迪那2气藏凝析水结垢规律实验研究

沈建新 刘建仪 刘 举 吴红军 谢 泱 孙 涛 曹立虎

(1. 中国石油塔里木油田分公司 新疆库尔勒 841000； 2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学 四川成都 610500)

迪那2气藏位于新疆库车县境内，属于高温高压凝析气藏，目的层为下第三系砂岩的苏维依组和库姆格列木群。岩性以褐色粉砂岩、细砂岩为主，属于低孔低渗—特低渗储层[1-4]。迪那2气藏未大量产地层水，只是产少量的凝析水。通常情况下凝析水矿化度很低，但迪那2气藏凝析水矿化度却很高，且出现了井筒严重结垢现象，造成了井筒堵塞。目前国内外普遍是在低压条件下进行结垢实验，利用地层水反应后的垢物进行称重来模拟井筒或地面管线结垢规律，如刘文远[5]、涂乙[6]、廖柠[7]等均是在常压下通过称重得到结垢量；CHARPENTIER等[8]研制了一种基于图像分析的动态结垢装置，该装置在常压下可评估颗粒数量、平均颗粒尺寸以及表面覆盖率；Freer E M[9]与Skovborg P[10]采用环道实验装置研究低压条件下流速与壁温等因素对结垢的影响。在高压条件下的结垢实验多是对地层岩心结垢规律进行研究，如邱悦[11]、聂法健[12]、李洪建[13]采用渗流实验研究盐析对岩心渗透率的影响。近年来，随着深层高压凝析气藏开采的不断突破，凝析水结垢导致产量下降逐渐引起重视，已有部分学者对凝析水的产出机理与结垢机理进行研究，如袁锦亮[14]、邓传忠[15]、汤勇[16]等分别研究了雅克拉、崖城13-1凝析水产出机理；姚茂堂[17]对迪那2气藏凝析水结垢机理做出了一定解释；赵升[18]、朱倩[19]、周万富[20]对结垢过程中的成垢离子与非成垢离子变化进行了分析，认为成垢离子是在不同的温度压力下，溶液中的离子通过化学反应可形成固体沉积物，比如阳离子有：Ca2+、Ba2+、Sr2+，阴离子有：SO42-、HCO3-，特征是成垢离子参与垢的形成，形成后可部分沉积附着在管壁上。非成垢离子是在不同的温度压力下，溶液中的离子不能通过化学反应形成固体沉积物，比如：Na+、K+、Cl-、NO3-等，特征是非成垢离子不参与垢的形成。但是上述研究大多针对地层水结垢规律与凝析水产出机理，未对高温高压条件下凝析水结垢规律进行深入分析，也未考虑CO2含量对凝析水结垢的影响。因此，本文以迪那2-A井凝析水为实验对象进行高温高压条件下离子含量检测实验，确定了凝析水结垢量，研究了地层条件下凝析水离子变化规律以及CO2对凝析水结垢的影响。

1 实验样品

采用离子色谱仪(IC)、电感耦合等离子体光谱仪(ICP)与密度仪对迪那2-A井凝析水进行离子种类、含量以及密度测试，采用气相色谱仪(GC)对天然气样品进行组分分析，采用X射线衍射仪对迪那2-A井井筒垢样进行全岩分析。实验测试得到样品组成与性质如表1～3所示。迪那2-A井地层温度为138.51 ℃，原始地层压力为104.8 MPa，目前地层压力为74.87 MPa，目前生产水气比为0.21 m3/104m3，实验根据实际水气比进行配样。

表1 迪那2-A井凝析水分析结果

表2 迪那2-A井天然气组分

实验结果表明，迪那2-A井水样Cl-含量低于5 000 mg/L，属于凝析水范围[15]。由表3可知，迪那2-A井的垢样主要以CaCO3为主，CaSO4为辅，其比例约为6∶1，并含有少量的SiO2与NaCl。

表3 迪那2-A井井筒垢样全岩分析结果

2 凝析水结垢规律实验

2.1 实验装置

为分析高温高压条件下凝析水中离子变化与结垢规律，通过高温高压凝析水结垢量测试实验装置对实际气藏流体中凝析水离子含量及结垢量进行测试。实验采用的主要设备为加拿大DBR公司生产的流体PVT分析仪、离子色谱仪(IC)以及电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)，其实验流程如图1所示。

