某區塊淺層煤層氣井結垢普查及成垢原因研究

孟培偉，李志臻，王 濱，徐 浩，麻 路，郭 琦

(1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2. 中國石油國際勘探開發有限公司，北京 100034)

0 引言

油氣田生產中，儲層流體到達地面的流動過程中，溫度、壓力和油-氣-水平衡狀態的改變極易使油井發生結垢[1-2]；同時由于泵體部分溫度較高，流體遇到泵體后其類型改變等因素也會導致結垢[3-4]。井筒結垢會對油氣田生產造成嚴重影響，降低油氣田產量甚至停產，同時損害各類生產設備[5-6]。

某采氣廠是淺層煤層氣的重點生產單位，天然氣產量約為8×104m3，目前已有183口井投入了生產，生產情況良好。但是隨著生產的進行，部分煤層氣井產水量逐漸增大，由于出水使得氣井結垢嚴重，目前共檢泵47井次，其中17次有結垢，且結垢情況大于1 mm的出現11次，其中A1-3井、A9井組、A4井組結垢較為嚴重。氣井結垢嚴重影響了生產。因此，為了確保氣井正常生產，開展氣井結垢成因研究，對于后期防垢技術設計，穩定天然氣產量具有極其重要的意義。

1 概況

1.1 生產概況

某淺層煤層氣開發區塊勘查區域東西長40 740 m，南北寬8 249～21 210 m，礦權面積625.6 km2。該區塊有頁巖氣井3口, 煤層氣井190口，目前開井的頁巖氣井為2口, 煤層氣井為183口, 占總井數的94.83%。隨著排采的不斷深入, 見氣井數的增加和部分井提產措施的見效, 煤層氣井的日產量由起初的3.5×104m3增加到現在的8×104m3，達到3 000 m3/d以上的煤層氣井有4口, 2 000～3 000 m3/d的煤層氣井2口, 1 000～2 000 m3/d的井有24口，氣井生產情況見表1。

表1 某區塊氣井生產情況

煤層氣井的產水量會隨著生產逐漸升高, 截止目前煤層氣井每日總產水量達到181.4 m3, 單井平均產水量約為1.0 m3/d。其中單井產水量大于10.0 m3/d的井有9口，由于產水量大，較難進行排水降壓，目前已關停6口井。氣井產水情況如圖1所示。

圖1 氣井產水情況Fig.1 Water production of gas wells

1.2 氣井結垢調查

對該區塊煤層氣井的結垢情況進行了調查，發現氣井普遍存在結垢現象，調查結果如圖2所示。

圖2 氣井結垢情況統計Fig.2 Gas well scaling statistics

調查發現，發生結垢現象的162口井中有46口井結垢情況嚴重，比例為28.40%；有59口井中等程度結垢，比例為36.42%；有57口井輕度結垢，比例為35.18%。從統計結果可知，該區塊的氣井結垢現象已經非常嚴重，采取有效措施防垢已經刻不容緩。

2 現場情況分析

2.1 區域水質分析

為了研究該區塊煤層氣井筒結垢機理和防垢措施，須對生產現場水質進行分析，確定水型，判斷

可能成垢的離子成分及含量，為確定防垢技術和防垢工藝提供依據[7]。在現場采集了出現結垢現象的各氣井水樣并進行分析，測定結果見表2(以A1-3井為例)。

表2 A1-3井水樣測定結果Table 2 Water sample measurement results of well A1-3

2.2 垢樣分析

為了驗證煤層氣井出水水質對結垢的影響，以A1-3井為例對現場采集的垢樣進行了分析，以確定水質與垢樣的吻合程度[9]。對現場垢樣進行了相應的X射線衍射分析及化學分析，確定出垢樣的主要成分。

2.2.1 X射線衍射分析

將從現場取回的垢樣在60 ℃的干燥箱中烘干后，制備成粉末并通過100目篩。制備好的垢樣裝在細口稱量瓶中，放在干燥器中備用，隨后進行X射線衍射分析[10]。A1-3井垢樣的X射線衍射圖譜如圖3所示。

圖3 A1-3井垢樣的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction pattern of scale samples from well A1-3

由表3可以看出，X射線衍射結果表明垢樣的主要成分為碳酸鈣以及部分腐蝕產物，主要為Fe2O3和FeS。從氣井檢泵情況來看，油管和抽油桿大多數是結垢后腐蝕嚴重，沒有結垢處表面是光滑的，這說明結垢是影響生產的主要原因。通過對垢樣中的微生物檢測發現，每克垢樣中SRB的含量大于10萬個，說明垢樣中的硫化亞鐵大多數是SRB引起的，也有部分是水質本身引起，因為采出水中也檢測出硫化物(見表2)。

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

2.2.2 金屬離子含量分析

對垢樣進行金屬離子含量分析，使用原子吸收分光光度計測定[11]，測定結果如表4所示。

表4 各金屬離子含量Table 4 The percentage of metal ions in scale sample

從測定結果可知，垢樣中的鐵含量普遍較高，經過分析可知鐵有2個來源，主要來源為地層水中鐵的析出(采出水中的鐵含量不高，因為水樣是井口采集的，鐵在井下已經沉淀析出了)，另一個來源為腐蝕產物，說明管線中局部位置有一定的腐蝕，鉻和錳也來源于管材的腐蝕；垢樣中也有較多的碳酸鈣沉淀，并且氣井中不是均勻結垢，垢樣分析結果表明抽油桿上結垢較為嚴重，這可能和氣井中的水流狀態、溫度等因素有關系。

