合兴场气田须二气藏气井结垢主控因素与防治试验评价研究

王承陆

中石化西南油气分公司川西采气厂

一、基本地质特征及开发概况

合兴场须二气藏储层致密化程度高，储层砂岩孔隙度普遍小于8%，渗透率区间值一般低于0.1md，其基质孔、渗性差；储集类型复杂多样，主要以裂缝－孔隙型、孔隙－裂缝型为主，非均质性强，地压系数均大于1.6 MPa/100m，地层温度97～1170C。开发实践表明须二气藏的水体活跃，气井在投产初期产水量较小，水型以Na2SO4型为主，Cl-浓度和总矿化度均较低；气井进入产水阶段后开始大量出水，水性发生变化，主要为CaCl2型，Cl-离子浓度上升，一般为30000-50000mg/L,总矿化度80000mg/L左右。气井天然气组分以烃类气体为主，烃类气体占气体总量的98.3917%，其次是CO2和N2及其它非烃类气体，CO2平均占总量的0.9762%。至2013年该气藏采出程度仅为10%左右。困扰气井正常生产的主要因素之一是地层结垢导致气井渗透性能下降，成为产能下降重要原因之一；油管结垢在气井产水开采阶段成为其它后续措施的主要障碍。

二、气井结垢的机理与影响因素

合兴场气田须二气藏所产地层水为CaCl2型，天然气中CO2含量约占1%左右，近几年开始陆续进行修井作业，从取出的油管内、外壁直接证实了存在地层水结垢，其主要成分为CaCO3，平均约占90%以上，其次为MgCO3，以及少量CaSO4，微量FeCO3等其它物质,垢样有固定的晶格，坚硬而致密，是一种具有离子晶格的盐。修井中更换了新油管，使井筒内畅通无阻，但在测试替喷中产能较低，采用CHY-I型低毛管降阻酸实施酸化解堵作业后，气井测试产能显著上升，间接表明地层同样存在结垢现象。

图1 CaCO3溶解量与PCO2关系图

1.气井结垢的机理

在合兴场须二气藏的气井储层中，地层水含有一定量的Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3＋、CI－、SO42-、HCO3－等多项离子，平均总矿化度为81829mg/L，PH值在6左右，成为结垢产生的必要条件。在储层条件下，溶解的钙（Ca2+）和HCO3－与固体的碳酸钙（CaCO3）、CO2处于某种平衡状态。图1是不同CO2分压下得出的CaCO3溶解度曲线。气井在排水采气生产过程中，地层水和天然气在地层中从孔隙、微裂缝、大裂缝流向向井底，再沿着油管上升流动，直至采出至地面管线输送，处于压力不断下降的环境中，地层水中的CO2不断逸出，系统中的CO2分压减小时，在同样稳定压力下，离子平衡向有利于CaCO3沉淀生产方向移动，化学反应向生成CaCO3盐垢的方向进行。

2.结垢的影响因素

碳酸钙结垢是受多种因素影响的。油气田条件下在岩芯孔隙内垢形成速度快，在电子显微镜下观察认为，这种碳酸钙结晶主要以异相成核为主，晶体紧靠岩石表面生长，而不在岩石孔道内流动的盐水中形成，并可在渗流通道中多处多次发生。

（1）、PH值的影响。合兴场须二段气井产水早期地层水的PH值在5.4左右，后期上升到6.5左右。随产水逸出的CO2越多，PH值的逐渐升高，在碱性条件下HCO-3转变为CO32－，CO32－与Ca2+结合成CaCO3沉淀，即气井开采过程中因条件改变自然结垢。

