沈建新 劉建儀 劉 舉 吳紅軍 謝 泱 孫 濤 曹立虎

(1. 中國(guó)石油塔里木油田分公司 新疆庫(kù)爾勒 841000； 2. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué) 四川成都 610500)

迪那2氣藏位于新疆庫(kù)車縣境內(nèi)，屬于高溫高壓凝析氣藏，目的層為下第三系砂巖的蘇維依組和庫(kù)姆格列木群。巖性以褐色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，屬于低孔低滲—特低滲儲(chǔ)層[1-4]。迪那2氣藏未大量產(chǎn)地層水，只是產(chǎn)少量的凝析水。通常情況下凝析水礦化度很低，但迪那2氣藏凝析水礦化度卻很高，且出現(xiàn)了井筒嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象，造成了井筒堵塞。目前國(guó)內(nèi)外普遍是在低壓條件下進(jìn)行結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，利用地層水反應(yīng)后的垢物進(jìn)行稱重來(lái)模擬井筒或地面管線結(jié)垢規(guī)律，如劉文遠(yuǎn)[5]、涂乙[6]、廖檸[7]等均是在常壓下通過(guò)稱重得到結(jié)垢量；CHARPENTIER等[8]研制了一種基于圖像分析的動(dòng)態(tài)結(jié)垢裝置，該裝置在常壓下可評(píng)估顆粒數(shù)量、平均顆粒尺寸以及表面覆蓋率；Freer E M[9]與Skovborg P[10]采用環(huán)道實(shí)驗(yàn)裝置研究低壓條件下流速與壁溫等因素對(duì)結(jié)垢的影響。在高壓條件下的結(jié)垢實(shí)驗(yàn)多是對(duì)地層巖心結(jié)垢規(guī)律進(jìn)行研究，如邱悅[11]、聶法健[12]、李洪建[13]采用滲流實(shí)驗(yàn)研究鹽析對(duì)巖心滲透率的影響。近年來(lái)，隨著深層高壓凝析氣藏開(kāi)采的不斷突破，凝析水結(jié)垢導(dǎo)致產(chǎn)量下降逐漸引起重視，已有部分學(xué)者對(duì)凝析水的產(chǎn)出機(jī)理與結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行研究，如袁錦亮[14]、鄧傳忠[15]、湯勇[16]等分別研究了雅克拉、崖城13-1凝析水產(chǎn)出機(jī)理；姚茂堂[17]對(duì)迪那2氣藏凝析水結(jié)垢機(jī)理做出了一定解釋；趙升[18]、朱倩[19]、周萬(wàn)富[20]對(duì)結(jié)垢過(guò)程中的成垢離子與非成垢離子變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為成垢離子是在不同的溫度壓力下，溶液中的離子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可形成固體沉積物，比如陽(yáng)離子有：Ca2+、Ba2+、Sr2+，陰離子有：SO42-、HCO3-，特征是成垢離子參與垢的形成，形成后可部分沉積附著在管壁上。非成垢離子是在不同的溫度壓力下，溶液中的離子不能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成固體沉積物，比如：Na+、K+、Cl-、NO3-等，特征是非成垢離子不參與垢的形成。但是上述研究大多針對(duì)地層水結(jié)垢規(guī)律與凝析水產(chǎn)出機(jī)理，未對(duì)高溫高壓條件下凝析水結(jié)垢規(guī)律進(jìn)行深入分析，也未考慮CO2含量對(duì)凝析水結(jié)垢的影響。因此，本文以迪那2-A井凝析水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行高溫高壓條件下離子含量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，確定了凝析水結(jié)垢量，研究了地層條件下凝析水離子變化規(guī)律以及CO2對(duì)凝析水結(jié)垢的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

