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气井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西安石油大学学报(自然科学版)()收稿日期:基金项目:陕西省重点研发计划();西安市科技计划项目科技创新人才服务企业项目();陕西省二氧化碳封存与提高采收率重点实验室开放基金()第一作者:李善建(),副教授,博士,研究方向:油气田应用化学。:中图分类号:文章编号:()文献标识码:气井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展李善建,何浩轩,王泽坤,薛 波,高同福,王 帅(西安石油大学 化学化工学院,陕西 西安 ;陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室,陕西 西安 ;油气田化学陕西省高校工程研究中心,陕西 西安 ;陕西延长石油有限责任公司 延长气田采气一厂,陕西 延安 )摘要:
2、随着天然气气田的开发,井筒堵塞问题逐渐凸显,井筒堵塞给生产带来诸多负面影响,如作业时间延长、产能下降、采收率降低以及储层应力状态改变等问题。因此明确气井堵塞的原因,选用正确的解堵工艺十分关键。通过对不同类型堵塞物的成因、机理及其危害性展开分析,结合解堵工艺的研究进展,对不同类型的堵塞提出针对性的解堵技术,探讨了工艺的原理、工艺的优缺点及其适用性,为解堵技术的深入研究和在气田的现场应用提供参考。关键词:气井;井筒堵塞;井筒解堵;解堵工艺 ,(,;,;,;,):,:;李善建,何浩轩,王泽坤,等 气井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展 西安石油大学学报(自然科学版),():,(),():李善建等:气
3、井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展引言气井井筒堵塞是国内气田开发过程中常见的现象,气井生产和作业过程中产生的腐蚀产物、气井采出液、缓蚀剂裂解产物及其他有机物质在高温高压下共同作用,在气井井筒中形成堵塞。堵塞物一方面会降低气井产能,另一方面也给修井作业带来修井工具遇卡的风险。引起堵塞的主要因素有地层出砂、井筒腐蚀、地层水矿化度较高等,此外,入井的缓蚀剂和其他有机试剂在井下高温高压环境下可能发生质变,极易与砂子、水合物、腐蚀产物和水垢等粘附并包裹,被气流携带出井底附着在井壁上,形成堵塞 。气井堵塞机理从宏观角度研究可以分为砂子堵塞、水垢堵塞、水合物堵塞和蜡质堵塞。气井出砂的严重程度受到地层应力变
4、化和开采工艺的影响,出砂后在井筒内逐渐堆积形成砂堵。水垢堵塞是由于高矿化度的地层水向井口运移的过程中由于温度、压力、值和流体流速的变化使得水垢从地层水中析出,在井筒内壁附着并逐渐形成堵塞。影响水合物生成的因素较多,主要包括高压低温的环境、充足的游离水、压力的骤然变化以及流体中存在易形成水合物晶体的的酸性气体(如 、等)。蜡质通常在低于凝析温度时析出,另外蜡质在井壁上的沉积量和流体的流速、剪应力等息息相关。目前针对井筒堵塞的问题,行之有效的措施主要有化学解堵法、物理解堵法和机械解堵法。化学解堵法使用酸液、螯合剂、抑制剂和清蜡剂对井筒堵塞物进行处理,在对井筒内部清洁的同时能够实现对储层和射孔的清洁
5、,因此是一种应用广泛的解堵技术;物理解堵法包括超声波除垢、高压水射流清洗除垢、热处理和脱水等方法,在清理堵塞物的同时不会对环境造成污染,但受限于成本问题,目前其在气田中的实际应用仍需要进一步的探索;机械解堵法使用机械工具对井筒堵塞部位进行切削或刮除作业,但该工艺效率低下且无法解决对近井地带的污染问题,因此很少采用该技术进行解堵。通过对 类主要堵塞物的产生原因和机理进行分析,针对性地选用解堵工艺进行解堵操作,将有助于进一步探索特定堵塞物的解堵技术,为气井的持续生产和高效开采提供支持。砂子堵塞 形成原因及机理分析导致气井出砂的因素可以归结为以下几个方面:流体动力学效应、压裂作业、地质条件和储层特性
6、、地层产出水的影响和不合理的开采手段等。()流体动力学效应由于天然气低黏度和低密度的特点,气井中的流体通常具有较高的流速。这种高流速流体具有较强的携砂能力,能够将储层中的颗粒物质带入井筒,并形成复杂的流动状态,导致气井出砂的现象。气体与颗粒物质之间的密度差异较大,颗粒物质在气井中往往不易与气体分离。在气井生产过程中,气体具有较低的密度和较高的上升速度,而颗粒物质(如砂粒)的密度较高且沉降速度较慢,这导致颗粒物质在井筒中悬浮并发生运移,并可能在井筒、管道和设备中形成堵塞。()压裂作业气井出砂与压裂作业有一定的相关性。在气井压裂作业中,通常注入高压液体来裂解储层岩石,增加气体流动性和气井产能。压裂
