物理防垢技术在大牛地气田的应用

常辉，郑锋，徐卫峰，罗满岐

（中国石化华北分公司第一采气厂，河南 郑州 450006）

由于地层水矿化度较高，钙镁离子质量浓度较大，许多气井生产管柱内易出现结垢现象。通过流压测试分析发现，大牛地气田2005—2010年开发气井中50%有结垢现象，严重影响气井的持续生产。2010年开始，在大牛地气田加注阻垢剂，但防垢率只有80%。为了提高防垢效果，大牛地气田进行了物理防垢试验，并研制了悬挂式物理合金防垢器。对5口气井安装物理合金防垢器前后钙镁离子质量浓度监测的结果表明：安装物理合金防垢器后，钙镁离子质量浓度提高了133%，综合防垢率提高至90%，且钙镁离子质量浓度在20 000～40 000 mg/L的气井防垢效果较好。通过物理防垢试验，形成了大牛地气田物理防垢技术和物理合金防垢器安装工艺技术，为大牛地气田的防、除垢研究奠定了基础。

结垢；物理防垢器；钙镁离子；防垢率；大牛地气田

大牛地气田自2005年大规模开发以来，由于地层水矿化度较高，且钙镁离子质量浓度较大，许多气井生产管柱内易结垢，造成气井产层和炮眼堵塞，产液和产气量下降，严重影响了气井的正常生产［1-4］。气井主要产地层水和凝析水的混合液，导致产出液中的Ca2+，Mg2+，Ba2+金属阳离子质量浓度较高；同时产出流体中的CO2溶解于水中，形成CO32-，HCO3-，这些阴离子和SO42-与地层水中的 Ca2+结合之后易形成 CaCO3及CaSO4沉淀而结垢［5-8］。油气田防垢技术主要包括化学法、物理法和工艺法［9］。针对越来越严重的气井结垢问题，大牛地气田自2010年以来主要采用了向井内加注防垢剂的方法来预防气井结垢，防垢率仅80%。本文针对大牛地气田化学药剂防垢率较低的现状，对目前国内外防垢技术进行了优选［10-12］，确定采用物理防垢技术进行试验研究。

1　物理防垢原理

物理防垢核心部件为物理合金材料，这种特殊合金材料由多种具有不同电负性的金属元素构成。当流体介质以一定的流速流经该合金材料时，这些元素因其电极电位存在差异而产生电势差，形成多个微小的原电池，成为特殊的电化学催化体，可以向流体介质释放自由电子，使流体介质产生极化效应，促进水分子形成小分子水团，使正负电荷重心偏离增大，所产生的水偶极子与水中的钙镁离子形成牢固的水合离子，增加了矿化物的溶解度，使其不易附着于管壁。同时，合金材料能使已板结的垢块逐渐溶解、脱落，从而达到防垢、除垢的目的［13-14］。

2　物理合金防垢器的研发

2.1合金材料配比试验

防垢合金主要由铜、锌、锡、镍、锰、银等元素构成。结合大牛地油气井结垢情况以及水样分析测试结果，本文对合金的配比作了大量试验研究，且对防垢工具进行了结垢静态和动态评价试验［15-16］。

试验结果表明，5种不同质量配比合金材料试块的防垢率最高的为87.9%，其配比为铜∶锌∶镍∶锡∶银∶钯∶锂=51.0∶18.0∶13.2∶5.3∶3.8∶3.2∶2.3。

2.2防垢效果评价试验

2.2.1试验条件及流程

模拟井筒状况：水槽温度控制在80℃；管道选用φ15 mm的铝塑管，管道内湿度控制在99%以上；气泵流量选取10 m3/h，使管道内的湿气流速达15 m/s；垢样试块来源于大牛地2个不同气井。试验流程如图1所示。

图1　物理防垢试验流程

2.2.2试验设计

试验采用图1中的流程进行。试验所用垢样试块均为气井结垢样本。

By adopting the method of density matrix, linear IOACs α(1)(ω), and the third-order nonlinear IOACs α(3)(I, ω) can be given as follows[14, 15, 18, 19]:

试验1、试验2和试验3均取2块相同气井的垢样试块1和垢样试块2，但称重后分别放入盛有D1-4-71，D1-4-38，D1-4-170井取回的液样（钙镁离子质量浓度分别为25 000，34 000，46 327 mg/L）的容器1和容器2中，每3 d将其取出1次，放入烘箱恒温80℃持续30 min后再分别称重。

2.2.3试验结果

3组试验结果见图2。根据试验数据，试验1、试验2和试验 3的合金防垢器防垢率分别为 88.8%，86.7%，85.1%，均在85%以上。可见，所研制的合金防垢器，虽然随液样矿化度的升高，防垢效果稍微减弱，但对不同矿化度的液样都有明显防垢效果，符合预期。

