煤层气井分散防固结-定期洗井工艺

罗凯 刘源 朱延茗 赵丹 尹海亮 刘新亮

1. 中国石油浙江油田分公司；2. 中国石油大学(华东)

蜀南地区二叠系煤层气田是中国南方地区首个规模化开采的煤层气田，海相地层地质条件比较复杂，与其他煤层气田常见井筒结垢情况不同［1-2］，本区块井筒结垢成分是以针铁矿，菱铁矿、黄铁矿及水解产物的难溶盐为主，同时还有了碳酸钙、硫酸钙、硫磺、石英砂等矿物。从分布空间来看，结垢类型与地质区块无显著相关性，丛式井组的不同井都存在巨大差异，给防治工作带来了挑战。

结合煤岩岩性分析，初步认为导致这一现象的原因主要是复杂的海相地层条件。本区块煤岩中含有2%～4%的铁矿类，采出水普遍含5～50 mg/L铁盐，随着压力和温度发生变化，铁盐水解产物与煤泥等固态颗粒固结在抽油杆、筛管、尾管、泵筒、油管等各个部分，严重影响了正常生产。

防垢技术主要有化学法、机械法、电磁法，这些技术基本能够缓解问题，保证油气田生产的正常进行。煤层气低成本开发策略限制了传统高成本方法在本区块的应用，以药剂配合特定加注工艺来实现防垢，是一种经济有效的治理策略。

1 实验评价方法

根据文献报道，铁盐结垢主要是水中CO2腐蚀管线内部所致［3-4］，与本区块非腐蚀井的高铁盐结垢有着很大差异。井筒内铁盐为主的结垢现象在国内外文献中均未见相关报道。大部分阻垢剂都是针对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等难溶盐类而研发，行业标准中阻垢剂的评价方法也均是针对上述类型矿物所制定，对于相应的铁盐结垢问题，业内缺少相应的评价方法，更多的研究则是停留在室内机理研究阶段［5］。因此，建立适宜的实验评价方法，对研究此类防垢技术具有重要意义。

1.1 分散性评价实验

在本区块的水分散体系中，悬浮颗粒物会导致透光率显著下降，随着悬浮颗粒物的合并和沉降，透光率上升，利用该性质判断水中悬浮颗粒的相对含量。将检泵捞出的超细煤泥与采出水按照体积比例1∶99混合，并在水中加入不同药剂。震荡摇匀后，置入分光光度计，在波长570 nm条件下考察体系沉降时间与透光率的关系，以此考察药剂的分散性。

1.2 分散体系中颗粒粒径分布及Zeta电位分析

动态光散射是测量纳米及微米颗粒粒径的有效方法，主要用于测定液体中颗粒物的粒径和Zeta电位。实验所用仪器为英国Malvern公司Mastersizer 2000 型激光粒度仪，光源为He-Ne激光器，入射角度90°。表面Zeta电位则使用Malvern Zetasizer Nano ZS90 电位分析仪。2项技术结合可以评价悬浮颗粒物的粒径分布及表面电荷强度，对药剂分散性机理进行初步探究。

1.3 固化程度评价实验

将检泵捞出的煤泥5 mL放入高硼硅材质100 mL比色管中，加入地层水95 mL和一定浓度的药剂。每隔5 d观察一次煤泥的流动状态。根据煤泥状态将煤泥的流动状态分为A～F共6个等级。

A级完全分散无固结。将比色管水平放置，煤泥流动性良好，轻微倒置即全部脱离底部，无附着。

B级具有初步黏滞性。将比色管水平放置，部分发生流动，但仍然有部分煤泥黏附在底部。倒置比色管，30 s内煤泥可全部缓慢流动脱离底部。

C级具有较强黏滞性。将比色管水平放置，轻微发生形变，大部分煤泥黏附在底部。倒置比色管后煤泥发生流动，但30 s内无法全部脱离底部。

中学阶段，学生尚处在被监护期，开展定向越野运动前要先获得监护人的允许才可向学校申请举办。但目前为止，定向越野运动在校园外的普及程度有限，许多监护人对定向越野运动缺乏足够的认识，监护人的不重视导致了学生参与定向越野运动的机会较少。

D级初步固化。将比色管水平放置，煤泥无形变，经过倒置、正置再倒置后，煤泥可以缓慢流动，但30 s内无法全部脱离底部。

E级中度固化。将比色管水平放置，煤泥固结在底部无形变，但摇动可破碎为较大的颗粒或絮状物，短暂悬浮在水中，10 s后迅速沉积至底部。

F级完全固化。煤泥固结在底部，摇动无法散开。

该分级法可半定量煤泥的固化程度及评价药剂阻止煤泥固化的效果。

2 实验结果分析

2.1 药剂分散性实验

当煤泥分散在水中时，会导致透光率下降，且水中煤泥浓度越高透光率越小，而透光率越小，煤泥的分散性越强。随沉降时间延长，水中煤泥会逐渐发生合并、沉降现象，导致透光率升高。因此，考察透光率-时间关系曲线是评价药剂对煤泥分散性的一种有效的方法。

