天然氣集輸管道結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

唐詩(shī)，馬蠡，徐梅，蔣志，沈武冬 ，李忠良，周清

(中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦工藝研究所，四川 遂寧 629000)

0 引言

須家河氣藏地層水礦化度高，在油氣生產(chǎn)過(guò)程中，天然氣攜帶地層水進(jìn)入集輸管線，導(dǎo)致管線出現(xiàn)了鹽結(jié)晶堵塞現(xiàn)象，管線鹽結(jié)晶堵塞嚴(yán)重且頻發(fā)，造成管線管輸效率下降甚至因管線完全堵死而被迫關(guān)井[1]。目前針對(duì)管道鹽結(jié)晶堵塞，主要采取傳統(tǒng)割管解堵方法，堵塞點(diǎn)尋找困難、耗用時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，影響面大。為了更好的指導(dǎo)防鹽措施，避免鹽堵造成的各類(lèi)危害[2]，采用Scale Chem 4.0結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行管線結(jié)鹽趨勢(shì)預(yù)測(cè)[3]，從而篩選出存在結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)的管道，并預(yù)測(cè)出結(jié)鹽種類(lèi)、結(jié)鹽量等參數(shù)，為后續(xù)防鹽工藝優(yōu)化及管道選材提供有力的技術(shù)依據(jù)[4]。

1 地層水水質(zhì)分析及鹽樣分析

取樣并分析了21個(gè)須家河氣藏地層水水樣，其中6個(gè)礦化度較高的地層水水樣[5]：女深002-6-X1、蓬萊107、蓬萊11、蓬萊002-3-X1、金2、金17井地層水水樣分析結(jié)果如表1所示。

表1 須家河氣藏部分氣井地層水水樣分析結(jié)果

圖1 女深002-6-X1井至女112管線鹽垢樣品

通過(guò)水質(zhì)分析可知，不同管線中地層水水樣礦化度均較高，總礦化度在19萬(wàn)～27萬(wàn)左右，屬于高礦化度鹽水，水中的優(yōu)勢(shì)離子順序Cl-＞Na+＞Ca2+，占全部離子的90%以上，也含有一定量的Ca2+、Mg2+、SO42-，但HCO3-含量相對(duì)較小，主要為CaCl2水型[6]。

通過(guò)對(duì)女深002-6-X1井至女112管線中鹽垢進(jìn)行取樣分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 女深002-6-X1井至女112管線鹽垢組分含量

通過(guò)女深002-6-X1井至女112管線中鹽垢樣品分析可知，鹽垢中主要成分為氯化鈉，綜合水樣分析結(jié)果得出須家河氣藏高礦化度水樣除了結(jié)晶出大量的氯化鈉鹽外，還有可能形成少量的硫酸鈣和硫酸鎂鹽的可能[7]。

2 管線結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)模擬

目前主要采用包括指數(shù)預(yù)測(cè)模型、軟件預(yù)測(cè)模型、數(shù)值分析預(yù)測(cè)對(duì)地層水的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)幾種方法進(jìn)行對(duì)比分析后最終采用Scale Chem 4.0結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件對(duì)須家河氣藏地層水水樣結(jié)鹽趨勢(shì)模擬進(jìn)行結(jié)鹽趨勢(shì)預(yù)測(cè)[8]，該軟件可預(yù)測(cè)最高溫度315 ℃、壓力150 MPa、濃度700000 mg/L生產(chǎn)條件下的結(jié)垢情況[9]，在水樣信息不全的情況下，可以自動(dòng)進(jìn)行水質(zhì)的酸堿和電離平衡的調(diào)和，預(yù)測(cè)正在發(fā)生或可能發(fā)生的輸氣管線結(jié)垢類(lèi)型、結(jié)垢趨勢(shì)、結(jié)垢量。軟件模擬步驟主要包括管線中水樣成分分析結(jié)果的輸入、離子平衡計(jì)算、酸堿度平衡計(jì)算、輸氣管線中氣相組分含量的輸入、輸氣管線溫度和壓力輸入、計(jì)算結(jié)果的輸出[10-11]。模擬條件為：氣相設(shè)定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，溫度為25 ℃，壓力為3.0 MPa，以蓬萊002-3-X7井地層水水樣為例，其結(jié)鹽趨勢(shì)模擬結(jié)果如表3所示。

