陕北某气田井筒堵塞原因分析

贾浩民，郝冠中，吕玉海，刘 洋，刘 伟，高旺斌

（1.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西西安 710016；2.成都孚吉科技有限责任公司，四川成都 610017）

陕北某气田已进入中高含水期，采出水中成垢阴阳离子含量高、天然气中存在H2S和CO2，导致井筒存在结垢和腐蚀现象。井筒堵塞严重，造成气井产量下降，严重影响气田稳产，亟需找出气田井筒堵塞的主要影响因素，为井筒解堵提供理论依据。

1 堵塞物组成及其影响因素分析

取三口典型气井的堵塞物（图1），对堵塞进行XRD射线频谱分析，分析结果见图2。图1a中气井堵塞物主要为结垢产物，主要组成为CaCO3；图1b中气井堵塞物主要为腐蚀和结垢混合物，主要组成为FeCO3、CaCO3、FeS和少量的SO2；图1c中气井堵塞物主要为腐蚀产物，主要组成为FeCO3、FeS和少量的SO2。由此可见，陕北某气田井筒堵塞类型多样，造成堵塞的原因有CaCO3结垢、CO2腐蚀、H2S腐蚀以及气井出砂。影响井筒CaCO3结垢、CO2腐蚀、H2S腐蚀以及气井出砂的因素较多，主要为生产制度、天然气组成、采出水水质[1–2]。

图1 气井堵塞物外观

图2 气井堵塞物XRD分析图谱

2 堵塞原因分析

2.1 基于灰关联分析的堵塞原因分析

2.1.1 灰关联理论

关联度是指两个系统之间的因素随时间或不同对象变化的关联性大小的量度。系统发展过程中，若两个因素变化趋势一致，即同步变化程度较高，则二者关联程度较高；反之，则较低。灰色关联分析方法作为衡量因素间关联程度的一种方法[3]，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，即“灰色关联度”。灰色关联度在0～1之间，并且灰色关联度数值越大，则表明母因素受形成序列的子因素的影响程度越大[4]。

2.1.2 堵塞影响因素分析

影响陕北某气田井筒结垢的子因素很多，如水质组成、天然气组成和生产工况，包括影响井筒堵塞行为特征的因素（井筒温度、井筒压力、产气量、采出水的pH值、Cl–含量、Ca2+含量、Mg2+含量、HCO3–含量、SO42–含量、Fe含量、矿化度以及天然气中H2S含量、CO2含量），即子因素。但没有直接的参数表征陕北某气田井筒堵塞特征的因素，即母因素。因此，对典型堵塞气井的生产曲线进行分析，发现气井稳定生成一段时间后，出现堵塞，气井产量下降，堵塞后气井产量再次出现稳定，如图3所示。

图3 典型堵塞气井生产曲线

选取结垢期间日均减产量作为表征陕北某气田井筒结垢特征的参数，即母因素。本文以气井减产前15 d日均产气量的平均值作为堵塞前产气量，以气井减产后15 d日均产气量的平均值作为堵塞后产气量，堵塞前后产气量之差作为产气下降量，产气下降量除以堵塞时间即为日均减产量。以22口典型堵塞井为研究对象，选取18个可能影响气井井筒堵塞因素为子因素，22口典型堵塞气井堵塞影响因素描述性统计见表1。使用灰色关联分析进行母因素与子因素之间的灰色关联度计算（图4），舍弃灰色关联度较小的影响因素，由图4可知，由日均减产量作为堵塞参数得到影响气井井筒堵塞结垢因素由强到弱为：pH值＞日均产水量＞压差＞CO2含量，其他因素影响不明显。pH值能够影响CaCO3结垢[5–6]和CO2[7]、H2S腐蚀[8]；产水量影响井筒结垢堵塞，产水量越少，井筒结垢的机率越小，产水量越大，井底结垢堵塞的机率越大；压差和CO2含量对CaCO3结垢影响明显，与陕北某气田以CaCO3堵塞为主的实际情况相符。

图4 气井堵塞影响因素与日均减产量的灰色关联度

表1 22口典型堵塞气井堵塞影响因素描述性统计

虽然陕北某气田井筒堵塞主要由CaCO3结垢引起，但影响因素中Ca2+含量和HCO3–含量的影响并不明显，可能是Ca2+和HCO3–与其他因素之间作用，共同引起结垢，故需对结垢影响因素之间的交互作用进行分析。

2.2 基于主成分和灰关联的堵塞原因分析

2.2.1 主成分分析理论

在解决实际问题时，为尽可能全面地描述研究对象需收集更多信息，但信息相互之间关系复杂，过多的信息也给描述研究对象造成阻碍。主成分分析法利用降维的思想，排除众多指标信息中相互重叠的部分，通过一系列的线性变换把多个指标转化为少数几个综合指标（即主成分）[9]，这些主成分在不同程度上反映所研究问题指标的某些信息。全部主成分能够反映研究问题的大部分信息，且所含信息互不重复。通过主成分分析使得研究对象信息损失较少（推荐累计贡献率达到80.0%以上），达到减少变量、简化研究问题的目的。

2.2.2 井筒堵塞因素主成分分析

按照文献中的主成分分析步骤[10]，对表1中22口典型堵塞井进行因素相关性检验、主成分的提取、主成分载荷及得分分析，最后分析主成分得分与日均减产量之间的灰色关联度。

通过计算可得，前6个主成分特征根均大于1，且方差累计贡献率为85.9%（＞85.0%），包含原始指标大部分的信息量[9]，认为主成分能够有效反映原始变量的信息，故提取前6个因子为主成分，即原来的18个影响气井结垢指标可以综合成6个公共因子，分别命名为PC1–PC6，并计算22口典型堵塞气井的主成分得分，旋转后的成分载荷矩阵见表2。