图1 高温高压凝析水结垢量测试实验流程图

由于地层水中的Na+、K+等强电解质离子在实验条件下不发生结垢反应，其浓度改变主要是高温高压气水混合作用后地层水体积改变所导致。产生结垢反应后，成垢离子含量明显会减少，根据各成垢离子的改变量及种类，确定在高温高压地层条件下气水混合后地层流体的结垢量及无机盐结垢物种类。

2.2 实验步骤

1) 配样。将凝析水与天然气样品按照实际水气比采用双泵法进行配样。

2) 转样。将地层流体泵送至PVT筒中，加温加压至实验温度压力条件，并持续搅拌3～5 h，确保气、水样品能够充分混合，再静置PVT筒1 h，从而使地层流体中油气水的相态变化充分进行且达到平衡，此时PVT筒中上部为饱和了水的天然气相，下部为溶解了天然气的凝析水。

3) 排液。倒置PVT筒，排出下端的凝析水，再根据行业标准SY/T5523—2016《油田水分析方法》测定分离的凝析水中各离子浓度[21]。采用电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测定凝析水中阳离子，采用离子色谱仪(IC)测定凝析水中阴离子。

4) 改变温度压力，重复步骤2)～3)。

迪那2-A井现场井筒分段取样结果表明，井底球座处的结垢堵塞最严重，因此结垢实验最大压力采用井底流压(54.87 MPa)进行实验，实验取的压力与实际气井的井底流压一致。为了更明显地分析凝析水结垢规律，采用压力梯度较大的实验压力，结垢实验最低压力为14.87 MPa是为了模拟废弃压力条件下的结垢量变化。

2.3 实验结果与分析

实验选用3个压力点(14.87 MPa、34.87 MPa、54.87 MPa)与5个温度点(108.5 ℃、116.0 ℃、123.5 ℃、131.0 ℃、138.5 ℃)进行正交实验测试凝析水的离子含量，其结果如表4所示。

表4 迪那2-A井高温高压作用后凝析水离子含量测试结果

2.3.1非成垢离子的变化

迪那2-A井凝析水的蒸发导致地层水的总体离子浓度增加(图2～4)。对实验测得的强电解质离子(Na++K+、Cl-、Mg2+)含量分析可知：在相同压力下，强电解质离子含量随温度升高而升高；在相同温度下，强电解质离子含量随压力升高而降低。

图2 凝析水中Na++K+含量变化曲线

2.3.2成垢离子的变化

根据X射线衍射结果，垢样中含有CaSO4与CaCO3，因此成垢离子主要包括：Ca2+、SO42-与HCO3-，离子含量变化如图5～7所示。

对Ca2+与HCO3-含量而言，在较高压力下，随着温度升高，离子含量先升高后降低；在较低压力下，随着温度升高，离子含量一直下降，说明凝析水结垢在低压高温的条件下更容易发生。压力降低使得水蒸发加剧，引起成垢离子浓度增加，同时溶解在水中的CO2逸出，其分压降低，导致式(1)化学反应向右发生，形成CaCO3垢。

分析图5～7可知，在每种成垢离子含量的突变点，Ca2+减少量约等于SO42-减少量与两倍HCO3-减少量之和。故CaCO3垢与CaSO4垢的结垢机理方程为：

图3 凝析水中Cl-含量变化曲线

图4 凝析水中Mg2+含量变化曲线

图5 凝析水中Ca2+含量变化曲线

图6 凝析水中SO42-含量变化曲线

图7 凝析水中HCO3-含量变化曲线

Ca2++2HCO3-↔CaCO3↓+CO2↑+H2O

(1)

Ca2++SO42-↔CaSO4↓

(2)

