某区块浅层煤层气井结垢普查及成垢原因研究

孟培伟，李志臻，王 滨，徐 浩，麻 路，郭 琦

(1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2. 中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034)

0 引言

油气田生产中，储层流体到达地面的流动过程中，温度、压力和油-气-水平衡状态的改变极易使油井发生结垢[1-2]；同时由于泵体部分温度较高，流体遇到泵体后其类型改变等因素也会导致结垢[3-4]。井筒结垢会对油气田生产造成严重影响，降低油气田产量甚至停产，同时损害各类生产设备[5-6]。

某采气厂是浅层煤层气的重点生产单位，天然气产量约为8×104m3，目前已有183口井投入了生产，生产情况良好。但是随着生产的进行，部分煤层气井产水量逐渐增大，由于出水使得气井结垢严重，目前共检泵47井次，其中17次有结垢，且结垢情况大于1 mm的出现11次，其中A1-3井、A9井组、A4井组结垢较为严重。气井结垢严重影响了生产。因此，为了确保气井正常生产，开展气井结垢成因研究，对于后期防垢技术设计，稳定天然气产量具有极其重要的意义。

1 概况

1.1 生产概况

某浅层煤层气开发区块勘查区域东西长40 740 m，南北宽8 249～21 210 m，矿权面积625.6 km2。该区块有页岩气井3口, 煤层气井190口，目前开井的页岩气井为2口, 煤层气井为183口, 占总井数的94.83%。随着排采的不断深入, 见气井数的增加和部分井提产措施的见效, 煤层气井的日产量由起初的3.5×104m3增加到现在的8×104m3，达到3 000 m3/d以上的煤层气井有4口, 2 000～3 000 m3/d的煤层气井2口, 1 000～2 000 m3/d的井有24口，气井生产情况见表1。

表1 某区块气井生产情况

煤层气井的产水量会随着生产逐渐升高, 截止目前煤层气井每日总产水量达到181.4 m3, 单井平均产水量约为1.0 m3/d。其中单井产水量大于10.0 m3/d的井有9口，由于产水量大，较难进行排水降压，目前已关停6口井。气井产水情况如图1所示。

图1 气井产水情况Fig.1 Water production of gas wells

1.2 气井结垢调查

对该区块煤层气井的结垢情况进行了调查，发现气井普遍存在结垢现象，调查结果如图2所示。

图2 气井结垢情况统计Fig.2 Gas well scaling statistics

调查发现，发生结垢现象的162口井中有46口井结垢情况严重，比例为28.40%；有59口井中等程度结垢，比例为36.42%；有57口井轻度结垢，比例为35.18%。从统计结果可知，该区块的气井结垢现象已经非常严重，采取有效措施防垢已经刻不容缓。

2 现场情况分析

2.1 区域水质分析

为了研究该区块煤层气井筒结垢机理和防垢措施，须对生产现场水质进行分析，确定水型，判断

可能成垢的离子成分及含量，为确定防垢技术和防垢工艺提供依据[7]。在现场采集了出现结垢现象的各气井水样并进行分析，测定结果见表2(以A1-3井为例)。

表2 A1-3井水样测定结果Table 2 Water sample measurement results of well A1-3

2.2 垢样分析

为了验证煤层气井出水水质对结垢的影响，以A1-3井为例对现场采集的垢样进行了分析，以确定水质与垢样的吻合程度[9]。对现场垢样进行了相应的X射线衍射分析及化学分析，确定出垢样的主要成分。

2.2.1 X射线衍射分析

将从现场取回的垢样在60 ℃的干燥箱中烘干后，制备成粉末并通过100目筛。制备好的垢样装在细口称量瓶中，放在干燥器中备用，随后进行X射线衍射分析[10]。A1-3井垢样的X射线衍射图谱如图3所示。

图3 A1-3井垢样的X射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction pattern of scale samples from well A1-3

由表3可以看出，X射线衍射结果表明垢样的主要成分为碳酸钙以及部分腐蚀产物，主要为Fe2O3和FeS。从气井检泵情况来看，油管和抽油杆大多数是结垢后腐蚀严重，没有结垢处表面是光滑的，这说明结垢是影响生产的主要原因。通过对垢样中的微生物检测发现，每克垢样中SRB的含量大于10万个，说明垢样中的硫化亚铁大多数是SRB引起的，也有部分是水质本身引起，因为采出水中也检测出硫化物(见表2)。

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

2.2.2 金属离子含量分析

对垢样进行金属离子含量分析，使用原子吸收分光光度计测定[11]，测定结果如表4所示。

表4 各金属离子含量Table 4 The percentage of metal ions in scale sample

从测定结果可知，垢样中的铁含量普遍较高，经过分析可知铁有2个来源，主要来源为地层水中铁的析出(采出水中的铁含量不高，因为水样是井口采集的，铁在井下已经沉淀析出了)，另一个来源为腐蚀产物，说明管线中局部位置有一定的腐蚀，铬和锰也来源于管材的腐蚀；垢样中也有较多的碳酸钙沉淀，并且气井中不是均匀结垢，垢样分析结果表明抽油杆上结垢较为严重，这可能和气井中的水流状态、温度等因素有关系。

2.2.3 阴离子含量分析

使用离子色谱对垢样进行测试，分析其阴离子含量[12]。测试结果如图4所示。

图4 垢样盐酸溶解后滤液中阴离子离子色谱分析谱图Fig.4 Anionic ion chromatographic analysis spectrum of filtrate after hydrochloric acid dissolution of scale sample