实验选用二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMPA)、乙二胺四亚甲基膦酸(EDTMPS)、羟基乙叉二膦酸(HEDPA)、聚环氧琥珀酸(PESA)和马来酸酐-丙烯酸-2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸三元共聚物(AA/MA/AMPS)等5种药剂进行了不同浓度下的分散性实验，5种药剂在50～400 mg/L的4个梯度浓度下，透光率随沉降时间的变化如图1所示。实验结果表明，在药剂浓度为50 mg/L时，随着时间变化透光率最小的药剂是EDTMPS；药剂浓度为100 mg/L时，静置时间相同的情况下，EDTMPS的透光率略高于50 mg/L时的透光率，而AA/MA/AMPS和PESA透光率与50 mg/L时透光率相近；药剂浓度为200 mg/L和400 mg/L时，PESA、AA/MA/AMPS和EDTMPS的透光率结果相近，即分散性基本一致。总体来看，分散效果为EDTMPS＞AA/MA/AMPS＞PESA＞HEDP＞DTPMPA，并且添加药剂的分散效果皆远远大于不使用药剂。

图1 分散性实验Fig. 1 Dispersibility experiment

2.2 药剂的分散机理分析

药剂的分散性是抑制颗粒物合并聚集生长的重要因素［6-8］。动态光散射测定颗粒分散性实验结果如图2所示，药剂的加入均会显著改变悬浮颗粒物的粒径分布。在不使用药剂时，最大悬浮颗粒约为8 μm，而5种药剂的加入将最大可分散的悬浮颗粒的粒径值提升至50～300 μm。这一结果表明初步筛选的药剂均具有分散性，但不同的药剂仍有一定的差异。聚合物PESA和AA/MA/AMPS可将最大值为200～300 μm的颗粒分散至水中。分散性最差的为DTPMPA，能分散的最大颗粒仅有50 μm左右。实验结果表明，各种药剂对大颗粒的分散效果为AA/MA/AMPS≈PESA＞EDTMPS＞HEDP＞DTPMPA，都远远大于不使用药剂。这一结果和2.1部分的沉降实验结果基本一致。

图2 药剂对悬浮颗粒物的粒径分布影响Fig. 2 Influence of chemical agents on the size distribution of suspended particles

为了进一步阐明其分散机理，开展了颗粒表面Zeta电位测试实验，实验数据见表1。从分散体系动力学的角度来看，颗粒的分散主要是取决于表面电荷强度和空间位阻。如果颗粒的表面电荷小于−30 mV时，颗粒间的静电斥力较大，分散体系将会变得十分稳定；而颗粒的表面电位高于−30 mV，且没有足够的空间位阻的情况下，体系将会是一个动力学不稳定体系，分散体系可能在短时间内就会发生失稳沉降。 该体系的实测结果表明，药剂吸附至颗粒表面后，可以将Zeta电位由不使用药剂时的−5 mV降低至−8.5～−22 mV，其中导致Zeta电位降幅最大的药剂为EDTMPS(−22 mV)。由2.1部分沉降实验结果及图2粒径分布结果对比可知，虽然药剂PESA和药剂AA/MA/AMPS的Zeta电位仅有−16.7 mV和−17.2 mV，但其悬浮颗粒物的能力却高于EDTMPS。聚合物类药剂除了具有较低的Zeta电位外，还具有一定的空间位阻效果，因此具有更好的分散性。

表1 药剂对悬浮颗粒表面Zeta的电位影响Table 1 Influence of chemical agents on Zeta potential on the surface of suspended particles

2.3 防煤泥固结实验

大量文献表明，微量铁盐的存在会影响阻垢剂的效果，甚至会出现“阻垢剂毒化”现象，导致阻垢效果大大降低。这种失效现象主要发生在有机膦酸类药剂上，其机理主要是铁盐与有机膦酸具有更高的络合强度，且络合后的分子不会参与碳酸钙及铁盐水解物的结晶过程，失去了产生晶格畸变效应的能力。另外，高价铁离子具有很高的电荷强度，会极大压缩分散剂的扩散双电层结构，导致分散体系失稳发生聚沉。因此，有机膦酸并不适用于这种高含铁盐颗粒的防垢或防固结［9］。

防固结实验结果见表2。实验前期，药剂的防固结能力没有显著区别。第15 d时，3种加入有机膦酸类阻垢剂的煤泥均达到了C级固化程度，与不加药剂基本一致；而同时期的PESA和AA/MA/AMPS聚合物类的药剂则具有B级固化程度，直到第30 d才达到C级。第40 d时，不同药剂之间防固结的性能具有显著差异，整体性能排序为AA/MA/AMPS＞PESA＞EDTMPS≈HEDP＞DTPMPA，都远远大于不加药剂。出现这种情况的原因，分析认为是有机膦酸类药剂在高铁盐环境下优先与铁离子发生络合形成了可溶态的盐，而未参与铁盐水解物的结晶过程。聚合物类药剂是由于其聚合物分子的挠曲和伸展带来了更大的空间位阻，使稳定晶格难以形成。 这一结果表明，有机膦酸类阻垢剂并不适合本区块的颗粒物分散。

