劉文遠(yuǎn) 胡瑾秋 姚天福 歐陽鐵兵 李相方

1.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院；

3.中海油研究總院有限責(zé)任公司

目前，深水油氣開發(fā)已成為我國油氣工業(yè)發(fā)展的重要方向，加大深水油氣資源的開發(fā)對維持我國能源供應(yīng)意義重大［1-2］。相比陸上氣井，深水氣井開發(fā)具有技術(shù)難度大、施工成本高、安全風(fēng)險大的特點(diǎn)，避免油氣事故發(fā)生、保證氣井生產(chǎn)安全極為重要［3-4］。

目前，很多學(xué)者對氣井結(jié)垢風(fēng)險及防治進(jìn)行了研究。張宏祥［5］(1993)通過對氣井排水采氣過程中的結(jié)垢過程研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣垢是油氣井開采過程中最常遇到的結(jié)垢問題，研究碳酸鈣垢的形成機(jī)理、結(jié)垢趨勢和防治方法。郭龍江等［6］(2014)針對松南氣田的氣井結(jié)垢問題，分析了氣井垢樣成分并開展了室內(nèi)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)研究，得出了松南氣田的結(jié)垢原因主要是壓井液和地層水的不配伍性造成的，并對氣井的結(jié)垢趨勢進(jìn)行了進(jìn)行一步預(yù)測。葉小闖等［7］(2019)從分析氣井結(jié)垢機(jī)理出發(fā)，提出了適合長慶氣區(qū)氣井的化學(xué)除垢方法及優(yōu)化的除垢藥劑配方。魏凱等［8］(2018)針對大牛地氣田的結(jié)垢現(xiàn)狀，通過氣田垢樣成分、地層水組成和氣井流溫流壓測試數(shù)據(jù)分析，明確了大牛地氣田的氣井結(jié)垢機(jī)理并研制了針對性的防垢劑。鄒躍偉等［9］(2018)研究了丘東氣田氣井的結(jié)垢過程，并分析得到較高的井下溫度是導(dǎo)致氣井結(jié)垢的重要原因。王林等［10］(2018)對蜀南地區(qū)的煤層氣井結(jié)垢問題進(jìn)行研究得到垢物成分以碳酸鈣、鐵化物和煤粉為主，流體壓力降低導(dǎo)致CO2從水中析出和油管、抽油桿發(fā)生無氧腐蝕為結(jié)垢的主要原因。郭顯賦［11］(2018)對高含CO2的酸性氣藏生產(chǎn)中的結(jié)垢進(jìn)行了研究，并對結(jié)垢原因及主要影響因素進(jìn)行了分析，優(yōu)選了氣井防垢劑除垢技術(shù)。目前的氣井結(jié)垢研究主要針對的是陸上常規(guī)及非常規(guī)氣井，而對深水氣井中的結(jié)垢問題研究還較缺乏［12］。

深水氣井深度大，普遍穿過多組砂層，儲層內(nèi)往往存在高礦化度的邊水或底水。同時，深水氣井具有生產(chǎn)管柱長度大、氣井產(chǎn)量變化劇烈、管柱外部溫度環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，在氣井開發(fā)中的氣水同產(chǎn)階段通常出現(xiàn)井筒結(jié)垢現(xiàn)象。生產(chǎn)管柱結(jié)垢將對氣井生產(chǎn)的效率和安全性產(chǎn)生影響，垢物生成并在管壁附著將直接縮小流體流動通道，增加井筒摩阻壓降，進(jìn)而降低氣井產(chǎn)氣效率，若管柱結(jié)垢嚴(yán)重將直接堵塞井筒，甚至形成憋壓造成管柱破裂，形成重大安全事故并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失［13-14］。

結(jié)合我國南海某深水氣田的生產(chǎn)實(shí)際，首先通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了管壁結(jié)垢規(guī)律及結(jié)垢過程的影響因素，然后通過理論預(yù)測了該深水氣井的結(jié)垢趨勢及易結(jié)垢的管柱位置，最后提出了針對性的井筒防垢及除垢措施，對深水氣田的安全和高效開發(fā)具有重要意義。

