四川盆地龙马礁滩气藏堵塞物研究

四川盆地龙马礁滩气藏堵塞物研究

0气井堵塞的问题近年来，中国四川盆地部分气矿部分气井的阻塞日益严重。特别是在气井开发的中后期，不同程度的井结构形成了不同程度的结垢现象。结垢通常是白色和黑色的固体或石膏，影响矿山的正常生产和井的维修。龙岗礁滩气藏属高温、高压、高含硫气藏,目前已有部分气井出现了不同程度的堵塞,井下管串中存在大量黑色黏稠糊状垢污,在龙岗001-1井、龙岗001-3井和龙岗001-8-1等井都出现了测压遇阻并带出黑色黏稠糊状垢污的问题,气井产量、压力快速下降,酸化解堵有效期缩短。针对川中油气矿龙岗礁滩气藏的堵塞现状,结合堵塞物成分、形貌分析,采用井下模拟分析的方法,展开龙岗礁滩气藏堵塞机理研究,为解决该类堵塞问题提供思路与方法。1管道堵塞物晶型分析通过红外光谱、气相色谱、光电子能谱等分析手段得出堵塞物的主要化学成分含有较多矿物油、脂肪酸及其酯类物质、硅油、酰胺类聚合物等有机组分,并含有炭黑、单质硫、硫化亚铁、二硫化亚铁、二氧化硅、矿物盐等无机组分。有机组分中,矿物油主要来自入井液,如工作液中油溶性缓蚀剂CT2-19、解堵剂CT4-12A等,其中解堵剂CT4-12A主要成分即为烃类油,且向地层注入量较大;脂肪酸及其酯类物质主要来自缓蚀剂CT2-19、CT2-19B和胶凝剂CT2-4等外加剂中酰胺类化合物在高温下的分解产物,此外,解堵剂CT4-12A也含有少量脂肪酸及其酯类物质;硅油主要来自消泡剂FG-2A;酰胺类聚合物主要来自缓蚀剂和胶凝剂。无机组分几乎均含有炭黑,它主要来自地层沥青等重油或重烃的分解;单质硫主要来自井底硫沉积;硫化亚铁和二硫化亚铁主要来自含铁矿物黄铁矿的酸溶蚀和井下管线腐蚀的产物及其高温高压条件下的次生物;二氧化硅为地层颗粒物;矿物盐主要为硅酸盐、硫酸钙、氯化钙等物质,它们主要来自固井水泥浆和地层水及其次生物。垢污中无机组分含量较高,在堵塞物的微观形貌中会出现这些无机组分的晶体构型或聚集形态,故先采用XRD衍射仪对堵塞物进行镜像分析。本文垢样选自龙岗礁滩气藏井组集输管线东、西干线的油水分离器处所取垢污。通过XRD衍射分析,对照标准卡片可以看出二氧化硅、硫化亚铁、二硫化亚铁、斜方晶型的单质硫等晶体物质的存在。结合上述晶型,采用扫描电镜对堵塞物的微观形貌进行分析,以探明堵塞物各组分的结合状态。先采用较低倍率观察堵塞物垢污的整体形貌,发现其大小不一,包裹体粗,分散于黑色胶质中,见图1a);扩大倍率观察包裹体和胶质的微观形貌,前者为类似晶簇结构,见图1b),后者为亚分布的包裹体和胶质形态,其中也发现轮廓分明的晶体结构,见图1c)。为进一步确认其晶体结构的存在,选择矿物组分较多的LG001-8-1井垢污在同倍率下观察分析,得出相同结果,见图1d)。2储层岩性颗粒物质井下堵塞物形成的条件较为复杂,不仅受高温、高压、高含硫的复杂环境因素影响,而且与储层岩屑、沉积硫、炭黑等颗粒物质有关,与入井液外加剂所引入储层的聚合物、酸液及其腐蚀产物等也紧密相关。常温常压的分析试验难以对堵塞物形成机理进行有效分析解释,因此采用高温高压井下模拟试验的方法。2.1试验设计阶段气井开发的每个环节都可能引起堵塞,储层中可能造成堵塞的条件也较为复杂,这给高温高压井下模拟试验及堵塞物机理分析带来巨大挑战。井下堵塞物的形成是入井流体、矿物组分、井下流体和各种中间产物的共同作用结果。在龙岗礁滩气藏十余口气井堵塞前后现场相关地质参数和工艺措施的基础上,结合堵塞物成分及形貌分析结果,依据入井流体与气井矿物组分、中间产物和井下流体的相互作用关系,模拟井下条件,设计相关试验。入井流体选择打开油气层所用的高温转向酸体系和堵塞前所加入的与垢污成分相同的解堵剂CT4-12A、消泡剂FG-2A等;气井矿物选择堵塞较为严重且气井产量较大的LG001-8-1井的岩屑;井下流体选择LG001-8-1井的地层水样;中间产物选择气井开发过程中形成的腐蚀产物(氯化亚铁、氯化铁)和沉积产物(单质硫、炭黑)等。为尽可能还原井况,用LG001-8-1井的地层水和岩屑制得残酸作为研究介质。