图2　不同液样下防垢试验效果对比

2.3物理合金防垢器设计

2.3.1性能要求

为了尽量增强防垢效果，物理防垢器性能需满足以下要求：

1）适应不同管径的气井和生产工况，耐压、耐温、耐高矿化度水质。

2）能够在井下悬挂式安装，安装后不影响后期的测井工作。

3）尽量延长合金防垢器与流体的接触时间，以强化对流体的极化效果；尽可能增大合金防垢器与流体的接触面积，使产出水与合金材料充分接触，以最大限度地提高防垢效果。

4）保证合金防垢器和油管（即采气管柱）间的密封性能。

2.3.2防垢器设计

依据以上要求进行防垢器设计。防垢器主要分为外部和核心2部分（见图3）。其中，外部主要是保护套，核心部分由防护桶、合金材料组成。防护桶是类似油管的罩子，底端有孔。天然气和水通过这些孔进入防护桶，与合金材料接触，从而达到防止水中的矿化物在管壁结垢的作用。

由于防护桶表面有液态合金涂层，因此具有优异的耐酸碱性能，耐中性盐雾试验2 000 h，涂层表面无明显变化；它还有很强的耐温性，耐温可达600℃，可在250℃湿热环境中长期使用；其耐压性能则与原管材相同。

图3　物理合金防垢器构件示意

3　物理合金防垢器的安装

物理合金防垢器采取悬挂式安装，即将其与带有密封装置的卡瓦式悬挂装置连接，然后通过绳索或者其他方式下到油管的指定位置。

3.1安装工具设计

安装物理合金防垢器需满足的技术要求是：1）安装在喇叭口以下；2）工作坐封安全，密封可靠；3）方便打捞；4）安装精度高。

安装工具包括固定装置、加长管和定位装置。安装工具组合与合金防垢器连接方式如图4所示。

图4　物理合金防垢器安装连接示意

安装工具优点：1）双密封圈，密封效果好；2）防垢器与安装工具间设加长管，提高精度；3）防垢器出生产管柱喇叭口后，能自动坐封，确保其在喇叭口以下。

3.2物理合金防垢器安装

首先进行通井作业，以确保井内无堵塞。确认油管无遇阻现象后，连接井下防落工具及工具串，下井速度控制在50～60 m/min，并保持匀速；当下至距喇叭口20 m时，减速至5～10 m/min。防垢装置下过喇叭口时，加长管下方连接动作机构上的滑片在防滑工具弹簧作用下外张，同时滑套失锁，防滑工具弹簧释放，推动防下落卡瓦上移，并外出咬合油管内壁，此时工具串停止下落，观张力显示明显减小；然后上提钢丝，启动震击器将投送器脱开，使防顶卡瓦打开，咬合油管内壁，胶筒压缩膨胀密封油管；缓慢下放钢丝，待张力减小或钢丝变软时，即说明坐封良好。

2013年11，12月以及2014年3，4月，分别对D47-7，D10-19，D1-1-25，D66-94，D66-55气井进行了物理合金防垢器的安装作业（见表1）。

表1　物理防垢器安装日期及深度

因受安装时钢丝伸长量及计数误差影响，造成设计深度与实际有误差，5口气井平均误差在0.90 m。

4　现场应用效果及分析

检验分析物理合金防垢器的防垢效果，主要依据其安装前后监测的钙镁离子质量浓度。一是监测安装物理物理防垢器前正常加注阻垢剂和安装防垢器后不加注阻垢剂的流体钙镁离子质量浓度，然后进行对比分析。二是监测安装物理防垢器前正常加注阻垢剂和安装防垢器后正常加注阻垢剂的流体钙镁离子质量浓度，进行对比分析。

这里仅以D1-1-25井为例。该井2005年7月17日投产，生产层位S1+H3层，油压4.5 MPa，安装物理合金防垢器前流体钙镁离子质量浓度为19 000 mg/L。2014年3月28日安装物理防垢器，安装深度2637.0m。

监测分3个阶段（见图5）：第1阶段，安装物理防垢器之前，此阶段每天加注1次AS-2型阻垢剂0.5 L，其钙镁离子平均质量浓度为19 746 mg/L；第2阶段，安装物理防垢器之后，仍然按照上述制度加注阻垢剂，该阶段钙镁离子平均质量浓度为25 565 mg/L，较第1阶段提高29.0%；第3阶段，安装物理防垢器后，未加注阻垢剂，该阶段钙镁离子质量浓度为21 864 mg/L，相比第1阶段，提高10.7%。从以上分析看，该井安装物理合金防垢器取得了良好的防垢效果。

图5　D1-1-25井安装防垢器前后防垢效果对比

从大牛地气田的总体应用情况来看，物理防垢方法可以提高流体钙镁离子质量浓度99.5%，而物理化学综合防垢方法可以提高流体钙镁离子质量浓度至133.0%左右。物理合金防垢器较适宜在地层水矿化度20 000～40 000 mg/L的气井使用；地层水矿化度越高的气井，防垢效果会越差，这是由于地层水与防垢器接触时间有限。