1 深水氣井井筒內(nèi)結(jié)垢速率

深水氣井結(jié)垢速率大小是評價氣井結(jié)垢風(fēng)險的關(guān)鍵因素，通過結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)來定量描述深水氣井井筒內(nèi)的結(jié)垢速率大小。其中，實(shí)驗(yàn)地層水根據(jù)深水氣井水樣成分配置而成，實(shí)驗(yàn)中同時開展了靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)和動態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)并對2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和對比。

1.1 地層水樣配置

1.1.1 模擬地層水樣

實(shí)驗(yàn)選用蒸餾水來配置地層水樣，根據(jù)地層水樣分析數(shù)據(jù)表(表1)中的離子組成及含量計(jì)算所需鹽含量，利用電子天平稱取所需鹽分份量加入水箱中，并充分?jǐn)嚢枋怪芙?，?dāng)鹽分按計(jì)算量添加完成且水箱中不出現(xiàn)明顯沉淀時完成配置過程。

1.1.2 水樣初步分析

為分析氣井井筒結(jié)垢機(jī)理，首先對氣井的地層水樣進(jìn)行了初步分析，根據(jù)地層水型和離子種類及含量初步判斷垢樣成分，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)。

從地層水樣分析結(jié)果來看，該氣田的地層水類型以CaCl2型水為主，只有A井穿過的SAND1層位的地層水為NaHCO3型。整體上，結(jié)垢陽離子主要為Ca2+和Mg2+，其中Ca2+含量普遍大于Mg2+，結(jié)垢陰離子主要包括SO42?、HCO3?和CO32?。通?；衔锏慕Y(jié)合順序?yàn)镃a2+＞Mg2+，CO32?＞HCO3?＞SO42?下，不同井由于地層水的離子含量不同將形成不同類型的垢物沉淀［15］。

A井 地 層 水 中 含 結(jié) 垢 陰 離 子SO42?、CO32?但不含HCO3?，結(jié)垢陽離子Ca2+含量遠(yuǎn)大于Mg2+，初步預(yù)測該井的垢物沉淀為CaCO3和MgCO3。

表1不同層位水樣分析數(shù)據(jù)Table 1 Analysis data of the water samples taken from different layers of the gas field

B井穿過2段砂層，結(jié)垢陽離子以Ca2+為主，Mg2+少量，結(jié)垢陰離子僅含SO42?且含量遠(yuǎn)大于結(jié)垢陽離子，預(yù)測該氣井垢物為CaSO4、CaSO4· 2H2O和MgSO4，其中MgSO4垢物量很少。

對于C和D井，地層水中HCO3?含量遠(yuǎn)大于SO42?，且不含CO32?，根據(jù)離子結(jié)合順序，將結(jié)合形成Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2化合物，同時這2口氣井內(nèi)地層水PH值均在7～8之間，Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2將在近中性條件下水解為垢物沉淀CaCO3和MgCO3，由于后者溶解度是前者5倍，且易水解，因此預(yù)測A、B氣井垢物沉淀以CaCO3為主，僅含少量MgCO3。

另外，根據(jù)地層水pH值測定值，該氣田水呈弱堿性，并且實(shí)際管柱經(jīng)過防腐處理，具備較強(qiáng)抗蝕能力，不易造成管柱腐蝕，因此腐蝕垢物的含量很低，以鹽類垢為主。

1.2 靜態(tài)結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)

1.2.1 靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇金屬掛片(13 Cr掛片)、不銹鋼金屬球及石英片為實(shí)驗(yàn)材料開展實(shí)驗(yàn)，將以上3種材料浸沒在模擬地層水中，并將整套裝置放至恒溫箱中，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中壓力控制為0.1 MPa，溫度控制在30 ℃，稱量不同浸泡時間及不同溫壓條件下的試件質(zhì)量，通過試件浸泡前后的質(zhì)量差計(jì)算結(jié)垢速率，并分析結(jié)垢規(guī)律。