（2）、杂质的影响。井内流体中含一定量的杂质微粒，作为晶核能够促使碳酸盐在较低的过饱和条件下析出晶体。悬浮的杂质微粒与析出的碳酸盐晶体，在油管中受到沿管柱的切力以及内表粗糙点（段）附着物的粘结作用，使以杂质微粒为主和析出的碳酸盐结晶迭加在一起，在管壁某些滞留区沉积并聚集起来，如腐蚀管壁的坑点、油管丝扣连接处等。即粗糙的管壁及其它杂质对结晶过程有强烈的催化结晶作用和沉积作用，从而导致流体在较低的饱和度下便析出沉淀，产生诱发结垢。

（3）、温度的影响。研究表明除CaSO4系列垢的溶解度随温度的升高急剧下降，而其它系列的变化较小，CaCO3及其它并不随温度升高而增大溶解度，呈单向变化趋势。

（4）、压力的影响。CaCO3在水中存在如下溶解平衡为：CaH⁃CO3↔CaCO3＋CO2＋H2O，当温度升高，平衡向右移动；压力下降，平衡也向右移动，产生CaCO3沉淀，由于井底温度一般较高，容易产生沉淀，系统中任何有压力降的部位，如井底附近及主要渗流裂缝，井筒等都会导致CO2分压降低从而产生CaCO3沉淀。

（5）、流体动力学因素的影响。影响结垢的流体动力学因素主要是液流形态（层流、紊流）、流速及其分布。流速增加使液流搅动程度增大，沉淀晶体凝聚加剧，促使晶核快速形成。在油气田环境中，油管线内壁不光滑表面，腐蚀表面附近易出现紊流，使局部过饱和度增大而产生结垢；井底区域紊流剧烈，更易产生结垢。

三、气井结垢的预测

由于地层水结垢的不可避免性，需要准确及时地预测合兴场地层水的结垢趋势，以利于及时采取防治措施。合兴场气田产出的地层水，由于高矿化度存在大量自由阴、阳离子，因而普遍存在缔合现象。利用W.F.Langerlier提出饱和指数判断水中CaCO3的稳定性，结垢趋势判定条件如下：

①、SI＜0，地层水为不饱和溶液，无垢的析出或原有垢继续溶解；

②、SI＝0，地层水为饱和溶液，垢的析出和溶解达到平衡；

③、SI＞0，地层水为过饱和溶液，有垢从地层中析出。

Rogers等人通过推算，对于大多数油气生产井的地层水来说有：

SI＝log(CatA2/PVCO2)＋5.89＋1.549×10－2－4.26×10－4T2－7.44×10－5P

－2.526Si1/2＋0.920Si

式中：Cat（摩尔）＝(mg/L Ca)/40000；A（摩尔）＝(mg/L HCO-3)/61000；

Si（摩尔）＝电导率(μΩ/cm)/66667=(mg/L TDS)/58500；VCO2=气相中CO2的体积百分数；

P为压力，单位1bf/in2；T为温度，单位℉；TDS（mg/L）约等于0.88×电导率。

依据公式计算结果作图表明川合127井的井底结垢趋势最大（见图2），从井底向上至井口其SI值逐渐减小，并在一定深度时不再出现结垢现象，此时SI为0，此点再向上SI则为负值。由于地层水结垢受多种因素综合影响，统计表明在油气田生产条件下SI＜1.1-1.4时，在无垢的系统中不易结垢，尤其是SI＜-1.0时，腐蚀往往成为主要问题，这与127井口附近油管腐蚀断落结果是相符的。

图2 川合127井SI值与压力、井深关系曲线

在无抑制剂情况下SI在1.1～1.4为临近结垢的值，依据计算可大致判断从1750米以下即为油管结垢的深度，并随井深增加其结垢能力越强。127井第一次修井后生产测井遇阻段井深1907米，与计算结果误差约150米。

四、药剂试验评价与加注原则

1.防、除垢方法的优选

鉴于合兴场气田须二气藏气井结垢导致产量下降，且无法采取后续井下作业措施的情况，必须进行防治以利于气井的正常开采。国内外对地层水结垢的防治方法分为物理防垢和化学防垢法。物理防垢属于纯机械作业方式，需要专用作业机械及人员，操作成本相对较高。目前较广泛采用的是化学防垢法，其优点是便于操作，成本较低。