采用離子色譜儀(IC)、電感耦合等離子體光譜儀(ICP)與密度儀對(duì)迪那2-A井凝析水進(jìn)行離子種類、含量以及密度測(cè)試，采用氣相色譜儀(GC)對(duì)天然氣樣品進(jìn)行組分分析，采用X射線衍射儀對(duì)迪那2-A井井筒垢樣進(jìn)行全巖分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到樣品組成與性質(zhì)如表1～3所示。迪那2-A井地層溫度為138.51 ℃，原始地層壓力為104.8 MPa，目前地層壓力為74.87 MPa，目前生產(chǎn)水氣比為0.21 m3/104m3，實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際水氣比進(jìn)行配樣。

表1 迪那2-A井凝析水分析結(jié)果

表2 迪那2-A井天然氣組分

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，迪那2-A井水樣Cl-含量低于5 000 mg/L，屬于凝析水范圍[15]。由表3可知，迪那2-A井的垢樣主要以CaCO3為主，CaSO4為輔，其比例約為6∶1，并含有少量的SiO2與NaCl。

表3 迪那2-A井井筒垢樣全巖分析結(jié)果

2 凝析水結(jié)垢規(guī)律實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為分析高溫高壓條件下凝析水中離子變化與結(jié)垢規(guī)律，通過(guò)高溫高壓凝析水結(jié)垢量測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)際氣藏流體中凝析水離子含量及結(jié)垢量進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備為加拿大DBR公司生產(chǎn)的流體PVT分析儀、離子色譜儀(IC)以及電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)，其實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 高溫高壓凝析水結(jié)垢量測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖

由于地層水中的Na+、K+等強(qiáng)電解質(zhì)離子在實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生結(jié)垢反應(yīng)，其濃度改變主要是高溫高壓氣水混合作用后地層水體積改變所導(dǎo)致。產(chǎn)生結(jié)垢反應(yīng)后，成垢離子含量明顯會(huì)減少，根據(jù)各成垢離子的改變量及種類，確定在高溫高壓地層條件下氣水混合后地層流體的結(jié)垢量及無(wú)機(jī)鹽結(jié)垢物種類。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 配樣。將凝析水與天然氣樣品按照實(shí)際水氣比采用雙泵法進(jìn)行配樣。

2) 轉(zhuǎn)樣。將地層流體泵送至PVT筒中，加溫加壓至實(shí)驗(yàn)溫度壓力條件，并持續(xù)攪拌3～5 h，確保氣、水樣品能夠充分混合，再靜置PVT筒1 h，從而使地層流體中油氣水的相態(tài)變化充分進(jìn)行且達(dá)到平衡，此時(shí)PVT筒中上部為飽和了水的天然氣相，下部為溶解了天然氣的凝析水。

3) 排液。倒置PVT筒，排出下端的凝析水，再根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5523—2016《油田水分析方法》測(cè)定分離的凝析水中各離子濃度[21]。采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP)測(cè)定凝析水中陽(yáng)離子，采用離子色譜儀(IC)測(cè)定凝析水中陰離子。

4) 改變溫度壓力，重復(fù)步驟2)～3)。

迪那2-A井現(xiàn)場(chǎng)井筒分段取樣結(jié)果表明，井底球座處的結(jié)垢堵塞最嚴(yán)重，因此結(jié)垢實(shí)驗(yàn)最大壓力采用井底流壓(54.87 MPa)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取的壓力與實(shí)際氣井的井底流壓一致。為了更明顯地分析凝析水結(jié)垢規(guī)律，采用壓力梯度較大的實(shí)驗(yàn)壓力，結(jié)垢實(shí)驗(yàn)最低壓力為14.87 MPa是為了模擬廢棄壓力條件下的結(jié)垢量變化。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選用3個(gè)壓力點(diǎn)(14.87 MPa、34.87 MPa、54.87 MPa)與5個(gè)溫度點(diǎn)(108.5 ℃、116.0 ℃、123.5 ℃、131.0 ℃、138.5 ℃)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試凝析水的離子含量，其結(jié)果如表4所示。