1.2.2 靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)1 d后發(fā)現(xiàn)，不銹鋼金屬球及石英片表面均出現(xiàn)淺色垢物，而13 Cr掛片表面則出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，如圖2所示。金屬掛片質(zhì)量因腐蝕出現(xiàn)明顯下降而不能得到實(shí)際結(jié)垢質(zhì)量，分析原因是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)材料并未像實(shí)際管柱一樣進(jìn)行抗蝕處理。因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，僅將不銹鋼金屬球及石英片的表面結(jié)垢量作為有效結(jié)垢數(shù)據(jù)。

圖1靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)Fig.1 Static scaling experimental device

在選定實(shí)驗(yàn)材料(不銹鋼球、石英片)后，我們設(shè)置一組實(shí)驗(yàn)的時間為12 d，每隔2 d對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行稱重，將2 d內(nèi)的平均結(jié)垢速率作為中間時間下的實(shí)際結(jié)垢速率值，以A井及C井產(chǎn)出的地層水為例，圖3和圖4分別是A井和C井生產(chǎn)條件下不同實(shí)驗(yàn)材料的結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。

從圖3和圖4可以看出，對于不同離子組成的地層水樣，無論是石英片還是不銹鋼球，在實(shí)驗(yàn)初期結(jié)垢速率均較低，且結(jié)垢速率隨實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加而增大，約在4 d后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槌跗谏傻墓肝镄枰诓牧媳砻娓街?早期附著)，當(dāng)垢物鋪滿材料表面時，再生成的垢物將在垢層表面附著逐漸加厚。垢物在垢層表面的附著速率是比較穩(wěn)定的，且要高于早期在實(shí)驗(yàn)材料(石英片、不銹鋼球)表面的附著速率。此外，在實(shí)驗(yàn)初期(4 d內(nèi))，石英片表面的結(jié)垢速率明顯快于不銹鋼球，這表明石英片相對于不銹鋼球更適合垢物附著。而在實(shí)驗(yàn)中后期(4 d后)，石英片及不銹鋼球表面的結(jié)垢速率基本相同且均趨于穩(wěn)定，這表明垢物在垢層表面的附著速率不再與實(shí)驗(yàn)材料有關(guān)。

圖2不同實(shí)驗(yàn)材料的實(shí)驗(yàn)前后對比Fig.2 Comparison of different experimental materials before and after the experiment

圖3不同材料下的結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果(A氣井)Fig.3 Experimental simulation results of scaling velocity for different materials (Gas Well A)

以實(shí)驗(yàn)4 d后的平均結(jié)垢速率作為氣井的結(jié)垢速率預(yù)測值，4口氣井的結(jié)垢速率分別為10.09、21.35、1.52、2.76 g/(m2· d)，4口井的結(jié)垢風(fēng)險為D＞C＞B＞A。其中，相對于C和D井，A和B井結(jié)垢速率很小1～3 g/(m2· d)，在氣井生產(chǎn)過程中，如此小的結(jié)垢速率下產(chǎn)生的垢物基本上將完全被氣流帶出，很難在管壁上附著，結(jié)合氣井的結(jié)垢實(shí)際得出結(jié)論：在靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)條件下穩(wěn)定結(jié)垢速率小于5 g/(m2· d)時可認(rèn)為該井不具備結(jié)垢風(fēng)險。

圖4不同材料下的結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果(C氣井)Fig.4 Experimental simulation results of scaling velocity for different materials(Gas Well C)

此外，通過分析實(shí)驗(yàn)得到的垢樣成分得到，A和B氣井地層水垢物為少量硫酸鈣，C和D氣井地層水垢物組成為碳酸鈣和微量硫酸鈣，與地層水樣初步分析結(jié)果一致。

1.3 動態(tài)結(jié)垢速率實(shí)驗(yàn)