5　结论

1）针对大牛地气田气井垢质特征以及气井结垢的特殊现状，利用动态模拟试验平台，确定了物理防垢使用的合金材料的最优配比，并验证了防垢效果。

2）根据悬挂式物理合金防垢器安装要求，研制了物理防垢器安装工具。该工具能实现可安装、可打捞、密封可靠、安装精确等要求，形成了物理合金防垢器安装技术工艺。

3）对物理防垢和物理化学综合防垢的评价结果表明，物理防垢可提高钙镁离子质量浓度99.5%，物理化学综合防垢可提高钙镁离子质量浓度至133.0%左右。

4）由于地层水与防垢器接触时间有限，地层水矿化度越高的气井，使用物理合金防垢器的防垢效果将越差。地层水矿化度在20 000～40 000 mg/L的气井，使用物理合金防垢器的防垢效果较好。

［1］潘爱芳，曲志清，马润勇.油田注水开发中水源混配防垢技术［J］.石油与天然气地质，2004，25（1）：97-101.

［2］罗明良.油水井近带污染诊断与评价研究［D］.西安：西安石油学院，2004.

［3］朱义吾.油田开发中的结垢机理及其防治技术［M］.西安：陕西科技技术出版社，1995.

［4］闫方平.江苏油田韦2断块油井挤注防垢技术研究与应用［J］.钻采工艺，2009，22（4）：80-82.

［5］肖曾利，蒲春生，时宇，等.油田水无机结垢及预测技术研究进展［J］.断块油气田，2004，11（6）：76-69.

［6］刘文臣，王立志，陈雷.油田油井结垢机理及防垢方案［J］.断块油气田，2005，12（4）：80-82.

［7］闫方平.江苏油田韦2断块油井挤注防垢技术研究与应用［J］.钻采工艺，2009，22（4）：80-82.

［8］魏凤玲，任富国，王在强，等.陇东油田清防垢技术应用效果分析［J］.断块油气田，2007，14（5）：79-81.

［9］舒干，邓皓，王蓉沙.油气田防垢技术与应用［J］.油气田地面工程，1996，15（4）：40-43.

［10］刘卫国，李国富.磁处理的除防垢机理研究［J］.工业安全与环保，2008，34（2）：41-43.

［11］马志梅.超声波阻垢与除垢技术研究进展［J］.石化技术，2008，15 （3）：62-66.

［12］周爱东，杨红晓，张志炳.超声波在除垢结垢中的应用［J］.应用化工，2005，34（11）：659-661.

［13］何俊，赵宗泽，李跃华.物理方法除垢阻垢技术的研究现状及进展［J］.工业处理，2010，30（9）：5-9.

［14］丘泰球，刘石生，黄运贤.物理场防垢积垢节能技术［J］.物理学和高新技术，2002，31（3）：162-166.

［15］闫方平，董双波，张红静，等.中原油田文72块注水井结垢趋势预测及试验研究［J］.油田化学，2008，25（3）：18-20.

［16］舒福昌，余维初，梅平，等.宝浪油田注水结垢趋势预测及试验验证［J］.江汉石油学院学报，2000，22（3）：87-89.

（编辑李宗华）

Application of physical scale prevention technology in Daniudi Gas Field

Chang Hui，Zheng Feng，Xu Weifeng，Luo Manqi
（No.1 Gas Production Plant，Huabei Company，SINOPEC，Zhengzhou 450006，China）

Because of high water salinity and high mass concentrations of calcium and magnesium ions，many wells are prone to scaling in the production string.Daniudi Gas Field began to fill inhibitors in 2010，but the scale inhibition rate was only 80%.Test and analysis of flowing pressure show that 50%developed wells have scaled from 2005 to 2010，which seriously affected the continued production of gas wells.In order to improve the scale inhibition rate，physical scale prevention test was carried out and suspension physical scale prevention devices were developed.The mass concentrations of calcium and magnesium ion for five gas wells before and after installation were monitored.Results show that the mass concentration of calcium and magnesium ions increases 133%and the comprehensive scale inhibition rate increases to 90%.The mass concentrations of 20，000-40，000 mg/L have good effect.By the experiment of physical scale prevention，the technology of physical scale prevention and its process of installation have been formed，which laid a foundation for further study of scale removal and prevention technology.

scaling；physical scale prevention device；calcium and magnesium ions；scale inhibition rate；Daniudi Gas Field

国家科技重大专项“鄂尔多斯盆地大牛地致密低渗气田开发示范工程”（2011ZX05045）

TE358+5

A

10.6056/dkyqt201503030

2014-12-05；改回日期：2015-03-12。

常辉，男，1983年生，助理工程师，硕士，2011年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，现从事井下工艺研究工作。E-mail：396976652@qq.com。

引用格式：常辉，郑锋，徐卫峰，等.物理防垢技术在大牛地气田的应用［J］.断块油气田，2015，22（3）：405-408.

Chang Hui，Zheng Feng，Xu Weifeng，et al.Application of physical scale prevention technology in Daniudi Gas Field［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2015，22（3）：405-408.