表2 主成分分析旋转后的成分载荷矩阵

第一主成分PC1主要综合矿化度、Ca2+、Mg2+的信息，均呈正向分布，反映阳离子的影响；第二主成分PC2主要综合堵塞前产气量、合计产水量、产气下降量的信息，均呈正向分布，反映生产制度的影响；第三主成分PC3主要综合温差、井深、井底温度的信息，呈正向分布，反映温度–压力的影响；第四主成分PC4主要综合CO2、井底压力和压差的信息，仅CO2呈正向分布，压力变化影响CO2在水中的溶解度，直接影响CaCO3结垢；第五主成分PC5主要综合SO42–、HCO3–、H2S和pH值的信息，除H2S外均呈正向分布，反映阴离子的影响；第六主成分PC6主要综合生产时间和Fe2+的信息，均呈正向分布，反映腐蚀产物或井筒粗糙度的影响。对比各种主成分，影响气井井筒结垢主要是阳离子含量、气井生产制度、温度–压力变化、CO2压降、成垢阴离子和腐蚀产物等六方面。

2.2.3 主成分得分对气井堵塞的影响

以22口典型堵塞气井的主成分得分为子因素，以日均减产量为母因素，计算主成分得分与以日均减产量之间的灰色关联度。由图5可知，陕北某气田井筒结垢影响强弱排序为：PC2＞PC5＞PC3＞PC1＞PC4＞PC6。生产制度和阴离子影响较为明显，其他因子影响不太明显。生产参数因子中包含产水量和产气量等信息，是主要影响因素；成垢阴离子中包含pH值和成垢阴离子等方面信息，HCO3–含量与CO2含量有直接关系，故阴离子影响较大，说明陕北某气田井筒堵塞是由阴离子控制。

图5 主成分得分与日均减产量的灰关联分析结果

3 井筒堵塞机理分析

陕北某气田井筒堵塞机理为pH值、CO2含量和井筒压降相互协同作用引起，分别对气井以腐蚀为主的气井堵塞和以结垢为主的气井堵塞进行机理分析。

3.1 以腐蚀为主的气井堵塞机理

CO2溶解于水形成H2CO3，溶液中H2CO3与Fe发生反应，引起腐蚀，主要反应式如下：

CO2+ H2O → H2CO3

H2CO3→ H++ HCO3–

HCO3–→ H++ CO32–

2H++ Fe → Fe2++ H2↑

Fe2++ CO32–→ FeCO3

总腐蚀反应为：

CO2+ H2O + Fe → FeCO3+ H2↑

pH值和CO2含量能够直接影响井筒CO2腐蚀，井筒CO2分压范围内，分压越高，腐蚀越严重。CO2腐蚀为阴极控制的反应，pH值对CO2腐蚀影响见表3。

表3 CO2腐蚀阴极反应过程

3.2 以结垢为主的气井堵塞机理

CaCO3结垢方程式为：

Ca2++ CO32–= CaCO3↓

水中CO32–离子的浓度受水的pH值和碳酸平衡状态的影响，碳酸各级反应的平衡式为：

CO2+ H2O = H2CO3；

H2CO3⇌ HCO3–+ H+；

HCO3–⇌ CO32–+ H+；

可以得到：

2HCO3–⇌ CO32–+ H2CO3

或：

2HCO3–⇌ CO32–+ H2O + CO2↑

上式为水中三种状态碳酸：游离碳酸（CO2、H2CO3）、重碳酸盐碳酸（HCO3–）和碳酸盐碳酸（CO32–）的统一化学式。水中的CO32–离子同时参与碳酸平衡和CaCO3溶解平衡两方面的反应，所以油田水中CaCO3的溶解平衡可以用下列可逆反应来表示：

Ca2++ 2HCO3–⇌ CaCO3↓+ H2O + CO2↑

当反应达到平衡时，油田水中溶解的CaCO3、CO2和碳酸氢钙量保持不变，这时不会在管道、用水设备和油井的岩隙中产生结垢现象。

影响CaCO3溶解平衡的因素有pH值、压差和CO2含量。

pH值对陕北某气田井筒结垢主要表现为：在低pH值范围内，水中只有CO2和H2CO3；在高pH值范围内只有CO32–离子；在中等pH值范围内HCO3–离子占绝对优势，当pH=8.34时达到最大。因此，水的pH值较高时就会产生更多的CaCO3沉淀；反之，水的pH值较低时，则CaCO3不易产生沉淀。

压差和CO2含量对陕北某气田井筒结垢主要表现在：当水中CO2含量低于CaCO3溶解平衡所需含量时，CO2溶解反应式向右边进行，CaCO3沉淀结垢量增加。反之，当水中CO2含量超过CaCO3溶解平衡所需要含量时，CO2溶解反应式向左边进行，这时原有的CaCO3垢会逐渐被溶解。所以，水中CO2含量对CaCO3的溶解有一定影响。水中CO2含量与水表面气体中CO2的分压成正比，当油田水系统中任何有压力降低的部位，气相中CO2分压都会减小，CO2从水中逸出，导致CaCO3沉淀。因此，井底至井口压差越大，采出水结垢趋势越强。

4 结论

（1）引起陕北某气田井筒堵塞的原因主要有井筒腐蚀、CaCO3结垢和气井出砂。

（2）基于灰关联分析的井筒堵塞原因分析可得，引起气井堵塞的原因排序为：pH值＞日均产水量＞压差＞CO2含量。

（3）基于主成分分析，将影响气井堵塞的因素综合为六个因素，其中生产制度和阴离子含量对井筒堵塞影响明显。

（4）pH值、CO2含量和压降相互协同作用是引起陕北某气田井筒腐蚀堵塞和结垢堵塞的主要原因。