根据设计思路,为了提高模拟试验与井况实际的拟合度,在垢污分析基础上,结合目标井投产前后施工措施及其入井液情况,设计作为模拟井下流体的基础配方:5mL地层水+5mL残酸+4%硫化钠+10D20%盐酸+3.3%氯化亚铁+4.4%氯化铁+2%消泡剂FG-2A+2%乙二醇+2%解堵剂CT4-12A+2%缓蚀剂CT2-19+2%缓蚀剂CT2-19C+2%炭黑+4%单质硫+2%胶凝剂CT2-4+2%除氧剂硫代硫酸钠,采用控制变量的方法对井下固体颗粒物、残酸、油溶性外加剂和铁元素4因素进行分析。模拟生成垢污质量评价指标为垢污量、垢污沉积位置、垢污疏松程度、溶液浊度。反应在130℃、15.5MPa的近似模拟条件下进行4h。2.2.1固体颗粒对垢污形成的作用井底含硫和碳的化合物长时间在高温高压的地层条件下演变形成炭黑和单质硫,当温度、压力骤降时会在井筒和井口附近出现沉积现象。由于这些颗粒沉积前分散在气相中,沉积后形成的颗粒物粒径小,比表面积较大,因此可能会参与井下垢污的形成。设计下述试验以考察井底固体颗粒对垢污形成的影响。由图2可知,即使不加炭黑和单质硫,液面仍有褐色凝胶类物质生成,说明残酸对凝胶状垢污的形成起到构建骨架的作用;仅加入炭黑可见,炭黑颗粒均被吸附到液面的凝胶结构上,说明炭黑主要起到增大和稳定凝胶结构的作用;仅加入单质硫可见,除少量单质硫滞留于液面的凝胶结构中,大部分单质硫均沉积在试管底部,说明由于单质硫的密度大于炭黑密度,原本吸附在凝胶结构上的单质硫造成凝胶结构比重下降而沉至试管底部;模拟现场,同时加入炭黑和单质硫可见,大部分黑色模拟垢污均沉积于试管底部,炭黑和单质硫均被吸附到凝胶结构上而引起其沉降。2.2.2地层水+残酸介质模拟垢污形成的机理酸液酸化储层所形成的残酸滞留在储层中,并不能被完全返排至地面,在垢污形成初期可能会参与垢污的形成。以001-8-1井为例,2009年10月2日完钻,2010年1月20日即发现测压遇阻,可见残酸完全有可能参与垢污的形成。设计下述试验以考察残酸对垢污形成的影响。由于岩屑参与残酸的组成,残酸的因素分析也一定程度反映聚合物、岩屑颗粒及其酸化组分对垢污形成的影响。从图3可见,地层水介质下的固体颗粒以聚集态悬浮于较为澄清的溶液中,只有极少量颗粒分散在溶液中,当用玻璃棒稍加搅动后,呈聚集态的黑色固体颗粒迅速沉降至试管底部。残酸介质下和地层水+残酸混合介质下的现象相似,在溶液表面和底部都有黑色模拟垢污。二者区别在于,地层水+残酸介质的表面模拟垢污和底部模拟垢污的结构较残酸介质的疏松。残酸是产生上述现象的本质原因。残酸中含有胶凝剂、缓蚀剂、残余盐酸和未完全反应的岩屑等物质,其中胶凝剂和缓蚀剂不仅直接参与凝胶状垢污的形成,还起到稳定凝胶状垢污形成的作用。此外,模拟试验中垢污沉积位置可直接反映井下垢污主要存在位置,沉积于溶液表面的垢污一般能被采出液或工作液向井口乃至地面管线带出,但其黏弹性好、附着力强的特点又使其易在井下成垢位置至井口部位形成堵塞,堵塞物的累积使修井、测压等井下作业遇阻。沉积于试管底部的垢污除少量能被气流携带至近井地带外,其余大多则吸附在储层岩石上,使储层渗透率减小,气井产量降低。2.2.3不同油溶性外加剂体系的除垢效果气井在生产过程中需向井口或环空注入多种外加剂,包括消泡剂FG-2A、解堵剂CT4-12A、防冰堵剂乙二醇、缓蚀剂CT2-19、环空缓蚀剂CT2-4或CT2-19C等。以001-8-1井为例,主要用到的外加剂有消泡剂FG-2A、解堵剂CT4-12A,在模拟井下流体中剔除二者作为空白组,设计下述试验考察油溶性外加剂对垢污形成的影响。由图4可见,不加外加剂时,溶液形成的部分垢污悬浮在液体中;仅加入FG-2A或CT4-12A后,表面垢污均不同程度增多,其中加入CT4-12A最为明显,其液体表面不仅有大量黑色物质,液体也被乳化呈乳白色;c)~d)组试验可见,但凡加入CT4-12A的复合外加剂体系,其表面垢污明显较多。通过本组实验可见,油溶性外加剂主要影响垢污生成时的分布,即加入外加剂后垢污更易分布在液面,其中加入CT4-12A影响最大,加入FG-2A次之。