2.3 流型对结垢的影响

在油气生产开发过程中，流体的流型是油气田结垢和防垢的一个重要参考依据[14]。油气田大部分结垢是在湍流的状态下发生的，流体在管道喉管、井下安全阀等部位流过的时候都是湍流状态，这些部位出现的结垢会给油田生产带来严重的减产问题[15]。为了验证湍流对结垢的影响，进行了湍流与结垢关系的室内实验研究。

在实验溶液不加阻垢剂的情况下，分别用不同的搅拌速度(雷诺数随之变化)进行1 h的搅拌，得到不锈钢环表面的沉淀质量如图5所示。从图5可以清楚地看到，随着雷诺数的增加，不锈钢表面的碳酸钙沉淀也越来越多，也就是湍流状态下结垢会更多。同时在层流和过渡区阶段(雷诺数<40 000)，随着雷诺数的增加，碳酸钙在不锈钢表面的增长率比在湍流阶段(雷诺数>40 000)高。

图5 沉淀量与雷诺数关系图Fig.5 Relationship between precipitation amount and Reynolds number

2.4 管材粗糙程度对结垢的影响

为了研究管材表面粗糙程度与结垢的关系，对不同粗糙程度的钢片进行了结垢情况评价。将不同表面粗糙度的钢片分为3组(如表5所示)，清洗干净后竖直放到A1-3井模拟采出水中进行结垢实验，实验温度设为80 ℃，实验中，要将试片完全浸没在溶液中，并不断向反应体系中添加模拟采出水，保持溶液体积不变，在一定时间后取出，风干，称重，求取增重[16]，实验结果如图6所示。

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

图6 钢片不同时间下的增重Fig.6 Weight gain of steel sheet at different time

从图6中可以发现，1～3组试片的质量变化的总体趋势是一致的，刚开始时质量基本无变化，后面逐渐增重，最后重量增加缓慢并逐渐稳定。粗糙度越大，结垢速度越快且结垢量越大，这是因为氧化膜在表面形成后，会变得更加不平，有助于成核和附着，缩短了结垢诱导期，提高了结垢速率，且在流动过程中，较高的粗糙度有利于结垢产物的沉积[17]。

图7所示是第3组钢片在结垢溶液中恒温4 h, 12 h和24 h后的电镜扫描图[16]。

图7 钢片的表面形貌Fig.7 Surface topography of steel sheet

从图7可以看到，4 h后钢片表面具有很多小颗粒，主要为铁的氧化物，此时还未在表面形成氧化薄膜；12 h后钢片表面氧化膜已经基本形成，还有少量的CaCO3结垢颗粒；24 h后成垢颗粒明显增多，CaCO3大量不均匀地分布在钢片表面。

根据图7的分析，可把整个过程分为3个阶段。首先是氧化膜的形成(0～4 h)，钢片放入水中后，由于腐蚀作用形成氧化物，钢片的一部分Fe变成Fe2+溶解在溶液中, 此外CaCO3垢开始孕育, 为结垢诱导期，但还未形成结垢, 所以试片未发生增重；其次是结垢期(4～24 h), 此时氧化膜已经形成, 阻止了腐蚀进展, 降低了腐蚀速率；最后是稳定期(24 h之后)，氧化膜全面形成, 腐蚀速率最低，试片表面结垢沉积经历快速增长后也趋于稳定, 试片平均增重缓慢。

3 结垢原因分析

由水质和垢样分析得知该区块主要为碳酸钙垢，促使碳酸钙生成沉淀的主要外部因素依次为水质、pH值、温度压力、管材的材质、流速流型等。

3.1 水质的影响

3.2 pH值的影响

3.3 温度和压力的影响

3.4 管材质量的影响

由于Cl-、溶解氧、细菌等腐蚀介质成分的作用，若钢材质量较差，表面易产生细小腐蚀点，使得后期更易结垢，主要是由于钢材表面先腐蚀的部位更容易作为沉积结垢成分的成核中心[20]；反之，如果管材质量较好，不容易产生点蚀，管材表面光滑，可能结垢情况不会严重。

3.5 流型的影响

流体的流型中湍流使水质点相互碰撞，液流搅合程度随流速增加而增大，加剧了沉淀晶体的凝聚，形成晶核。气井生产过程中，管线较为粗糙或发生腐蚀后，导致流体出现湍流，使局部过饱和度增大而易产生CaCO3结垢[18]。

4 结论

1)研究发现研究区块煤层气井普遍存在结垢问题，发生结垢现象的162口井中有46口井结垢情况严重，比例为28.40%；有59口井中等程度结垢，比例为36.42%；有57口井轻度结垢，比例为35.18%。

2)水质分析看出研究区块采出水的水型大多为重碳酸钠型，主要为地层水。结垢部位普遍在泵的上部，这是因为压力降低和流线变化引起脱气而产生结垢，结垢类型为碳酸钙垢，同时有腐蚀产物氧化铁和硫化亚铁。

3)产水量大的井，水流的雷诺数越大，脱气量会变大，结垢量会增加。

4)结垢与钢材型号有一定的关系，结垢的内因是水质，水的矿化度越高，结垢越严重；易腐蚀的钢材，粗糙度越大，越有利于垢的沉积，结垢速度越快。