1.3.1 動態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

動態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置由巖心夾持器、中間容器、壓力泵、流量計(jì)、壓力表等設(shè)備組成，將內(nèi)部裝有3條掛片的金屬巖心作為實(shí)驗(yàn)材料，將巖心裝于巖心夾持器中，通過壓力泵及中間容器把模擬地層水注入實(shí)驗(yàn)管線中來模擬流動條件，實(shí)驗(yàn)中注入壓力控制為0.1～0.5 MPa，恒溫箱溫度同樣控制在30℃。金屬巖心表面及巖心掛片表面均會結(jié)垢，由于金屬巖心質(zhì)量遠(yuǎn)大于結(jié)垢質(zhì)量，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)中僅通過稱量實(shí)驗(yàn)前后金屬巖心中掛片的質(zhì)量變化來計(jì)算得到流動條件下的結(jié)垢速率。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用D井模擬地層水樣開展動態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，通過改變注入壓力來設(shè)置不同的流體流速，本實(shí)驗(yàn)中選擇0.5 m/s的低流速和5 m/s的高流速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與靜態(tài)條件下的結(jié)垢速率進(jìn)行對比。低流速條件下的實(shí)驗(yàn)前后對比情況如圖5所示，不同結(jié)垢條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2～4，不同結(jié)垢條件下的結(jié)垢速率對比情況如圖6所示。

從實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)材料對比圖可看出，動態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下金屬巖心和掛片表面均結(jié)有白色垢物沉積。

從不同流速下的結(jié)垢速率對比圖中可發(fā)現(xiàn)，低流速(0.5 m/s)條件下，結(jié)垢速率較靜態(tài)升高約10%～15%；高流速(5 m/s)條件下，結(jié)垢速率較靜態(tài)條件下降23%～30%。分析原因得出，低速流動條件下溶液中的結(jié)垢離子較靜態(tài)條件下能更快地結(jié)合生成沉淀物并沉降下來，這是溶液流動增加了離子間的擾動造成的，而高速流動條件下即使能生成垢物，但生成的垢物將隨溶液流走而發(fā)生小量的沉積。

圖5實(shí)驗(yàn)前后對比(流速0.5 m/s)Fig.5 Comparison before and after the experiment (flow velocity:0.5 m/s)

表2 D井靜態(tài)結(jié)垢數(shù)據(jù)Table 2 Static scaling data of Well D

表3 D井動態(tài)結(jié)垢數(shù)據(jù)(流速0.5 m/s)Table 3 Dynamic scaling data of Well D (flow velocity:0.5 m/s)

表4 D井動態(tài)結(jié)垢數(shù)據(jù)(流速5 m/s)Table 4 Dynamic scaling data of Well D(flow velocity:5 m/s)

圖6不同流速下的結(jié)垢速率對比Fig.6 Comparison of scaling velocities at different flow velocities

理論上，溫度、壓力是影響結(jié)垢的重要因素。其中，溫度主要是通過改變易結(jié)垢鹽類的溶解度來影響結(jié)垢［16-17］。根據(jù)垢物在水中的溶解度規(guī)律，除水中CaSO4· 2H2O的溶解度在50℃左右有極大值外，其他垢物溶解度均隨溫度升高而降低，這與大多數(shù)結(jié)垢反應(yīng)為吸熱反應(yīng)有關(guān)，另外，溫度也會對管材的腐蝕結(jié)垢有影響；壓力對CaCO3、CaSO4等垢物的生成均有影響，尤其是對有氣體參加的結(jié)垢反應(yīng)?？傊?，隨著壓力降低，井筒內(nèi)的結(jié)垢趨勢增大。此處，以D井產(chǎn)出的地層水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要分析溫度、壓力對結(jié)垢速率的影響。

為了進(jìn)一步得到結(jié)垢速率與溫度、壓力的基本關(guān)系，在動態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)條件下分別升高結(jié)垢環(huán)境的溫度(30、45、60、75、90℃)和壓力(0.1、5、10、15、20 MPa)，取實(shí)驗(yàn)4～6 d內(nèi)的平均結(jié)垢速率作為穩(wěn)定結(jié)垢速率值。實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)垢速率變化情況如圖7和圖8所示。

圖7不同環(huán)境溫度下的結(jié)垢速率曲線(0.1 MPa)Fig.7 Scaling velocity under different environmental temperatures(0.1 MPa)

圖8不同環(huán)境壓力下的結(jié)垢速率曲線(30℃)Fig.8 Scaling velocity under different environmental pressures (30℃)

