吐哈氣田采氣井油管結垢機理

李志軍

吐哈氣田采氣井油管結垢機理

龍學淵1李志軍1丁崇飛2

1重慶科技學院石油與天然氣工程學院2吐哈油田分公司魯克沁采油廠

利用ICP—1000離子測定儀和滴定分析儀對吐哈氣田3口井采出液成分進行分析。氣田水含有較高濃度的成垢離子，鈣離子、鎂離子、硫酸根離子以及碳酸根離子，在油管流動過程中由于溫度、壓力變化，會形成碳酸鈣和硫酸鈣晶體，大量晶體的沉積，為垢的形成創造了條件。液相中的凝析油含有較多的重組分，重組分的結晶促進了無機鹽垢晶體的沉積和吸附；同時油管溫度、壓力、氣體流速、截面含氣率等條件的變化打破了原有的熱力平衡狀態，在懸浮顆粒、雜質作用下加速催化結晶過程。

油管；結垢；兩相流動；結晶；溶解度

1 結垢產物分析

從吐哈氣田某井的油管中提取垢樣，垢樣呈淺黃色，具有較濃的油氣味，含有凝析油和一定的水分；底層垢（靠近管壁處）薄而致密，淡黃色；中間層垢厚，呈柱狀，疏松膠結，白色；頂層垢顏色和致密性與根部相似，該垢極易破碎為粉糊狀，干燥后為粉末。

1.1 微觀形態分析

通過對垢樣進行微觀分析發現，垢樣中間層的無機鹽晶體為束狀和纖維狀，大的晶粒之間有節理，晶粒之間總體上呈平行狀排列，排列不緊密，晶粒之間存在明顯的縫隙，越到內部，空隙越大；烘干后，晶體形態沒有發生變化，晶粒之間的空隙變大，晶粒失去了光澤；干燥后仍為束狀，固體雜質顆粒為土黃色，看不到具體的晶體形態結構，結構強度大，不容易破碎。

1.2 元素及組分分析

對垢樣進行掃描電鏡和能譜儀分析。測得垢的主要構成元素為：碳13.84%，氧34.55%，鈉1.32%，鉻1.69%，氯0.87%，鈣45.96，鐵1.78%。通過DX—2700射線衍射儀分析得到垢樣主要成分為可酸溶CaCO3和Fe2O3；同時含有CaSO4、FeCO3、FeCl3，酸不溶物主要為有機油砂和石英砂。該氣田油管內的結垢分布較復雜，不同井深處垢產物各組分所占的比例不同。

2 水質分析及結垢預測

利用ICP—1000離子測定儀和滴定分析儀，對該氣田3口井采出液成分進行分析，結果見表1。

由于油管處于氣水兩相流動狀態，常規的單相流動結垢預測公式無法準確地預測其結垢趨勢，本文采用適用于多相流動下的預測模型對表1所列采出液成分進行結垢趨勢預測，分別計算出3口井的結垢指數IS，見圖1。

表1 產氣井水質分析mg/L

圖1 3口井結垢趨勢預測曲線

從圖1可以看出，WX1井水無論是碳酸鈣還是硫酸鈣IS值都是大于零的，因此WX1井在目前條件下既可能結碳酸鈣垢又可能結硫酸鈣垢；WX1—1井水所有的IS值都小于零，但距離零值很近，因此在目前條件下不結垢（結垢趨勢不明顯），但要密切監控水質變化，在靠近井底400m的井段內IS值最大，結垢趨勢最大。

3 最大結垢量預測

CaCO3最大結垢量位置預測式為

式中PTB為CaCO3最大結垢量預測值，無因次；C、X為離子濃度，C=[Ca2+]+[HCO3-]；X= [Ca2+]－[HCO3-]（mol/L）；pH=pH地面+ΔpH，ΔpH=(4.50×10-3ΔT)+[4.85×10-7×(T2d-T2

s)]-3.07×10-5Δp，Δp=pd-ps，pd為井下壓力，ps為地面壓力（MPa）；ΔT=Td-Ts，Td為井下溫度，Ts為地面溫度（℃）。

碳酸鈣結垢量預測判斷標準：PTB＜0，無垢產生；0＜PTB＜100，有少量垢；100＜PTB＜250，垢多且硬；PTB＞250，結垢極為嚴重。硫酸鹽最大結垢量預測式為

式中K(CaSO4)為CaSO4的溶度積（mol2/L2）；m為鈣離子的初始濃度（mol/L）；X為SO42-的初始濃度（mol/L）；Δm為CaSO4的沉積量（mol/L）。

從3口井的油管碳酸鈣最大結垢量預測結果可以看出，WX1和WX5井的PTB值在100～200之間，結垢較為嚴重，相對而言WX1井結垢比WX5井的嚴重。而WX1—1井在井深超過900m時PTB值在0～20之間，因此只有很輕微的結垢，而在小于900m的井段PTB值小于零，因此基本不結垢。結合圖1分析，WX1井結碳酸鈣垢最為嚴重，WX5井次之，WX1—1最輕微，結垢最嚴重的部位都在距井底600m左右的范圍內。

從3口井的油管硫酸鈣最大結垢量預測結果可以看出，硫酸鈣沉積量在井比較深的部位大，在較淺部位少。主要原因是硫酸鈣溶解度受溫度的影響大，在井較深部位溫度高，硫酸鈣溶解度下降明顯，而在較淺部位溫度低，硫酸鈣溶解度下降幅度小。其中WX1井硫酸鈣沉積量最大（正值），而WX5井硫酸鈣沉積量最小（負值）。3口井的結垢量隨著井深度的減小而下降，下降幅度不大，結垢量最大部位在距井底600m的井段內。

4 結垢機理分析

（1）氣田水含有較高濃度的成垢離子，鈣離子、鎂離子、硫酸根離子以及碳酸根離子，在油管流動過程中由于溫度、壓力變化，會形成碳酸鈣和硫酸鈣晶體，大量晶體的沉積，為垢的形成創造了條件。

（2）由于碳酸鈣與硫酸鈣溶解度存在明顯差異，在同時存在硫酸根、碳酸氫根（碳酸根）和鈣離子時，碳酸鈣先結晶，在有多余的鈣離子條件下，硫酸鈣才可能結晶。該氣田水中，含有較多的硫酸根離子（濃度大于碳酸氫根），因此存在兩種類型的垢，碳酸鈣垢經常在緊貼管壁的部位和垢層較薄的部位。

（3）由于氣田水中碳酸氫根離子存在較大波動，在形成碳酸鈣的條件下，當水中的碳酸氫根離子突然變大時，部分的硫酸鈣會變為更難溶的碳酸鈣晶體；或者是含水含二氧化碳氣流在油管發生突變（腐蝕、結垢引起的部位），由于氣體流速發生變化，氣流在該處發生滯留，二氧化碳、水汽與已經生成的硫酸鈣反應，使得部分硫酸鈣轉化為更難溶的碳酸鈣，在多次作用下，結晶的碳酸鈣形成致密的薄垢層。

（4）液相中的凝析油含有較多的重組分，重組分的結晶促進了無機鹽垢晶體的沉積和吸附，由于油管因突變或氣液多相流動在內壁形成微觀的毛糙面，晶核吸附在壁面，并以此形成結晶中心；同時油管溫度、壓力、氣體流速、截面含氣率等條件的變化打破了原有的熱力平衡狀態，在懸浮顆粒、雜質作用下加速催化結晶過程。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.024