CT4-12A外观为无色透明液体,主体成分为烃类油,有煤油味;FG-2A外观为白色乳液,为聚甲基硅氧烷水溶液,含少量二甲基硅油,久置分层。通过CT4-12A和FG-2A的主要成分分析,并结合上述凝胶结构形成分析可见,二者均在不同程度上使垢污较易在液面分布,其主要原因是:CT4-12A存在较多油溶性组分烃类油,而FG-2A也含有少量油溶性组分二甲基硅油。这些油溶性组分及其外加剂与水形成油水界面并浮于液面,油润湿性好的炭黑能较好地分散在油相中,并吸附在油水界面上局部形成的乳状液中。同时,在炭黑的成核作用下,其他颗粒如炭黑、铁的氢氧化物等通过吸附或架桥作用富集到液面。尽管CT4-12A能形成较多的液面垢污,但其结构较为疏松,因为CT4-12A油相和表面活性剂加入后,通过溶剂化作用,在一定程度上削弱了凝胶结构中聚合物分子链伸展和与颗粒物的架桥作用。2.2.4铁元素参与的种类井下垢污分析得出,多口井的井下垢污中铁含量高达30%以上,其来源主要是井下金属钻具、管柱腐蚀及储集岩中含铁矿物(如黄铁矿)的酸溶解。将其腐蚀产物FeCl2和FeCl3作为反应底物探讨铁元素对垢污形成的影响。由图5a)可知,若垢污形成过程中没有铁元素参与,垢污的凝胶结构则较为疏松;对比图5b)~d)可知FeCl2更易在液面形成较为疏松的垢污,FeCl3则更易形成较为密实的结构,二者共存时结构最为密实。造成上述现象的原因是铁离子和亚铁离子在高温高压下水解形成对应氢氧化物,其具有不同的絮凝作用。由于氢氧化铁胶体粒子所带电荷量较氢氧化亚铁多,因此其絮凝作用要优于氢氧化铁,因此Fe2+更易在液面形成较为疏松的垢污,而Fe3+则更易形成较为密实的结构。同时,由于氢氧化铁胶体粒子和氢氧化亚铁胶体粒子大小的差异,其吸附架桥在一定程度上可以达到级配的作用,因此二者共存时凝胶结构更为密实。3外加剂的使用研究可见,凝胶状垢污形成的必要条件是高温高压井况,井下形成炭黑和单质硫,存在含胶凝剂的残酸的聚合物组分及入井液外加剂的油溶性组分。因此,解堵措施最根本的出发点就是破坏垢物的凝胶结构。a)设计入井液时,慎用含有表面活性物质的油溶性外加剂,以避免炭黑等粉末状物质在油相或乳状液中分散形成稳定的高黏悬浮体或乳状液。出现该类堵塞状况时,可加大返排功率,使初期所形成的疏松凝胶物质或固态悬浮物能返排至地面,以缓解井下堵塞。b)在其他施工作业(如酸化压裂)时,尽量减少甚至避免采用高分子聚合物,可选用胶束酸或其他表面活性剂酸化技术,或采用多氢酸体系酸化或酸压,或采用清洁压裂液进行压裂。c)使用缓蚀剂、螯合剂、铁离子稳定剂等外加剂抑制井下铁离子的形成,避免其对井下垢污形成的促进作用。同时可采用合适的氧化剂或还原剂将Fe2+和Fe3+转化为统一价态,以避免两种价态共存时对凝胶状垢物的稳定作用。d)开发专用解堵剂,开展沉积硫、炭黑的沉积机理和专用解堵剂研究,利用相似相溶原理、螯合原理开发适用于类似气井解堵的新型药剂。4改性胶状物主要成分a)堵塞物垢污中含有矿物油、酰胺类聚合物、脂肪酸和硅油等有机组分,含单质硫、炭黑、硫化亚铁和二硫化亚铁等固体颗粒物,并在XRD衍射仪分析得出这些物质的主要晶型;堵塞物的微观形貌为胶质状包裹体,包裹着粒度大小不一的固体颗粒物质。b)当井下流体流经含高温转向酸残酸或其他聚合物的区域时,该流体在井下高温高压、颗粒吸附架桥作用及腐蚀产物等物质的复杂作用下形成含聚合物的凝胶体;当井下流体含较多油相,并存在具有乳化作用的表面活性物质,如表面活性剂和炭黑类粉末物质时,在高温高压、流体流动及吸附作用下形成高黏乳状液。这两种胶状物质的产生均会造成井底伤害和井筒堵塞。c)防治垢污方面,氧化剂和配体化合物具有一定溶垢效果;慎用含油溶性表面活性物质的外加剂;少用高分子聚合物;将铁转为同一价态;采用复合型溶剂解堵;以氧化剂等破胶剂作为后置液对含聚合物的入井液进行破胶;选用低分子量的胶束酸、表面活性剂酸和溶垢能力强的多氢酸进行酸化解堵。从图1可见,胶状物中存在大量细小