表3 部分地層水水樣結(jié)鹽趨勢(shì)模擬結(jié)果

從表3中可知，蓬萊11井地層水的平衡氯化鈉的濃度較高，且結(jié)垢預(yù)測(cè)的數(shù)值為0.72，接近結(jié)垢臨界值SI 1.0，其他離子如硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)嚴(yán)重[12]，但由于含量非常少，因此，在模擬過(guò)程中不考慮其結(jié)垢趨勢(shì)。

(1)結(jié)鹽結(jié)垢臨界礦化度預(yù)測(cè)結(jié)果

以蓬萊11井的水分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐漸增加Na+和Cl-和的含量，而且比例為23∶35.5 (通過(guò)離子的摩爾質(zhì)量轉(zhuǎn)化成濃度)，其他離子含量不變，分別設(shè)計(jì)四種模擬水樣，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 四種模擬水樣模擬結(jié)果

根據(jù)表4中的預(yù)測(cè)結(jié)果可知，需要Na+濃度約85000 mg/L到90000 mg/L之間，且Cl-在19萬(wàn)mg/L到20萬(wàn)mg/L之間，總礦化度為28萬(wàn)～30萬(wàn)是氯化鈉結(jié)鹽的臨界濃度點(diǎn)，高于這個(gè)臨界點(diǎn)水樣結(jié)鹽，而且濃度越高結(jié)鹽越嚴(yán)重，低于這個(gè)濃度點(diǎn)，理論認(rèn)為不能發(fā)生結(jié)鹽[13]，但由于產(chǎn)出液中含有凝析油，固相砂粒等結(jié)晶點(diǎn)的存在，這些結(jié)晶點(diǎn)的存在會(huì)誘發(fā)結(jié)晶的進(jìn)行，低于這個(gè)濃度也能發(fā)生一定程度的結(jié)鹽。

(2)結(jié)鹽結(jié)垢臨界溫度預(yù)測(cè)結(jié)果

為了研究溫度對(duì)集輸管線結(jié)鹽趨勢(shì)的影響，采用Scale Chem 4.0進(jìn)行模擬。根據(jù)川中油氣礦輸氣管線的輸氣參數(shù)的調(diào)研，認(rèn)為輸氣壓力從1.0 MPa到10 MPa的范圍內(nèi)，但最常見(jiàn)的是輸氣壓力為3 MPa到5 MPa，因此，選擇4 MPa為作為模擬的壓力，溫度從5～80 ℃之間，根據(jù)氣相分析結(jié)果，氣相設(shè)定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，水相設(shè)定為飽和含水量，考察溫度變化水樣的結(jié)垢趨勢(shì)[14]。

通過(guò)圖2的模擬結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)Na+離子濃度約85000 mg/L，且Cl-離子濃度約在19萬(wàn)mg/L，總礦化度為28萬(wàn)是氯化鈉結(jié)鹽的臨界濃度，輸氣壓力為4 MPa，當(dāng)氯化鈉22 ℃，氯化鉀10 ℃達(dá)到臨界結(jié)鹽溫度，也就是溫度低22 ℃，均出現(xiàn)結(jié)鹽[15]，而管線的溫度在5～15 ℃，均可能結(jié)鹽，也就是說(shuō)在當(dāng)?shù)V化度達(dá)到臨界狀態(tài)，管線基本是有結(jié)鹽的情況。