表4 迪那2-A井高溫高壓作用后凝析水離子含量測(cè)試結(jié)果

2.3.1非成垢離子的變化

迪那2-A井凝析水的蒸發(fā)導(dǎo)致地層水的總體離子濃度增加(圖2～4)。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)電解質(zhì)離子(Na++K+、Cl-、Mg2+)含量分析可知：在相同壓力下，強(qiáng)電解質(zhì)離子含量隨溫度升高而升高；在相同溫度下，強(qiáng)電解質(zhì)離子含量隨壓力升高而降低。

圖2 凝析水中Na++K+含量變化曲線

2.3.2成垢離子的變化

根據(jù)X射線衍射結(jié)果，垢樣中含有CaSO4與CaCO3，因此成垢離子主要包括：Ca2+、SO42-與HCO3-，離子含量變化如圖5～7所示。

對(duì)Ca2+與HCO3-含量而言，在較高壓力下，隨著溫度升高，離子含量先升高后降低；在較低壓力下，隨著溫度升高，離子含量一直下降，說(shuō)明凝析水結(jié)垢在低壓高溫的條件下更容易發(fā)生。壓力降低使得水蒸發(fā)加劇，引起成垢離子濃度增加，同時(shí)溶解在水中的CO2逸出，其分壓降低，導(dǎo)致式(1)化學(xué)反應(yīng)向右發(fā)生，形成CaCO3垢。

分析圖5～7可知，在每種成垢離子含量的突變點(diǎn)，Ca2+減少量約等于SO42-減少量與兩倍HCO3-減少量之和。故CaCO3垢與CaSO4垢的結(jié)垢機(jī)理方程為：

圖3 凝析水中Cl-含量變化曲線

圖4 凝析水中Mg2+含量變化曲線

圖5 凝析水中Ca2+含量變化曲線

圖6 凝析水中SO42-含量變化曲線

圖7 凝析水中HCO3-含量變化曲線

Ca2++2HCO3-?CaCO3↓+CO2↑+H2O

(1)

Ca2++SO42-?CaSO4↓

(2)

Sr2+與Ba2+含量變化結(jié)果表明，Sr2+與Ba2+含量隨壓力降低而升高，隨溫度升高而升高(圖8、9)。

圖8 凝析水中Sr2+含量變化曲線

圖9 凝析水中Ba2+含量變化曲線

2.3.3結(jié)垢量的變化

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了CaSO4垢與CaCO3垢的結(jié)垢量變化曲線(圖10、11)。實(shí)驗(yàn)在高溫條件下進(jìn)行，隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，水的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致離子濃度增加，形成垢物會(huì)導(dǎo)致離子濃度降低，圖5～7中Ca2+、SO42-與HCO3-含量的變化趨勢(shì)需與圖10與圖11對(duì)比分析。對(duì)比圖10與圖11可知，在34.87 MPa下，CaSO4垢沒(méi)有生成，CaCO3垢大于123.5 ℃才生成。因此，圖5～7中34.87 MPa對(duì)應(yīng)的Ca2+含量增大是由于水蒸發(fā)而沒(méi)有垢物形成導(dǎo)致離子濃度增大，Ca2+含量降低是由于形成CaCO3垢消耗了水溶液中的Ca2+；溫度大于123.5 ℃后生成CaCO3垢導(dǎo)致HCO3-含量降低；溫度大于123.5 ℃后無(wú)CaSO4垢生成，SO42-含量沒(méi)有被消耗且隨著水蒸發(fā)導(dǎo)致濃度繼續(xù)增大。

圖10 CaSO4結(jié)垢量變化曲線

圖11 CaCO3結(jié)垢量變化曲線

結(jié)垢量的變化結(jié)果表明,在相同溫度條件下，壓力越低結(jié)垢的可能性越大，且結(jié)垢量越大。這是由于壓力越低，凝析水的沸點(diǎn)越低，相同溫度條件下的凝析水蒸發(fā)越快[22]。對(duì)于迪那2-A井來(lái)說(shuō)，當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)下井口溫度為86 ℃，井口壓力為40.2 MPa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，迪那2-A井在井口不會(huì)發(fā)生結(jié)垢，在井底或者井筒下部會(huì)結(jié)垢，且以CaCO3垢為主，CaSO4垢幾乎不生成。這與姚茂堂 等[17]分析迪那2凝析氣藏在井底球座處堵塞最為嚴(yán)重的情況相符合。

