吐哈气田采气井油管结垢机理

李志军

吐哈气田采气井油管结垢机理

龙学渊1李志军1丁崇飞2

1重庆科技学院石油与天然气工程学院2吐哈油田分公司鲁克沁采油厂

利用ICP—1000离子测定仪和滴定分析仪对吐哈气田3口井采出液成分进行分析。气田水含有较高浓度的成垢离子，钙离子、镁离子、硫酸根离子以及碳酸根离子，在油管流动过程中由于温度、压力变化，会形成碳酸钙和硫酸钙晶体，大量晶体的沉积，为垢的形成创造了条件。液相中的凝析油含有较多的重组分，重组分的结晶促进了无机盐垢晶体的沉积和吸附；同时油管温度、压力、气体流速、截面含气率等条件的变化打破了原有的热力平衡状态，在悬浮颗粒、杂质作用下加速催化结晶过程。

油管；结垢；两相流动；结晶；溶解度

1 结垢产物分析

从吐哈气田某井的油管中提取垢样，垢样呈浅黄色，具有较浓的油气味，含有凝析油和一定的水分；底层垢（靠近管壁处）薄而致密，淡黄色；中间层垢厚，呈柱状，疏松胶结，白色；顶层垢颜色和致密性与根部相似，该垢极易破碎为粉糊状，干燥后为粉末。

1.1 微观形态分析

通过对垢样进行微观分析发现，垢样中间层的无机盐晶体为束状和纤维状，大的晶粒之间有节理，晶粒之间总体上呈平行状排列，排列不紧密，晶粒之间存在明显的缝隙，越到内部，空隙越大；烘干后，晶体形态没有发生变化，晶粒之间的空隙变大，晶粒失去了光泽；干燥后仍为束状，固体杂质颗粒为土黄色，看不到具体的晶体形态结构，结构强度大，不容易破碎。

1.2 元素及组分分析

对垢样进行扫描电镜和能谱仪分析。测得垢的主要构成元素为：碳13.84%，氧34.55%，钠1.32%，铬1.69%，氯0.87%，钙45.96，铁1.78%。通过DX—2700射线衍射仪分析得到垢样主要成分为可酸溶CaCO3和Fe2O3；同时含有CaSO4、FeCO3、FeCl3，酸不溶物主要为有机油砂和石英砂。该气田油管内的结垢分布较复杂，不同井深处垢产物各组分所占的比例不同。

2 水质分析及结垢预测

利用ICP—1000离子测定仪和滴定分析仪，对该气田3口井采出液成分进行分析，结果见表1。

由于油管处于气水两相流动状态，常规的单相流动结垢预测公式无法准确地预测其结垢趋势，本文采用适用于多相流动下的预测模型对表1所列采出液成分进行结垢趋势预测，分别计算出3口井的结垢指数IS，见图1。

表1 产气井水质分析mg/L

图1 3口井结垢趋势预测曲线

从图1可以看出，WX1井水无论是碳酸钙还是硫酸钙IS值都是大于零的，因此WX1井在目前条件下既可能结碳酸钙垢又可能结硫酸钙垢；WX1—1井水所有的IS值都小于零，但距离零值很近，因此在目前条件下不结垢（结垢趋势不明显），但要密切监控水质变化，在靠近井底400m的井段内IS值最大，结垢趋势最大。

3 最大结垢量预测

CaCO3最大结垢量位置预测式为

式中PTB为CaCO3最大结垢量预测值，无因次；C、X为离子浓度，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为井下压力，ps为地面压力（MPa）；ΔT=Td-Ts，Td为井下温度，Ts为地面温度（℃）。

碳酸钙结垢量预测判断标准：PTB＜0，无垢产生；0＜PTB＜100，有少量垢；100＜PTB＜250，垢多且硬；PTB＞250，结垢极为严重。硫酸盐最大结垢量预测式为

式中K(CaSO4)为CaSO4的溶度积（mol2/L2）；m为钙离子的初始浓度（mol/L）；X为SO42-的初始浓度（mol/L）；Δm为CaSO4的沉积量（mol/L）。

从3口井的油管碳酸钙最大结垢量预测结果可以看出，WX1和WX5井的PTB值在100～200之间，结垢较为严重，相对而言WX1井结垢比WX5井的严重。而WX1—1井在井深超过900m时PTB值在0～20之间，因此只有很轻微的结垢，而在小于900m的井段PTB值小于零，因此基本不结垢。结合图1分析，WX1井结碳酸钙垢最为严重，WX5井次之，WX1—1最轻微，结垢最严重的部位都在距井底600m左右的范围内。

从3口井的油管硫酸钙最大结垢量预测结果可以看出，硫酸钙沉积量在井比较深的部位大，在较浅部位少。主要原因是硫酸钙溶解度受温度的影响大，在井较深部位温度高，硫酸钙溶解度下降明显，而在较浅部位温度低，硫酸钙溶解度下降幅度小。其中WX1井硫酸钙沉积量最大（正值），而WX5井硫酸钙沉积量最小（负值）。3口井的结垢量随着井深度的减小而下降，下降幅度不大，结垢量最大部位在距井底600m的井段内。

4 结垢机理分析

（1）气田水含有较高浓度的成垢离子，钙离子、镁离子、硫酸根离子以及碳酸根离子，在油管流动过程中由于温度、压力变化，会形成碳酸钙和硫酸钙晶体，大量晶体的沉积，为垢的形成创造了条件。

（2）由于碳酸钙与硫酸钙溶解度存在明显差异，在同时存在硫酸根、碳酸氢根（碳酸根）和钙离子时，碳酸钙先结晶，在有多余的钙离子条件下，硫酸钙才可能结晶。该气田水中，含有较多的硫酸根离子（浓度大于碳酸氢根），因此存在两种类型的垢，碳酸钙垢经常在紧贴管壁的部位和垢层较薄的部位。

（3）由于气田水中碳酸氢根离子存在较大波动，在形成碳酸钙的条件下，当水中的碳酸氢根离子突然变大时，部分的硫酸钙会变为更难溶的碳酸钙晶体；或者是含水含二氧化碳气流在油管发生突变（腐蚀、结垢引起的部位），由于气体流速发生变化，气流在该处发生滞留，二氧化碳、水汽与已经生成的硫酸钙反应，使得部分硫酸钙转化为更难溶的碳酸钙，在多次作用下，结晶的碳酸钙形成致密的薄垢层。

（4）液相中的凝析油含有较多的重组分，重组分的结晶促进了无机盐垢晶体的沉积和吸附，由于油管因突变或气液多相流动在内壁形成微观的毛糙面，晶核吸附在壁面，并以此形成结晶中心；同时油管温度、压力、气体流速、截面含气率等条件的变化打破了原有的热力平衡状态，在悬浮颗粒、杂质作用下加速催化结晶过程。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.7.024