Sr2+与Ba2+含量变化结果表明，Sr2+与Ba2+含量随压力降低而升高，随温度升高而升高(图8、9)。

图8 凝析水中Sr2+含量变化曲线

图9 凝析水中Ba2+含量变化曲线

2.3.3结垢量的变化

通过实验得到了CaSO4垢与CaCO3垢的结垢量变化曲线(图10、11)。实验在高温条件下进行，随着实验过程的进行，水的蒸发会导致离子浓度增加，形成垢物会导致离子浓度降低，图5～7中Ca2+、SO42-与HCO3-含量的变化趋势需与图10与图11对比分析。对比图10与图11可知，在34.87 MPa下，CaSO4垢没有生成，CaCO3垢大于123.5 ℃才生成。因此，图5～7中34.87 MPa对应的Ca2+含量增大是由于水蒸发而没有垢物形成导致离子浓度增大，Ca2+含量降低是由于形成CaCO3垢消耗了水溶液中的Ca2+；温度大于123.5 ℃后生成CaCO3垢导致HCO3-含量降低；温度大于123.5 ℃后无CaSO4垢生成，SO42-含量没有被消耗且随着水蒸发导致浓度继续增大。

图10 CaSO4结垢量变化曲线

图11 CaCO3结垢量变化曲线

结垢量的变化结果表明,在相同温度条件下，压力越低结垢的可能性越大，且结垢量越大。这是由于压力越低，凝析水的沸点越低，相同温度条件下的凝析水蒸发越快[22]。对于迪那2-A井来说，当前生产状态下井口温度为86 ℃，井口压力为40.2 MPa，根据实验结果，迪那2-A井在井口不会发生结垢，在井底或者井筒下部会结垢，且以CaCO3垢为主，CaSO4垢几乎不生成。这与姚茂堂 等[17]分析迪那2凝析气藏在井底球座处堵塞最为严重的情况相符合。

3 CO2对凝析水结垢的影响实验

本次实验通过配置不同CO2含量的天然气，采用相同的实验方法研究CO2对凝析水结垢的影响。分别配制了4种不同CO2含量的天然气样品，其组分如表5所示。为更好地分析CO2对凝析水结垢的影响，选择温度138.5 ℃，压力14.87 MPa这组结垢量最大的温压状态作为实验条件。

表5 4种不同CO2含量天然气组分

通过实验得到了不同CO2含量下迪那2-A井结垢量的变化曲线(图12)，发现随CO2含量增加，CaSO4结垢量一直上升，而CaCO3结垢量先降低后升高，说明CO2对CaCO3结垢量的影响存在一个临界含量。当CO2含量低于临界值时，Ca2+直接与HCO3-反应，由式(1)可知，随着CO2含量的增加，使得化学平衡向左移，导致CaCO3结垢量减少；当CO2含量高于临界值时，CO2溶于水，使得HCO3-增多，其反应式为

图12 结垢量与CO2含量变化曲线

CO2+H2O↔HCO3-+H+

(3)

结合式(1)与式(3)可得到反应方程为

Ca2++CO2+H2O↔CaCO3↓+2H+

(4)

由式(4)可知，CO2含量高于临界值时，CO2含量的继续增加使得化学平衡向右移，进而CaCO3结垢量增多。

4 结论

1) 对迪那2-A井的气、水、堵塞物样品的成分与性质进行了分析，结果表明迪那2-A井水样Cl-含量低于5 000 mg/L，属于凝析水范围，同时堵塞物成分中主要以CaCO3为主，CaSO4为辅。

2) 采用流体PVT分析仪及离子色谱仪(IC)、电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)完成了高温高压条件下迪那2-A井凝析水结垢规律实验。实验结果表明，凝析水蒸发导致凝析水中离子含量总体上升。对于非成垢离子，在相同压力下随温度上升，离子含量升高。对于成垢离子，其离子含量只有在垢物析出时才开始下降，而压力降低使得水蒸发加剧，引起成垢离子含量增加，同时溶解在水中的CO2逸出，其分压降低，容易形成CaCO3垢。目前迪那2-A井在井筒下部的温压条件下易产生CaSO4垢与CaCO3垢，压力越低且温度越高，结垢可能性越大，结垢量越大。

3) 研究CO2对凝析水结垢的影响发现，随着CO2含量的增加，CaSO4结垢量一直上升，而CaCO3结垢量先降低后升高。对于CaCO3垢，CO2对其结垢存在一个临界值，当CO2含量低于临界值时，Ca2+直接与HCO3-反应，随着CO2含量的增加，化学平衡向左移动，使得CaCO3结垢量降低；而当CO2含量高于临界值时，CO2溶于水，Ca+与H2O、CO2反应，随着CO2含量增加，化学平衡向右移动，使得CaCO3结垢量增加。