7、液对储层产生的冲击力使岩石碎裂,当高速流体对支撑剂的携带作用大于裂缝闭合作用在支撑剂上产生的摩擦力时,造成支撑剂回流,带出部分砂粒 。当作用于岩石上的剪切应力和拉伸应力超过岩石强度时,岩石被高压高速流体挤压破碎。抗压强度、抗拉伸强度和抗剪切强度三者组成了岩石应力,其中拉伸强度和剪切强度分别使用杨氏模量和剪切模量表征。杨氏模量是岩石发生拉伸(或压缩)产生形变时,拉伸(或压缩)方向的应力与线性应变的比,即 。()式中:为岩石的杨氏模量,;为外力,;为长度,;为长度变化量,;为截面面积,。剪切模量是岩石剪切弹性强度的标志。当剪切角较小时,可根据胡克定律计算剪切模量:。()式中:为剪切模量,;为剪应力
8、,;为受剪应力影响的表面积,;是剪切角,()。气井的压裂工艺对出砂量有影响。根据大庆油田对施工井排量和出砂井比例的统计 (见图 ),西安石油大学学报(自然科学版)由于采取大排量的压裂手段,压裂液流速较大,储层和地层近井部分岩石破损,气井后续生产出砂严重,分析缘由为地层性质的细微差别在压裂后放大,最终表现为出砂井的闭合压力、抗拉强度均减小,孔隙度增大。图 施工井排量与出砂井比例 ()地质条件和储层特性气井出砂通常在含砂岩层、高孔隙度和高渗透率的地层中较为常见。天然气的储层通常是普遍存在着孔隙和裂缝的碳酸盐岩,部分储层是松散砂岩,这种地层具有较高的孔隙度和渗透性,有助于气体流动,但也容易导致颗粒物
9、质的运移和流失;有些气井所处的高含砂地层中含有大量砂粒,这些砂粒通常会被气流携带进入井筒引起出砂。地层性质对出砂量有影响,大庆油田裸眼水平出砂井与未出砂井地质因素统计 见表 。()地层产出水的影响对于一些本身具有胶结作用的地层,地层应力变化是影响出砂量的关键因素。但对于粘土矿物含量较高、弱胶结作用、欠压实的疏松砂岩气藏,地层一旦产水,润湿的粘土发生水化膨胀,砂粒相互间的粘附力迅速减小,地层岩石的强度大大降低,使胶结表 大庆油田裸眼水平出砂井与未出砂井地质因素统计 类型闭合压力 孔隙度井筒与主应力夹角()声波时差()泥质含量抗拉强度 不出砂井 出砂井 砂转变为松散砂。因此,地层出水后临界出砂速度
10、减小,导致地层出砂进一步加剧。()不合理的开采不合理的开采同样导致地层出砂。在其他条件相同的条件下,生产压差越大,储层渗透率越高,流动相对地层的冲刷增强,黏土之间的胶结强度会因黏土遇水膨胀变松而减弱,进而在产出液的冲击下出现颗粒位移的现象,地层出砂程度加重。在东河油田的生产中发现,增大生产压差在产量增加的同时,由于流体流速高于出砂临界流速,致使液体渗流速度较快,液体对地层中岩石冲刷使其破损产生砂粒,细小颗粒在流体的冲刷下产生位移,最终地层出砂状况加剧 (参见图 )。图 东河油田部分生产井平均生产压差和平均砂埋速度 解堵技术 物理法对于油气田中出现的砂堵状况,物理法通常采用连续油管处理技术和连续
11、油管冲砂冲洗技术。连续油管处理技术 是将连续油管和工具下放至堵塞处,利用高速旋转的钻头进行解堵。其优点在于李善建等:气井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展能够充分利用油管连续可靠的密封特性,在负压环境下作业,采用闭式循环系统,可靠、安全地解决砂堵问题。该方法的解堵性能良好且稳定,对高温高压凝析气井效果良好。连续油管冲砂冲洗技术同样具有清堵作用,其特点在于能够在不压井、不移动管柱的前提下,使用较低密度的循环介质工作,冲洗工艺安全可靠且对油气藏有一定的保护性。连续油管冲砂冲洗技术分为正冲、反冲、正正冲以及正反冲 种冲砂方式,参见图 。不同冲砂方式的优缺点见表 。图 连续油管冲砂冲洗方式 表 砂堵物
12、理法处理技术对比 技术类型优点缺点连续油管冲砂冲洗技术正冲有效清除砂堵携砂能力有限反冲携砂能力较强冲砂液的压力低、冲砂液流量少,井底压裂砂清理不充分正正冲、正反冲清砂能力和携砂能力良好,冲砂液的冲击性较强操作安全性较低且可能污染地层连续油管处理技术油管密封、工艺简单、能够负压进行操作运行成本较高 化学法除上述的以连续油管处理技术为代表的一些物理方法外,化学解堵技术在解除砂堵方面同样出色。对于以碳酸钙为主要成分的方解石、白云石和文石的碎屑沉积物,通常使用盐酸、醋酸或甲酸进行酸化解堵处理。对于由砂粒和胶结物组成的砂岩,通常考虑使用土酸进行解堵处理,该工艺利用盐酸进行预处理,其目的是将地层中含有、的
