邹跃伟 孟 江 黄小亮

(1. 中国石油西南油气田分公司输气管理处， 成都 610050；2. 重庆科技学院， 重庆 401331)

产水气藏在生产过程中由于温度、压力的变化，气藏水会在井筒以及采气管线中结垢[1-2]；凝析气藏产出的凝析油含蜡量较高，蜡结晶有利于水垢晶体的沉积，从而促进垢的生成[3-4]。丘东气田在生产过程中既产水又产出凝析油，其采输系统管线的腐蚀结垢问题日趋严重。针对丘东气田的气井结垢问题，通过室内实验，联系现场生产有关参数，分析了导致气井结垢的原因。

1 丘东气田采输系统的结垢问题

丘东气田的大部分气井都产出水和凝析油，而且产出水的矿化度普遍较高，产出凝析油的含蜡量较高。在生产过程中发现，部分采气井的管柱和地面集输管线已经出现腐蚀结垢甚至堵塞的问题(见图1)，有的气井因管内结垢而无法测流压，有的井场采气管线在冬季已经发生了管线堵塞事故。

图1 丘东气田气井管柱的结垢现象

2 丘东气田气井结垢产物的成分

将N80腐蚀挂片放在70 ℃的QD21井水中10天。利用X射线衍射仪分析结垢物的化学组成，通过扫描电镜观察结垢产物的表面形貌。扫描电镜能谱分析结果见图2。

分析结果，结垢产物的化学成分为：碳占5.86%，氧占34.89%，钠占1.17%，硫占19.42%，氯占1.42%，钙占33.79%，铁占3.46%。由此分析，结垢物的主要物相是CaSO4、CaCO3、Fe2O3，次要物相为FeCl3。扫描电镜观察结果也表明，QD21井水垢主要为碳酸钙、硫酸钙及铁的腐蚀产物。

图2 70 ℃下结垢产物的扫描电镜能谱分析结果

3 导致气井结垢的因素

3.1 离子浓度对结垢的影响

丘东气田产出水的矿化度较高，含有钙、镁离子及碳酸根离子，这些离子相互间的作用对垢的形成有很大的影响。

图3为碳酸钙在不同盐浓度下的溶解度曲线。由图可知，水中氯离子浓度在(0～1)×104mgL范围内，碳酸钙的溶解度比在清水中大；氯离子浓度超过1×104mgL后，碳酸钙的溶解度比在清水中小。这表明，氯离子在一定浓度范围内可以增加碳酸钙的溶解度；在超过某一浓度之后，由于盐析作用，则会降低碳酸钙的溶解度。水中只要存在硫酸根离子，就可以降低碳酸钙的溶解度。钾离子和钠离子对碳酸钙溶解度的影响与氯离子相似。在氯离子、钠离子(钾离子)和硫酸根离子同时存在的条件下，硫酸根对碳酸钙溶解度的影响占主导地位。

图3 碳酸钙在不同盐浓度下的溶解度

丘东气田13口井的产出水中，氯离子最大浓度为10 920 mg/L，并存在硫酸根离子。在这种条件下，由于硫酸根离子对碳酸钙的溶解度起主导作用，丘东气田的产出水正处于容易产生碳酸钙结晶沉积的状态。

由图4可知，在含氯离子的水中，随着氯离子浓度的增大，硫酸钙的溶解度会增大，而在含硫酸根离子的水中硫酸钙的溶解度会明显下降；钾离子、钠离子会促进硫酸钙的溶解。水中的氯离子、钾离子、钠离子都可以明显促进硫酸钙溶解，而硫酸根离子对硫酸钙的溶解有强烈的抑制作用。丘东气田的产出水矿化度为3 469～24 408 mg/L，其中的硫酸钙有较高的溶解度，不易产生硫酸钙结垢。

图4 硫酸钙在不同盐浓度下的溶解度

3.2 温度对结垢的影响

温度因素会影响易结垢盐类的溶解度。碳酸钙及硫酸钙在水中的溶解度，随温度的上升而下降。图5是实验所得QD27井产出水在不同温度下的结垢情况。在25 ℃下，挂片表面有不均匀的、很薄的一层垢晶体(见图5a)；在70 ℃下，挂片表面的垢晶体厚度明显增加，同时腐蚀也比较严重(见图5b)。丘东油田气井的井下温度多在70～90 ℃之间，而地面温度多在30 ℃左右，因此温度较高的井底附近结垢严重。