通過圖7和圖8可以看出，隨溫度的升高，結(jié)垢速率逐漸加快，當(dāng)溫度升至90℃時，結(jié)垢速率趨于平緩并穩(wěn)定在某一高值。當(dāng)環(huán)境壓力升高時，結(jié)垢速率逐漸減慢，且減慢程度較明顯。對于深水氣井生產(chǎn)過程，由于產(chǎn)出物以氣體為主，井筒沿程壓力整體維持在一個較高值，壓力變化對管壁結(jié)垢的影響并不明顯，而在地層及海水的冷卻下，井筒沿程溫度會發(fā)生很大變化，因此溫度對管壁結(jié)垢的影響起到顯著作用。

2 深水氣井井筒內(nèi)結(jié)垢趨勢預(yù)測

除需要描述結(jié)垢速率外，深水氣井井筒內(nèi)的結(jié)垢位置判斷同樣重要。研究中通過理論模擬的方法判斷深水氣井井筒內(nèi)的結(jié)垢區(qū)域及最易發(fā)生結(jié)垢的位置。首先，我們需要對井筒溫壓場分布進(jìn)行描述，然后進(jìn)行結(jié)垢趨勢和結(jié)垢井段的預(yù)測。

2.1 井筒溫壓場分布

所研究的氣井井深均在3 500 m左右，儲層溫度在90～100℃，最高產(chǎn)氣量可達(dá)150×104m3/d。結(jié)合深水氣井的生產(chǎn)實(shí)際，應(yīng)用PIPESIM軟件對氣井生產(chǎn)中的井筒沿程溫度和壓力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到不同生產(chǎn)條件下的井筒溫度和壓力分布如圖9和圖10所示。

圖9不同產(chǎn)氣量下的井筒溫度分布Fig.9 Well temperature distribution at different gas production rates

圖10不同水氣比下的井筒溫度分布Fig.10 Well temperature distribution at different water/gas ratios

由圖9和圖10看出，隨產(chǎn)氣量減小，井筒內(nèi)的溫度分布普遍降低，溫度在海底泥線附近出現(xiàn)明顯下降。在低產(chǎn)氣量下，井筒最低溫度出現(xiàn)在海底以上的某位置，中高氣量下最低溫度點(diǎn)出現(xiàn)在井口；壓力分布隨水氣比的不同略有差異，從井底至井口逐漸下降。

2.2 井筒結(jié)垢預(yù)測

結(jié)垢是由于系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)不相容性及熱力學(xué)不穩(wěn)定造成的，國內(nèi)外對于管線內(nèi)的結(jié)垢問題進(jìn)行過系統(tǒng)研究，1952年Stiff和Daivs提出了CaCO3垢的飽和度指數(shù)預(yù)測方法并在現(xiàn)場得到良好應(yīng)用［18］，隨后Skillman等人提出的熱力學(xué)溶解度預(yù)測法成為現(xiàn)場較為實(shí)用的預(yù)測方法［19］，Oddo-Tomson于1982年對CaCO3飽和指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，考慮了CO2分壓和總壓對結(jié)垢趨勢的影響，提高了模型的準(zhǔn)確性，并于1994年提出了硫酸鹽鹽垢飽和指數(shù)SI的計(jì)算公式并得到廣泛應(yīng)用［20-22］，下文研究中采用Oddo-Tomson的飽和指數(shù)法進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測。

2.2.1 飽和指數(shù)結(jié)垢趨勢預(yù)測方法

飽和指數(shù)SI的大小能預(yù)測產(chǎn)生沉淀的可能性，但不能預(yù)測結(jié)垢量。SI值越大，產(chǎn)生結(jié)垢的可能性也越大，以0為界，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)SI＜0，溶液未飽和，無垢物產(chǎn)生；當(dāng)SI=0，溶液飽和，處于平衡狀態(tài)；當(dāng)SI＞0，溶液過飽和，發(fā)生結(jié)垢。

對于氣液兩相共存時的CaCO3垢飽和指數(shù)計(jì)算方法為

硫酸鹽垢預(yù)測飽和指數(shù)計(jì)算方法如公式(2)～(6)所示。

式中，[Ca2+]、[SO42?]分別為與離子濃度相關(guān)的計(jì)算中間值；CMg2+,CSO42?分別為地層水中Mg2+,SO42?的濃度，mol/L；K為與溫度、壓力和離子強(qiáng)度相關(guān)的系數(shù)。