13、地层水替换,同时利用盐酸溶解井下的碳酸盐。这一操作一方面是防止氢氟酸和砂岩直接作用生成的氟硅酸和氟铝酸与、结合生成不溶性沉淀,另一方面是防治氢氟酸和碳酸钙作用产生 沉淀。此外,利用极性溶剂分散并溶解砂子,通过高压、高流速气流将其带出井筒也是解除堵塞的另一种方式。综上,物理法操作简单,解堵效率高,对环境污染较小。但物理法可能会对井筒和设备造成机械磨损,特别是在使用高压冲洗、铣刀、高速钻头等器具时,需要注意对井筒的保护。此外,该技术的解堵效果受到井筒结构和颗粒物质特性的限制。而化学解堵技术可以通过调整配方,针对某一类砂岩、砂子堵塞进行解堵处理,快速高效解除砂堵。但该技术由于使用酸液,不可避免地会对
14、井筒和环境造成污染。使用时要对酸液的浓度和用量严格把控,并做好环境监测工作。水垢堵塞高矿化度的地层水和 、这类酸性气体在高温高压的气井生产中会造成不同程度的结垢、腐蚀和堵塞。形成原因及机理分析井筒结垢的影响因素见表 。高矿化度所引起的结垢指的是采出液中的盐类物质过饱和时,地层水中不相溶的阳离子与阴离子结合生成难溶的盐垢,附着于井筒内壁或掉落进入井底的现象 。根据不相溶理论、热力学条件变化理论、吸附理论 ,水垢在井筒内部的析出首先源于地层水内部西安石油大学学报(自然科学版)表 井筒结垢的影响因素 影响因素影响机理作用压力压力降低,采出液气体分压降低,部分 析出部分 溶于水后产生的 和金属阳离子结
15、合形成水垢 值碱性条件下 生成 和金属阳离子结合形成水垢温度温度的变化改变难溶盐的溶解度升温使得部分水垢减少,如 矿化度矿化度对难溶盐的溶解度有一定的影响高矿化度水中阴阳离子活度降低,减少了两者之间成盐的可能流速流速增大提高了结垢物的剥蚀率流速越大,垢物的增长越小存有不相容的离子,即来自不同深度的地层水混合后为保证体系稳定而析出固体结垢物。采出液从气井井底向井口运移的过程中,温度、压力、油气水的平衡状态以及其中富集的各类阳离子(如 、)和阴离子(如 、)的浓度均会发生变化,导致原本处于饱和状态的采出液析出不相容的阳离子和阴离子结合生成盐垢。结垢分为 个阶段(见图 )。首先在水垢形成阶段,产生溶
16、解度较低的盐垢;其次在平衡阶段,由于体系内晶体的产生,分子排列形成微晶,晶粒产生;在系统失稳阶段,由于更多的晶体的长大导致新的垢物产生;最后系统又将回归一个新的平衡状态 。图 溶液体系中结垢进程 在气井中,当高压气体通过射孔孔眼流出时,气体体积增大、压力下降,引起温度的降低。这种温度的降低会使得地层中溶解的盐类浓度超过了其饱和度,导致盐类开始析出并沉积在管道壁、设备表面或井筒壁上,形成盐垢。气井排水所引起的碳酸盐垢析出同样是由于地层水中溶解的碳酸盐在气井排水过程中溶解度降低引起的。地层水随气流进入井筒后,在温度和压力的共同作用下,流体从高压储层进入井筒内部,压力降低,温度升高,流体中地层水的水
17、分含量减少,导致碳酸盐浓度超过饱和,引发碳酸盐的析出。针对井下腐蚀环境,我们认为气井中的腐蚀介质由水介质、在天然气中以气相存在的酸性气体和溶解在水相中的酸性气体、各种阴阳离子组成 。解堵技术常用的解除水垢堵塞的解堵技术有机械除垢法、物理除垢法和化学除垢法。机械除垢法机械除垢法是利用机械钻头高速旋转来实现对井筒内部的垢物进行清除(图 ),对于一些管道设备老化的气井以及一些耐酸性较差的钢材,通常采用机械除垢技术进行解堵,该技术能够有效清除如硫酸钡、碳酸钙这类硬质水垢。图 机械除垢法工具结构 物理除垢法物理除垢法运用超声波和电磁等物理技术,降低垢物强度,最终将水垢粉碎并脱落。()高强声激波除垢技术
18、该技术通过声激仪发出的高强声激波,能够将水垢粉碎以实现解堵目的。()高压水射流清洗除垢技术该技术使用高压泵注入高压水,通过高频电子脉冲使高压水由高压低流速水转化为低压高流速水,这种高流速的水产生的穿透力既不会对井筒内壁上的防护层产生破坏,又能够将壁上附着堵塞物清理干净,使管道通畅 。物理除垢技术操作简便,无污染,且能够防止水垢的再次产生,但物理除垢法对设备的要求高、设备李善建等:气井井筒堵塞原因分析及解堵工艺研究进展成本较高以及对设备的工作环境要求严格等问题限制了大多数物理除垢法在井筒堵塞物处理中的应用。化学除垢法化学除垢法是一种应用广泛且发展较成熟的除垢法,通常选用酸洗除垢剂清除水垢。酸洗除
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