3.3 pH对结垢的影响

将CaCl2、KCl与NaHCO3混合，配制总矿化度为5×104mgL的水，水中Ca2+的含量为600 mgL，pH为8.5，在50℃下进行结垢实验。从实验结果看，水垢数量随pH的增大而逐渐增加，但当pH达到12后，随着pH的增大，水垢数量的变化却不明显。这说明此时水中的已经完全变为当pH由8.5逐渐变小时，水垢数量则逐渐减少；pH小到5.0时，水中有气泡冒出，没有垢的产生，只有挂片的腐蚀。

图6 QD21等6口井的pH变化曲线

3.4 凝析油对结垢的影响

丘东气田产出的凝析油C16以上的组分含量高，凝固点较高，在温度较低时，蜡晶易于析出。气液从井底流到井口的过程中，温度逐渐下降，凝析油中的蜡就会析出，吸附在管壁上，成为垢的一部分。同时，蜡晶的析出改变了管道壁面的性质，便于水中垢晶体的吸附沉积，使得有机垢和无机垢相互作用，形成无机物和有机物的混合垢。凝析油含量越大，其中的重组分含量就越多，在相应的温度条件下，蜡晶沉积而加速垢的形成，增加了结垢量。目前在丘东气田13口气井中有10口井的凝析油含量较高，都存在结蜡的可能。

图7 QD39等7口井的pH变化曲线

3.5 气液流速对结垢的影响

井筒内壁能否形成稳定的垢层，这既与垢晶体与管壁的吸附程度有关，也与气液流动剪切作用有关。从井垢的放大图中，可看到剥蚀痕迹和后续充填痕迹。这说明在结垢过程中垢层的形成明显受到了气体流速(剪切力)的影响。气液流速变大时，吸附在管壁的垢晶体受到的剪切作用变强，垢晶体不易在管壁吸附，并会剥蚀已形成的垢层，使垢层变得不完整；气液流速变小时，吸附在管壁的垢晶体受到的剪切作用变弱，垢晶体易于在管壁吸附，充填在已有垢层的剥蚀部位，形成新垢层，增加垢层的厚度。油管在结构上存在突变部位，如油管的接头部位，过流面积减小，更容易结垢。在油管局部突变部位的结垢量，还与突变幅度和水中成垢离子浓度有关。实验中观察到，含水气流的流速越大，水中已经形成的垢晶体就会被带到更远的地方沉积。气井的产气量高，气流速度大，对垢层的剪切作用明显，则有利于阻止垢层的形成。

3.6 压力变化对结垢的影响

压力变化可以改变水中碳酸根离子和碳酸氢根离子的浓度。在采气井含有二氧化碳的情况下，压力变化可以改变水中的二氧化碳含量。采气井的压力从井底到井口不断下降，水中的二氧化碳不断析出，水中的碳酸根离子不断增加，在钙离子存在的条件下，就容易形成碳酸钙晶体析出并吸附于管壁。丘东气田气井中的二氧化碳含量很低，而且多数气井井筒中的压力低，生产过程中压力变化不大，因此压力变化对碳酸钙结垢的影响不大。

综上所述，在丘东气田，导致气井结垢的主要因素是产出水的离子浓度、温度、pH、气体流速和凝析油含量。井口到集输站的地面气液混输管道系统，温度、压力变化幅度不大，因此压力变化引起结垢的可能性很小，而较高的井下温度是导致气井结垢(结蜡)的重要因素。

4 结 论

(1) 丘东气田的气井产出水含有大量氯离子和较多的硫酸根离子及钙离子、镁离子，因此容易产生碳酸钙结晶，而不易产生硫酸钙结晶。这种状态为碳酸钙垢的最终形成奠定了基础。

(2) 地层水矿化度和组分的变化，引起水中离子种类和浓度的变化，这为垢结晶提供了内部条件；温度、pH的变化打破了气田水原有的离子间的电离平衡，为碳酸钙结垢创造了外部条件。

(2) 液相中的凝析油含有较多的重组分，重组分的结晶促进了无机盐垢晶体的沉积和吸附，形成混合垢。在同样条件下，气井的产气量大、气体流速大，可在一定程度上阻止垢层的形成，但在水中垢晶体存在的情况下却会使气井的结垢范围扩大。