3 CO2對(duì)凝析水結(jié)垢的影響實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)配置不同CO2含量的天然氣，采用相同的實(shí)驗(yàn)方法研究CO2對(duì)凝析水結(jié)垢的影響。分別配制了4種不同CO2含量的天然氣樣品，其組分如表5所示。為更好地分析CO2對(duì)凝析水結(jié)垢的影響，選擇溫度138.5 ℃，壓力14.87 MPa這組結(jié)垢量最大的溫壓狀態(tài)作為實(shí)驗(yàn)條件。

表5 4種不同CO2含量天然氣組分

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了不同CO2含量下迪那2-A井結(jié)垢量的變化曲線(圖12)，發(fā)現(xiàn)隨CO2含量增加，CaSO4結(jié)垢量一直上升，而CaCO3結(jié)垢量先降低后升高，說(shuō)明CO2對(duì)CaCO3結(jié)垢量的影響存在一個(gè)臨界含量。當(dāng)CO2含量低于臨界值時(shí)，Ca2+直接與HCO3-反應(yīng)，由式(1)可知，隨著CO2含量的增加，使得化學(xué)平衡向左移，導(dǎo)致CaCO3結(jié)垢量減少；當(dāng)CO2含量高于臨界值時(shí)，CO2溶于水，使得HCO3-增多，其反應(yīng)式為

圖12 結(jié)垢量與CO2含量變化曲線

CO2+H2O?HCO3-+H+

(3)

結(jié)合式(1)與式(3)可得到反應(yīng)方程為

Ca2++CO2+H2O?CaCO3↓+2H+

(4)

由式(4)可知，CO2含量高于臨界值時(shí)，CO2含量的繼續(xù)增加使得化學(xué)平衡向右移，進(jìn)而CaCO3結(jié)垢量增多。

4 結(jié)論

1) 對(duì)迪那2-A井的氣、水、堵塞物樣品的成分與性質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明迪那2-A井水樣Cl-含量低于5 000 mg/L，屬于凝析水范圍，同時(shí)堵塞物成分中主要以CaCO3為主，CaSO4為輔。

2) 采用流體PVT分析儀及離子色譜儀(IC)、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)完成了高溫高壓條件下迪那2-A井凝析水結(jié)垢規(guī)律實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，凝析水蒸發(fā)導(dǎo)致凝析水中離子含量總體上升。對(duì)于非成垢離子，在相同壓力下隨溫度上升，離子含量升高。對(duì)于成垢離子，其離子含量只有在垢物析出時(shí)才開(kāi)始下降，而壓力降低使得水蒸發(fā)加劇，引起成垢離子含量增加，同時(shí)溶解在水中的CO2逸出，其分壓降低，容易形成CaCO3垢。目前迪那2-A井在井筒下部的溫壓條件下易產(chǎn)生CaSO4垢與CaCO3垢，壓力越低且溫度越高，結(jié)垢可能性越大，結(jié)垢量越大。

3) 研究CO2對(duì)凝析水結(jié)垢的影響發(fā)現(xiàn)，隨著CO2含量的增加，CaSO4結(jié)垢量一直上升，而CaCO3結(jié)垢量先降低后升高。對(duì)于CaCO3垢，CO2對(duì)其結(jié)垢存在一個(gè)臨界值，當(dāng)CO2含量低于臨界值時(shí)，Ca2+直接與HCO3-反應(yīng)，隨著CO2含量的增加，化學(xué)平衡向左移動(dòng)，使得CaCO3結(jié)垢量降低；而當(dāng)CO2含量高于臨界值時(shí)，CO2溶于水，Ca+與H2O、CO2反應(yīng)，隨著CO2含量增加，化學(xué)平衡向右移動(dòng)，使得CaCO3結(jié)垢量增加。