2.2.3 陰離子含量分析

使用離子色譜對垢樣進行測試，分析其陰離子含量[12]。測試結果如圖4所示。

圖4 垢樣鹽酸溶解后濾液中陰離子離子色譜分析譜圖Fig.4 Anionic ion chromatographic analysis spectrum of filtrate after hydrochloric acid dissolution of scale sample

2.3 流型對結垢的影響

在油氣生產開發過程中，流體的流型是油氣田結垢和防垢的一個重要參考依據[14]。油氣田大部分結垢是在湍流的狀態下發生的，流體在管道喉管、井下安全閥等部位流過的時候都是湍流狀態，這些部位出現的結垢會給油田生產帶來嚴重的減產問題[15]。為了驗證湍流對結垢的影響，進行了湍流與結垢關系的室內實驗研究。

在實驗溶液不加阻垢劑的情況下，分別用不同的攪拌速度(雷諾數隨之變化)進行1 h的攪拌，得到不銹鋼環表面的沉淀質量如圖5所示。從圖5可以清楚地看到，隨著雷諾數的增加，不銹鋼表面的碳酸鈣沉淀也越來越多，也就是湍流狀態下結垢會更多。同時在層流和過渡區階段(雷諾數<40 000)，隨著雷諾數的增加，碳酸鈣在不銹鋼表面的增長率比在湍流階段(雷諾數>40 000)高。

圖5 沉淀量與雷諾數關系圖Fig.5 Relationship between precipitation amount and Reynolds number

2.4 管材粗糙程度對結垢的影響

為了研究管材表面粗糙程度與結垢的關系，對不同粗糙程度的鋼片進行了結垢情況評價。將不同表面粗糙度的鋼片分為3組(如表5所示)，清洗干凈后豎直放到A1-3井模擬采出水中進行結垢實驗，實驗溫度設為80 ℃，實驗中，要將試片完全浸沒在溶液中，并不斷向反應體系中添加模擬采出水，保持溶液體積不變，在一定時間后取出，風干，稱重，求取增重[16]，實驗結果如圖6所示。

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

圖6 鋼片不同時間下的增重Fig.6 Weight gain of steel sheet at different time

從圖6中可以發現，1～3組試片的質量變化的總體趨勢是一致的，剛開始時質量基本無變化，后面逐漸增重，最后重量增加緩慢并逐漸穩定。粗糙度越大，結垢速度越快且結垢量越大，這是因為氧化膜在表面形成后，會變得更加不平，有助于成核和附著，縮短了結垢誘導期，提高了結垢速率，且在流動過程中，較高的粗糙度有利于結垢產物的沉積[17]。

圖7所示是第3組鋼片在結垢溶液中恒溫4 h, 12 h和24 h后的電鏡掃描圖[16]。

圖7 鋼片的表面形貌Fig.7 Surface topography of steel sheet

從圖7可以看到，4 h后鋼片表面具有很多小顆粒，主要為鐵的氧化物，此時還未在表面形成氧化薄膜；12 h后鋼片表面氧化膜已經基本形成，還有少量的CaCO3結垢顆粒；24 h后成垢顆粒明顯增多，CaCO3大量不均勻地分布在鋼片表面。

根據圖7的分析，可把整個過程分為3個階段。首先是氧化膜的形成(0～4 h)，鋼片放入水中后，由于腐蝕作用形成氧化物，鋼片的一部分Fe變成Fe2+溶解在溶液中, 此外CaCO3垢開始孕育, 為結垢誘導期，但還未形成結垢, 所以試片未發生增重；其次是結垢期(4～24 h), 此時氧化膜已經形成, 阻止了腐蝕進展, 降低了腐蝕速率；最后是穩定期(24 h之后)，氧化膜全面形成, 腐蝕速率最低，試片表面結垢沉積經歷快速增長后也趨于穩定, 試片平均增重緩慢。

3 結垢原因分析

由水質和垢樣分析得知該區塊主要為碳酸鈣垢，促使碳酸鈣生成沉淀的主要外部因素依次為水質、pH值、溫度壓力、管材的材質、流速流型等。

3.1 水質的影響

3.2 pH值的影響

3.3 溫度和壓力的影響

3.4 管材質量的影響

由于Cl-、溶解氧、細菌等腐蝕介質成分的作用，若鋼材質量較差，表面易產生細小腐蝕點，使得后期更易結垢，主要是由于鋼材表面先腐蝕的部位更容易作為沉積結垢成分的成核中心[20]；反之，如果管材質量較好，不容易產生點蝕，管材表面光滑，可能結垢情況不會嚴重。

3.5 流型的影響

流體的流型中湍流使水質點相互碰撞，液流攪合程度隨流速增加而增大，加劇了沉淀晶體的凝聚，形成晶核。氣井生產過程中，管線較為粗糙或發生腐蝕后，導致流體出現湍流，使局部過飽和度增大而易產生CaCO3結垢[18]。

4 結論

1)研究發現研究區塊煤層氣井普遍存在結垢問題，發生結垢現象的162口井中有46口井結垢情況嚴重，比例為28.40%；有59口井中等程度結垢，比例為36.42%；有57口井輕度結垢，比例為35.18%。

2)水質分析看出研究區塊采出水的水型大多為重碳酸鈉型，主要為地層水。結垢部位普遍在泵的上部，這是因為壓力降低和流線變化引起脫氣而產生結垢，結垢類型為碳酸鈣垢，同時有腐蝕產物氧化鐵和硫化亞鐵。

3)產水量大的井，水流的雷諾數越大，脫氣量會變大，結垢量會增加。

4)結垢與鋼材型號有一定的關系，結垢的內因是水質，水的礦化度越高，結垢越嚴重；易腐蝕的鋼材，粗糙度越大，越有利于垢的沉積，結垢速度越快。