2.抑制剂试验评价

合兴场气田须二气藏为整装性气藏，具备气井各单井水样分析结果接近的有利条件。按照厂家提供的抑制剂使用参数，选择其中一口川合127井产出水样进行试验评价。通过防垢效果试验、腐蚀性试验、岩心伤害试验、失活试验等多项指标试验评价，最终评定合兴场须二气藏气井的水垢防治工作液筛选为一种含酸的复配物质，该复配液具备避免抑制剂与地层水在井眼附近起反应形成再沉淀而堵塞气流通道的重要特点，其PH＝1，与沉积物反应式：2H++CaCO3＝Ca2++H2O+CO2↑

工作液中复配有高温酸性缓蚀剂，降低H+对井下管串的腐蚀；同时还配有在高温及酸性条件下，起泡排水能力较强的化学排水剂，该型化排剂在90oC，PH=1的液体中起始泡高185mm，3分钟后维持泡高165 mm；复配液中的螯合剂、分散剂可使溶液中的各种离子有效稳定地溶解于水，以帮助排出井筒溶液。

3.抑制剂的加注原则

根据合兴场须二气藏的生产井结垢物分布，可采取井底净化施工，以解除井下堵塞，提高其产气、产液能力。实施抑制剂加注方案的原则为：用高压泵周期性把适量抑制剂通过套压环空注入井内，可同时防治管柱及地面设备结垢；必要时可把抑制剂挤入地层，并适时关井利于药剂与底层结垢反应后，随恢复生产时流体返排带至井口分离处理。

为避免形成不溶解物质的再沉淀堵塞，通常可以采取一些预防措施，以保证地层水中的Ca2+、Fe3＋离子处于低浓度。挤注时可选用与地层水配伍的前置液，抑制剂挤注完毕后可泵入超量后置液，以把抑制剂较深地挤入地层。为防止由任何原因造成的颗粒堵塞，还可使用一台小孔径尺寸（＜2μm）的过滤器对处理液作过滤。

五、认识与建议

1.合兴场须二气藏气井在采气过程中，因产地层水结垢的主控因素其一是因近井地带地层压力下降较大，致使CO2分压下降并使地层水中溶解的CO2较多地逸出，以及地层水的PH值增高，产生了沉积在井眼附近地层的孔喉、裂缝内及油管壁以CaCO3结晶为主的自然结垢；其二是粗糙的管壁及其它井内流体中含一定量的杂质微粒杂质对结晶过程有强烈的催化结晶作用和沉积作用，从而导致流体在较低的饱和度下便析出沉淀，在晶体生长过程中，杂质微粒也会不断地向晶体沉积，其结果形成诱发结垢。结垢程度与温度、压力、PH值及流体动力学因素等综合影响相关。

2.在常规采气条件下，应用饱和指数法对碳酸钙的结垢预测表明，其井下油管结垢点大致从1750米开始，并随井深增加饱和指数SI上升其结垢能力增强。

3.防、除垢方法适合成本较低的化学防垢法。试验评定合兴场须二气藏气井的水垢防治工作液筛选为一种含酸的复配物质，采用周期性加注此类抑制剂的井底净化施工，能有效地降低井眼附近的地层结垢堵塞渗透性能下降问题，是目前条件下较为有利的方案。

[1]惠晓霞.油田化学基础.石油工业出版社.1988.

[2]张宏祥.气井排水采气过程中碳酸钙垢的形成与防止.石油与天然气化工.1993,1.

[3]王立.油田水结垢研究.山东.石油大学学报(自然科学版).18卷第1期.1994.

[4]陈绍炎.水化学.水利电力出版社.1989,28.

[5]Rogers P S Z.Thermodynamics of Geothermal Fluids.report LBL-12356,1981.