何 競(jìng),李展峰
(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津 300459)
天然氣開發(fā)過程中,地層水礦化度高(20 000~280 000 mg/L),成垢離子含量高,同時(shí)天然氣中又含有一定量的CO2(平均約4.2%)和 H2S(平均含量872 mg/m3),極易造成井筒腐蝕、結(jié)垢堵塞。在氣井大修作業(yè)、通井、氣井解堵時(shí),先后對(duì)478口氣井進(jìn)行通井作業(yè),其中通井遇阻井321口,占總通井?dāng)?shù)的67.2%,導(dǎo)致部分氣井無法正常生產(chǎn)。
通過化學(xué)方法和物理手段,研究井筒堵塞物的組成及形成機(jī)制,為抑制堵塞物的生成和采取有效解堵措施提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)所用井筒堵塞物直接從井筒內(nèi)刮取,密封保存,防止樣品曝氧氧化及吸水后的組成性質(zhì)發(fā)生改變。固體樣品中的無機(jī)組成分析主要采用化學(xué)容量法,對(duì)堵塞物的有機(jī)成分分析主要采用石油醚萃取后,吹脫石油醚溶劑進(jìn)行紅外譜圖分析方法。堵塞物組成性質(zhì)分析流程見表1。
表1 堵塞物組成性質(zhì)分析流程
對(duì)氣井井筒堵塞物進(jìn)行組成性質(zhì)分析,并將堵塞物用石油醚萃取后進(jìn)行X-衍射分析,進(jìn)一步對(duì)堵塞物中無機(jī)成分進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表2。石油醚萃取堵塞物后X-衍射分析結(jié)果顯示,井筒堵塞物中主要是FeCO3和CaCO3,分析結(jié)果與化學(xué)容量法所得到的結(jié)果一致。
表2 井筒堵塞物石油醚萃取后X-衍射分析結(jié)果 %
上述井筒堵塞物成分分析結(jié)果表明,井筒堵塞物主要是腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物、有機(jī)物和少量采氣過程中由儲(chǔ)層帶來的黏土礦物、白云石等。下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,研究堵塞物的來源以及形成機(jī)理。
參照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì) J氣田水質(zhì)進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表3。在水質(zhì)分析基礎(chǔ)上,采用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法分別預(yù)測(cè)采出水沿井筒的碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì),分析結(jié)果見圖2。
表3 水質(zhì)分析結(jié)果 mg/L
由表3可知,產(chǎn)出水礦化度高,成垢離子含量大。隨著溫度和壓力的增加,采出水在井筒溫壓系統(tǒng)下存在嚴(yán)重的硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì),當(dāng)井深達(dá)到900 m左右時(shí),采出水有碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì),且隨著井深的增加,結(jié)垢趨勢(shì)逐漸加劇(圖2)。由此可知,井筒堵塞物中 CaCO3的來源主要是氣田產(chǎn)出水在井筒溫壓條件下的結(jié)垢產(chǎn)物。
圖2 采出水沿井筒結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)
實(shí)驗(yàn)采用氮吹儀吹脫法模擬井筒條件,將 J氣田所用緩蝕劑用氮吹儀吹脫48 h,然后將吹脫后的殘留組分進(jìn)行紅外譜圖分析,再將萃取過堵塞物的石油醚進(jìn)行吹脫,然后進(jìn)行紅外譜圖分析。最后將緩蝕劑殘留組分的紅外譜圖與堵塞物萃取物的紅外譜圖進(jìn)行對(duì)比,確定井筒堵塞物中的有機(jī)成分,分析結(jié)果見圖3和圖4。
圖3 氣井緩蝕劑殘留組分的紅外譜圖
圖4 石油醚堵塞物萃取堵塞物的紅外譜圖
由圖3和圖4可知,緩蝕劑在氮吹儀吹脫48 h后,輕組分被氣流帶走,剩余的重組分黏稠,粘附于容器表面很難清除;投加緩蝕劑的井底,快速氣流通過時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生此種效果。紅外譜圖分析顯示,堵塞物中的有機(jī)成分主要是壬烷基同分異構(gòu)體、多乙烯多胺衍生物、吡啶衍生物以及芳香烴衍生物等,這些結(jié)構(gòu)都是緩蝕劑的主要活性成分。由此可以得出,氣井井筒堵塞物中的有機(jī)成分來自于緩蝕劑的重組分。
CO2、H2S以及礦化度對(duì)管材的腐蝕是引起井筒腐蝕產(chǎn)物形成的主要原因。實(shí)驗(yàn)采用懸掛腐蝕掛片法,在高溫高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行 H2S-CO2-礦化度三因素共同作用下,研究N80材質(zhì)的腐蝕情況。
能譜分析和掃描電鏡對(duì)腐蝕掛片分析結(jié)果見圖5和圖6。
圖5 N80空白掛片能譜圖
圖6 0.05-0.10-40000-液相N80腐蝕掛片能譜圖
圖5顯示N80空白材質(zhì)腐蝕前表面平整。在0.05 MPa壓力下H2S、0.10 MPa壓力下CO2和40 000 mg/L礦化度模擬水作用下,材質(zhì)表面出現(xiàn)凸起的狀物,表面凹凸粗糙不平,凸點(diǎn)較多,主要為局部點(diǎn)蝕(圖6)??瞻譔80材質(zhì)主要含有Si、Mn和Fe 3種元素,腐蝕產(chǎn)物包含O、S、Cl、C和Fe等元素;材質(zhì)基體中含微量Mn,未在腐蝕產(chǎn)物中未檢測(cè)出。上述實(shí)驗(yàn)表明,井筒堵塞物中的腐蝕產(chǎn)物為FexSy和FeCO3,主要為H2S和CO2共同作用下的酸性腐蝕物。
由以上研究得出,井筒堵塞物的形成可分為 3個(gè)階段:①氣井產(chǎn)出流體中含高礦化度水、H2S、CO2等腐蝕性介質(zhì),形成了一種復(fù)合腐蝕環(huán)境,造成井筒腐蝕結(jié)垢,形成無機(jī)堵塞;②入井緩蝕劑在井筒高溫下裂解,黏度增加或者其有效成分發(fā)生降解、失效,形成不溶性殘?jiān)驼辰Y(jié)沉積物堵塞油管通道,形成有機(jī)堵塞;③在井筒條件下,無機(jī)堵塞物充當(dāng)骨架,有機(jī)堵塞物充當(dāng)填充物,形成黏度大,相互之間基本無縫隙的致密混合物,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的沉積聚集,逐步在管道壁上積累從而造成井筒堵塞。
(1)氣井井筒堵塞物的組成主要是腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物,約占堵塞物的60%~80%。有機(jī)物約占堵塞物的15%~30%(其中含油占有機(jī)物的2%左右),采氣過程中由儲(chǔ)層帶來的少量黏土礦物。
(2)結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3,腐蝕產(chǎn)物主要為FexSy和FeCO3,有機(jī)物主要是入井緩蝕劑經(jīng)天然氣氣流吹脫后殘留的重質(zhì)組分。
(3)井筒堵塞物形成機(jī)理是無機(jī)堵塞物充當(dāng)骨架,有機(jī)堵塞物充當(dāng)填充物,形成黏度大,相互之間基本無縫隙的致密混合物,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的沉積聚集,逐步在管道壁上積累從而造成井筒堵塞。