表2 药剂对煤泥固结程度的影响Table 2 Influence of chemical agents on the consolidation degree of coal slime

3 现场应用

针对本区块煤粉多、铁盐含量高的特点制定了分散防固结-定期洗井策略，该方案的主体包含选用分散性、防固结性好的药剂，采用冲击加注及连续加注的方式，防止煤泥固结并定期洗井。本区块生产井的套压普遍低于0.5 MPa，而单井的日产量则约为1000～5000 m3，日产水量低于30 m3。生产采用抽油机或电潜泵经油管采水、套管采气的方式，经过计算可知环空内气体流速仅有0.2～0.3 m/s。井下电视成像结果证明，环空中存在静液面，无环状流和雾状流现象，整个系统具有较低的携液率。

3.1 环空冲击加注及加注周期优化

针对流速低、携液率低的特点，对日产水量低于0.2 m3的井，尝试了从环空冲击注入药剂。冲击加注涉及到加注周期的问题，根据现场试验结果可知，药剂进入低产水井时，并非按照顶替的形式从井口替出，而是由于气井自身存在大的起泡扰动，抽油杆抽提过程中的搅拌作用迅速扩散至整个管柱，并在第3 d以较低的浓度见于采出水当中。随后药剂出现波峰峰值，在第5～6 d开始下降。对于井深700 m、Ø121.4 mm套管的井进行一次冲击加注，药剂有效期大约可维持15～20 d。

3.2 环空连续加注及排量优化

由于冲击加药有效时间短，针对日产水大于2 m3的井，开展了小型隔膜泵连续加注工艺。连续泵注加药流程如图3所示。储存于药剂桶中的药剂经计量泵计量，通过管道经环空按0.5～3 L/h的流量连续缓慢注入套管水中。经现场的硝酸盐示踪剂测试表明，根据单井产况，加药液体入井率为61.4%～90.8%，入井液体损失率约为9.2%～38.6%，具体数据见表3。药剂利用率属于现场可接受范围内，方案具有可行性。

图3 连续泵注加药示意图Fig. 3 Schematic diagram of continuous injection and dosing

表3 连续加药井的药剂入井率Table 3 Chemical agent entry rate of continuous dosing wells

3.3 定期洗井携出颗粒物

结合粒径分布的结果可知，加入聚合物类药剂后200 μm以下颗粒基本可以被完全悬浮在水中，并随着采出水带至地面。然而正常生产过程中，产水量仅有2～10 m3/d，流速较慢，较大颗粒的矿物在低流速下难以携至地面。尽管结垢速率由于药剂的加入而大大降低，但滞留在井筒中的大颗粒长期堆积仍然会发生固结，因此需要定期开展洗井将颗粒物随水带出。采用洗井泵将含200 mg/L的药剂洗井液注入井中，并提高抽油机冲次，使采出水及注入水的流量达到平衡，替换约3～5 m3液体后，井口不再出现黑色颗粒时即可停止。该措施是分散防固结-定期洗井组合策略的最后一步。

3.4 工艺效果分析

通过超过300口冲击加注井数据统计可知，分散防固结-定期洗井策略在现场开展3年来，油管外附着物大幅减少，平均检泵周期由原有的879 d提升至1200 d，延长率到达了36%。对结垢非常严重的204-3井及结垢较为严重的201-2井开展连续加注工艺，前者检泵周期由最初的160 d提升至365 d以上，后者由210 d提升至600 d以上，延长率分别为240%及300%。综合来看，各类井的检泵周期普遍延至原来的1.36～3倍，该措施工艺有效地减少了检泵作业等相关费用，创造了良好的经济效益。

4 结论

(1) 通过分析颗粒粒径分布和表面Zeta电位的关系可知，有机膦酸类药剂仅能改变表面Zeta电位，而聚合物同时具有更大的空间位阻，因此PESA及AA/MA/AMPS聚合物类药剂最大可以将200～300 μm的颗粒分散至水中。

(2) 防煤泥固结研究表明，聚合物类PESA及AA/MA/AMPS防固结性能显著优于DTPMPA、EDTMPS、HEDP这3种有机膦酸类的阻垢剂。

(3) 针对蜀南地区二叠系海相地层煤层气井井筒结垢物中煤粉多、铁盐含量高的特点，制定了分散防固结-定期洗井策略，该策略包含筛选分散性和防固结性优异的药剂、采用冲击加注或连续加注方式注入药剂、定期洗井等技术措施。该方案现场应用3年，检泵周期普遍延长到原有的1.3～3倍，有效减少了检泵作业等相关费用，取得良好应用效果。