)垢趨勢(shì)逐漸加?。▓D2）。由此可知，井筒堵塞物中 CaCO3的來(lái)源主要是氣田產(chǎn)出水在井筒溫壓條件下的結(jié)垢產(chǎn)物。

圖2 采出水沿井筒結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

2.2 有機(jī)物來(lái)源

實(shí)驗(yàn)采用氮吹儀吹脫法模擬井筒條件，將 J氣田所用緩蝕劑用氮吹儀吹脫48 h，然后將吹脫后的殘留組分進(jìn)行紅外譜圖分析，再將萃取過(guò)堵塞物的石油醚進(jìn)行吹脫，然后進(jìn)行紅外譜圖分析。最后將緩蝕劑殘留組分的紅外譜圖與堵塞物萃取物的紅外譜圖進(jìn)行對(duì)比，確定井筒堵塞物中的有機(jī)成分，分析結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 氣井緩蝕劑殘留組分的紅外譜圖

圖4 石油醚堵塞物萃取堵塞物的紅外譜圖

由圖3和圖4可知，緩蝕劑在氮吹儀吹脫48 h后，輕組分被氣流帶走，剩余的重組分黏稠，粘附于容器表面很難清除；投加緩蝕劑的井底，快速氣流通過(guò)時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生此種效果。紅外譜圖分析顯示，堵塞物中的有機(jī)成分主要是壬烷基同分異構(gòu)體、多乙烯多胺衍生物、吡啶衍生物以及芳香烴衍生物等，這些結(jié)構(gòu)都是緩蝕劑的主要活性成分。由此可以得出，氣井井筒堵塞物中的有機(jī)成分來(lái)自于緩蝕劑的重組分。

2.3 腐蝕產(chǎn)物來(lái)源

CO2、H2S以及礦化度對(duì)管材的腐蝕是引起井筒腐蝕產(chǎn)物形成的主要原因。實(shí)驗(yàn)采用懸掛腐蝕掛片法，在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行 H2S-CO2-礦化度三因素共同作用下，研究N80材質(zhì)的腐蝕情況。

能譜分析和掃描電鏡對(duì)腐蝕掛片分析結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 N80空白掛片能譜圖

圖6 0.05-0.10-40000-液相N80腐蝕掛片能譜圖

圖5顯示N80空白材質(zhì)腐蝕前表面平整。在0.05 MPa壓力下H2S、0.10 MPa壓力下CO2和40 000 mg/L礦化度模擬水作用下，材質(zhì)表面出現(xiàn)凸起的狀物，表面凹凸粗糙不平，凸點(diǎn)較多，主要為局部點(diǎn)蝕（圖6）。空白N80材質(zhì)主要含有Si、Mn和Fe 3種元素，腐蝕產(chǎn)物包含O、S、Cl、C和Fe等元素；材質(zhì)基體中含微量Mn，未在腐蝕產(chǎn)物中未檢測(cè)出。上述實(shí)驗(yàn)表明，井筒堵塞物中的腐蝕產(chǎn)物為FexSy和FeCO3，主要為H2S和CO2共同作用下的酸性腐蝕物。

2.4 井筒堵塞物堵塞機(jī)理

由以上研究得出，井筒堵塞物的形成可分為 3個(gè)階段：①氣井產(chǎn)出流體中含高礦化度水、H2S、CO2等腐蝕性介質(zhì)，形成了一種復(fù)合腐蝕環(huán)境，造成井筒腐蝕結(jié)垢，形成無(wú)機(jī)堵塞；②入井緩蝕劑在井筒高溫下裂解，黏度增加或者其有效成分發(fā)生降解、失效，形成不溶性殘?jiān)驼辰Y(jié)沉積物堵塞油管通道，形成有機(jī)堵塞；③在井筒條件下，無(wú)機(jī)堵塞物充當(dāng)骨架，有機(jī)堵塞物充當(dāng)填充物，形成黏度大，相互之間基本無(wú)縫隙的致密混合物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉積聚集，逐步在管道壁上積累從而造成井筒堵塞。

3 結(jié)論

（1）氣井井筒堵塞物的組成主要是腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物，約占堵塞物的60%～80%。有機(jī)物約占堵塞物的15%～30%（其中含油占有機(jī)物的2%左右），采氣過(guò)程中由儲(chǔ)層帶來(lái)的少量黏土礦物。

（2）結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3，腐蝕產(chǎn)物主要為FexSy和FeCO3，有機(jī)物主要是入井緩蝕劑經(jīng)天然氣氣流吹脫后殘留的重質(zhì)組分。

（3）井筒堵塞物形成機(jī)理是無(wú)機(jī)堵塞物充當(dāng)骨架，有機(jī)堵塞物充當(dāng)填充物，形成黏度大，相互之間基本無(wú)縫隙的致密混合物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉積聚集，逐步在管道壁上積累從而造成井筒堵塞。