圖2 蓬萊11井水樣結(jié)垢趨勢(shì)隨溫度變化模擬圖

(3)結(jié)鹽結(jié)垢臨界壓力預(yù)測(cè)結(jié)果

常見(jiàn)的輸氣溫度從井口溫度到管線溫度逐漸降低，一般幾十米即可達(dá)到平衡溫度一般在5～15 ℃，因此選擇10 ℃為模擬溫度，研究壓力從1.0～10 MPa的范圍內(nèi)的結(jié)鹽結(jié)垢規(guī)律。根據(jù)氣相分析結(jié)果，氣相設(shè)定甲烷含量90%，乙烷含量7%，丙烷含量3%，水相設(shè)定為飽和含水量。采用蓬萊11井的模擬水樣進(jìn)行模擬。其模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 蓬萊11井結(jié)垢趨勢(shì)隨壓力變化模擬圖

從圖3分析可見(jiàn)，固定溫度為10 ℃，壓力從1.0～10 MPa的范圍內(nèi)，隨著壓力的增加氯化鉀和氯化鈉的結(jié)鹽基本是隨壓力的增加而降低的，也有2口井隨壓力增加，兩者的的結(jié)鹽趨勢(shì)隨壓力增加后保持穩(wěn)定。但從結(jié)鹽趨勢(shì)的SI數(shù)值可見(jiàn)，變化不超過(guò)0.01，因此，模擬結(jié)果可以認(rèn)為在輸氣管線中，壓力的變化對(duì)對(duì)結(jié)鹽的趨勢(shì)幾乎沒(méi)有影響[16]。但在集輸管線中，可能存在支線管線的干氣進(jìn)入主管線，干氣可能可攜帶管線中的水，使得水的礦化度增加，產(chǎn)生濃蒸效應(yīng)，產(chǎn)生結(jié)鹽。模擬軟件無(wú)法變化中的干氣輸入的情況。

綜上，天然氣集輸管線中地層水的礦化度是結(jié)鹽的根本原因，只有具備了結(jié)鹽的物質(zhì)基礎(chǔ)，其是主要因素，溫度是在礦化物結(jié)鹽的基礎(chǔ)上影響結(jié)鹽的風(fēng)險(xiǎn)[17]，屬于輔助因素，壓力屬于次要因素，如表5所示

表5 須家河集輸管線結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)參數(shù)

3 天然氣集輸管線的結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)須家河氣藏天然氣集輸管線是否存在結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)多條管線進(jìn)行了結(jié)鹽趨勢(shì)預(yù)測(cè)，以蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線為例，其管線運(yùn)行情況如表6所示。

表6 蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線運(yùn)行參數(shù)

從表7的管線結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果分析可知，蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫結(jié)垢趨勢(shì)依次減小，硫酸鋇最大，而氯化鈉鹽SI指標(biāo)為1.7112，大于1，存在結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)。但從含量來(lái)講，氯化鈉的結(jié)鹽含量50444.7 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫結(jié)垢的含量。因此該管線存在結(jié)鹽結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，鹽垢成分中主要是是氯化鈉鹽垢，且?jiàn)A雜少量的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫垢。在日常生產(chǎn)運(yùn)行管理中需要對(duì)該管線采取防鹽清鹽措施，避免管線出現(xiàn)大量鹽結(jié)晶堵塞物，將管線完全堵死，影響正常生產(chǎn)[18]。

表7 蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用 Scale Chem 結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件，對(duì)須家河氣藏天然氣集輸管線的結(jié)鹽風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果得出集輸管線中水的高礦化度是結(jié)鹽的根本原因，是主要因素，總礦化度為28萬(wàn)～30萬(wàn)是氯化鈉結(jié)鹽的臨界濃度點(diǎn)，溫度是在礦化度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步影響結(jié)鹽的風(fēng)險(xiǎn)程度，屬于輔助參數(shù)。當(dāng)?shù)V化度達(dá)到臨界狀態(tài)，氯化鈉的臨界結(jié)鹽溫度為22 ℃，壓力屬于次要因素。

(2)進(jìn)一步預(yù)測(cè)了蓬萊002-3-X1至蓬萊107管線的結(jié)鹽趨勢(shì)，結(jié)果表明該管線存在結(jié)鹽結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，鹽垢成分中主要是是氯化鈉鹽垢，且?jiàn)A雜少量的硫酸鋇、硫酸銫、碳酸銫垢。