2.2.2 結(jié)垢趨勢預(yù)測

A井垢物主要為CaCO3和CaSO4· 2H2O，分別運(yùn)用碳酸鹽飽和指數(shù)法和硫酸鹽飽和指數(shù)法進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測，結(jié)果如圖11所示。

圖11 A井不同產(chǎn)氣量下的垢物預(yù)測曲線Fig.11 Scaling prediction curve of Well A at different gas production rates

B井垢物主要為CaSO4、CaSO4· 2H2O，采用硫酸鹽飽和指數(shù)預(yù)測法，預(yù)測結(jié)果見圖12。

圖12 B井不同產(chǎn)氣量下的硫酸鈣預(yù)測曲線Fig.12 Calcium sulphate prediction curve of Well B at different gas production rates

從圖11和圖12可看出，A井的碳酸鈣與硫酸鈣飽和指數(shù)SI均小于0，B井的硫酸鈣飽和指數(shù)值也均為負(fù)值，表明這兩口井地層水中的結(jié)垢離子濃度均未達(dá)飽和值，結(jié)垢可能性很小，這與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。

C井垢物主要為CaCO3，運(yùn)用碳酸鹽飽和指數(shù)法進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測。C井不同產(chǎn)氣量和水氣比條件下的碳酸鹽飽和指數(shù)計(jì)算值如圖13和圖14所示，井筒內(nèi)的結(jié)垢區(qū)主要分布在中下部位，在相同水氣比條件下，高產(chǎn)氣量井筒內(nèi)的結(jié)垢區(qū)域長于低產(chǎn)氣量井筒，150×104m3/d產(chǎn)量下井筒內(nèi)的結(jié)垢區(qū)長度可達(dá)2 700 m，20×104m3/d產(chǎn)量下的井筒結(jié)垢區(qū)長度在1 000 m以下；在相同產(chǎn)氣量條件下，高水氣比的井筒結(jié)垢區(qū)要長于低水氣比的井筒，水氣比為10 m3/104m3時的結(jié)垢區(qū)域長度相較1.25 m3/104m3時要長接近700 m。

圖13 C井不同產(chǎn)氣量下的碳酸鈣預(yù)測曲線Fig.13 Calcium carbonate prediction curve of Well C at different gas production rates

圖14 C井不同水氣比下的碳酸鈣預(yù)測曲線Fig.14 Calcium carbonate prediction curve of Well C at different water/gas ratios

對D井的結(jié)垢預(yù)測結(jié)果見圖15～16。D井不同產(chǎn)氣量及水氣比條件下的碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測曲線中可看出與C井類似的規(guī)律。對于D井，在相同水氣比條件下，當(dāng)產(chǎn)氣量為150×104m3/d時，自井筒650 m深度以下至井底均為結(jié)垢區(qū)，該區(qū)域比產(chǎn)氣量為10×104m3/d時延長1 650 m；在相同產(chǎn)氣量條件下，水氣比為10 m3/104m3比1.25 m3/104m3條件下的井筒結(jié)垢區(qū)長度要長550 m。

圖15 D井不同產(chǎn)氣量下的碳酸鈣預(yù)測曲線Fig.15 Calcium carbonate prediction curve of Well D at different gas production rates

圖16 D井不同水氣比下的碳酸鈣預(yù)測曲線Fig.16 Calcium sulphate prediction curve of Well D at different water/gas ratios

結(jié)合圖13～16可以看出，C、D井在不同產(chǎn)氣量及不同水氣比下均有不同程度的結(jié)垢，結(jié)垢部位主要分布在井筒中下部，高溫高壓下的井底處結(jié)垢趨勢最大。由于氣井井筒內(nèi)的沿程壓力變化有限，對于井筒的同一深度位置，產(chǎn)氣量越高或水氣比越高使得井筒內(nèi)溫度越高，結(jié)垢趨勢越大；同一產(chǎn)氣量下，沿井筒向上溫度逐漸下降，結(jié)垢趨勢也逐漸減小，并且D氣井的井筒結(jié)垢區(qū)域的長度要大于C氣井。

綜合以上理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，C和D氣井在不同的生產(chǎn)條件下會存在不同的井筒結(jié)垢區(qū)域，結(jié)垢風(fēng)險相對較大，而A和B氣井結(jié)垢的可能性很小，基本不存在結(jié)垢風(fēng)險。此外，結(jié)垢位置主要為靠近井筒的中下部井段，在不同產(chǎn)氣量下，井筒內(nèi)有不同的碳酸鈣結(jié)垢深度，隨著產(chǎn)氣量增大與水氣比的增加，結(jié)垢井段逐漸增長(結(jié)垢深度逐漸變小)。因此，井筒的下半部、高產(chǎn)氣量及高水氣比情況為深水氣井防垢的重點(diǎn)。

3 深水氣井的防垢措施

深水氣井由于生產(chǎn)管柱長度大、氣井產(chǎn)量變化劇烈、管柱外部溫度環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，井筒結(jié)垢較陸上氣井更加復(fù)雜，成為深水氣井的一項(xiàng)流動保障難題。深水氣井在高水氣比及高產(chǎn)氣量條件下井筒內(nèi)具有更高的溫度分布，因而更利于垢物的生成，此時需要重點(diǎn)防垢。深水氣井的結(jié)垢位置主要分布在井筒中下部及近儲層部位，防垢措施的采取應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)針對井筒中下部位。此外，適合深水氣井井筒防垢的措施還包括以下幾種［23-29］。

(1)選用耐蝕管材。腐蝕垢也是井筒垢物的一種，為提高管柱的耐蝕能力，減緩或避免因腐蝕形成的結(jié)垢，可以選用鎘、鉬含量高，硫、磷等雜質(zhì)含量低的合金管材或玻璃鋼管材。

(2)防垢劑防垢?；瘜W(xué)防垢是目前油氣田采用的主要防垢措施?；瘜W(xué)防垢劑能夠與氣田水中的結(jié)垢離子相互作用來阻止垢物的形成，該方法具有適用性廣、效果顯著的特點(diǎn)。目前，應(yīng)用最多的防垢劑有有機(jī)膦酸型防垢劑與聚合物型防垢劑等。

(3)添加緩蝕藥劑。除添加防垢劑外，還可以添加一些化學(xué)藥劑來改變環(huán)境性質(zhì)來起到緩蝕作用，從而減緩腐蝕結(jié)垢。這類化學(xué)藥劑包括殺菌劑、除硫劑、除氧劑、pH值調(diào)節(jié)劑等。

(4)物理法防、除垢。當(dāng)垢物沉積到一定程度，需要在管柱流動截面出現(xiàn)明顯縮小前及時除垢，而對于不易酸洗的氣井，則需要采用物理法進(jìn)行除垢。這類方法主要包括采用銑刀、沖擊錘或采用井下射流進(jìn)行除垢，后者的除垢效果較顯著，對井筒完整性影響較小。

4 結(jié)論

(1)地層水組成決定了氣井井筒的結(jié)垢類型，結(jié)垢初期由于垢物要在管壁表面附著而導(dǎo)致結(jié)垢速率較低，但由于表面附著期很短，氣井生產(chǎn)過程中的結(jié)垢風(fēng)險主要取決于結(jié)垢穩(wěn)定時的結(jié)垢速率；

(2)其他條件一定時，結(jié)垢速率隨溫度的升高而增加，隨壓力的增加而減小，深水氣井生產(chǎn)過程中不同井深的結(jié)垢差異性主要取決于沿程井筒的溫度分布。通常井筒中下部及近儲層部位為深水氣井結(jié)垢的主要井段，高產(chǎn)氣量及高水氣比下井筒結(jié)垢趨勢較大，因此井筒中下部和高產(chǎn)氣量及高水氣比條件是防垢重點(diǎn)。

(3)相比陸上氣井，深水氣井受井筒結(jié)垢的影響更大，除垢措施也更加復(fù)雜，除垢成本更高。采取及時的防垢手段避免垢物生成或?qū)⒐肝锍练e量控制在容許范圍內(nèi)對維持深水氣井的高效安全生產(chǎn)至關(guān)重要。