判断产水气井井筒结垢风险及确定防垢剂注入时机的方法与流程

本发明属于油气勘探技术领域，涉及油气井防垢技术，具体地说，涉及一种判断产水气井井筒结垢风险及确定防垢剂注入时机的方法。

背景技术

结垢是油气田开发过程中一种常见的破坏性问题，油气田结垢会对井筒流动保障造成严重影响。在油气开采过程中，当系统的温度、压力和ph值等发生变化时，可能在地下储层、射孔孔眼、井筒、井下泵、地面油气集输设备管线内形成结垢，往往造成井筒、生产管线及设备堵塞，对生产流动造成破坏，不仅会增加修井次数，缩短修井周期，严重时还会造成井筒报废，造成巨大的经济损失。

油气田结垢主要有两大原因：一是地层水中含有高浓度易结垢盐离子，在采油气过程中，因压力、温度或水成分变化改变了原先的化学平衡而产生垢，主要以碳酸钙垢为主，我国陆上油气田结垢大都由此引起；二是两种或两种以上不相容的水混合后，结垢离子相互作用而生成垢，最为常见的有硫酸钡和硫酸锶垢，特别是海上油气田注海水开发过程中，地层水常含有钡锶离子，而海水含有大量的硫酸根离子，两者混合产生难溶的硫酸盐垢。目前已发现水中能产生的垢大约有120余种，但一般认为，油气田生产过程中最为常见的垢可以分为两大类：硫酸盐垢如caso4、baso4、srso4，碳酸盐垢如caco3、mgco3。

油气井防垢技术有很多种，可分为化学方法、物理方法和工艺方法。化学方法的防垢机理是应用化学防垢剂的某些特性阻止垢的生成；物理法的防垢机理是应用某些物理仪器设备的功能抑制垢的形成，但是需要在井下下入工具，其作用范围有限；工艺法的防垢机理是改变或控制某些作业工艺条件来破坏或减少垢的生成机会，其需要结合开发方案进行具体实施，适用性有限。化学防垢具有效果好、应用范围广、使用灵活等优点，因而成为目前国内外油气田主要的防垢技术，化学防垢通常是向井下滴注、投放固体防垢块、挤注的方法进行防垢，优点是对钙镁及钡锶垢均有效，作用范围广，但是面临着用量及成本控制的选择，用量选择不当，就会导致防垢效果不佳或者成本加大。

对于某些复杂而苛刻的工况条件，如深海油气田，由于采用海底生产系统，很多陆上防垢除垢措施不能有效应用，如超声波、磁处理等物理防垢措施、以及向井筒中投放固体防垢块、向近井地层挤注防垢剂等化学防垢方法面临施工难度大，成本高等问题。相对而言，具有较高可行性的防垢措施包括：(1)采用井下微管滴注或注入防垢剂；(2)对管材内表面进行处理，防止或减轻垢物在管壁上的沉积；(3)控制生产压差，降低产水量，防止底水锥进；(4)提高井筒内油气水速度，使井中油气水混合液形成紊流状态，使井筒中结垢不能聚集和附着在管壁上。同样的，具有一定可行性的除垢措施包括：(1)采用井下注入和浸泡，对井筒内附着的碳酸钙垢进行酸洗作业；(2)采用井下注入和浸泡，对井筒内附着的碳酸钙进行防垢剂的化学除垢措施。尽管如此，以上这些防垢除垢措施在深水油气田开发中使用仍具有很大的局限性和较高的成本，因此，准确预测井筒结垢风险，优化防垢措施，降低修井作业次数，以保证开采期间井筒不结垢或结垢不会造成显著的产量下降，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的施工难度大、成本高等上述问题，提供一种提高防垢施工效率、降低防垢成本的判断产水气井井筒结垢风险及确定防垢剂注入时机的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种判断产水气井井筒结垢风险及确定防垢剂注入时机的方法，其具体步骤为：

s1、获取井筒温度、压力场数据，根据井筒温度、压力场数据，建立温度、压力与地层水结垢量的关系版图，通过关系版图确定井筒结垢风险井段及地层水的最大结垢量；

s2、根据井筒结垢风险井段及地层水的最大结垢量，确定井筒结垢厚度，判断堵塞风险，其步骤为：

(一)根据单位体积地层水的最大结垢量，通过公式(1)计算某一期限内井筒累计结垢量，公式(1)表示为：

mscale＝qw×1000×cscale×365×n/10⁶(1)

式中，qw为日产水量，单位：m³/d；cscale为单位体积地层水的最大结垢量，单位：mg/l；n为年限，mscale为井筒内某一期限内的总结垢量，单位：kg；

(二)计算井筒结垢风险井段内形成的最大结垢厚度；

(三)根据最大结垢厚度判断井筒堵塞风险；

s3、根据井筒结垢量及堵塞风险程度，确定防垢剂注入要求，其步骤为：

(一)确定防垢剂注入时机；

(二)确定防垢剂浓度及注入速度。

优选的，步骤s1的具体步骤为：

(一)根据现场监测数据或井筒温度压力场计算软件，获得井筒的温度、压力数据；

(二)在图版上勾画出从井筒底到井筒口的温度压力变化轨迹，用温度压力轨迹线上各点对应的结垢量减去井筒底条件下的结垢量，该结垢量差值即为地层水从井筒底到井筒口过程中结垢趋势变化；

(三)结垢趋势为正值的井段为结垢风险井段；沿着井筒底向上，从结垢趋势为正值开始至最大结垢趋势点之间为主要结垢风险井段，最大结垢趋势点对应的结垢量差值即为井筒中单位体积地层水的最大结垢量。

优选的，步骤s2中，计算结垢风险井段内形成的最大结垢厚度分为以下两种情况：

(1)假设结垢颗粒全部附着在井筒管壁上，根据井筒结垢风险井段长度、累积结垢量，计算井筒内平均结垢厚度，则井筒内最大结垢厚度≈平均结垢厚度×2，最大结垢厚度在结垢趋势最大点处；

(2)假设结垢颗粒部分附着在井筒管壁上，当井筒流体静止时，结垢颗粒在井筒管壁上的附着比例按照0.4-0.5估算，当井筒流体流动时，结垢颗粒在井筒管壁上的附着比例按照0.2-0.3估算，则井筒内最大结垢厚度≈结垢颗粒全部附着在井筒管壁上时最大结垢厚度×附着比例。

优选的，步骤s2中，根据最大结垢厚度判断井筒堵塞风险分为以下三种情况：

(1)若最大结垢厚度大于井筒内半径，则判断井筒严重堵塞、甚至报废；

(2)若最大结垢厚度小于井筒内半径但大于临界垢层厚度，则判断产气量下降、井底积液；

(3)若最大结垢厚度小于临界垢层厚度，当缩径率小于4％时，则判断产气量下降小于10％，当缩径率大于4％时，则判断产气量下降大于10％。

优选的，步骤s2中，临界垢层厚度的计算方法为：根据典型气井生产数据，在保持井筒口压力不变的情况下，计算不同有效井筒管径下对应的产气量，得到井筒缩径率与产气量下降率的关系图，其中，井筒缩径率＝垢层厚度×2/井筒内径，若已知临界携液流量，求得产气量下降率＝(原始产气量-临界携液流量)/原始产气量，根据井筒缩径率与产气量下降率的关系图读取相应的井筒缩径率，进而求得临界垢层厚度。

优选的，步骤s3中，确定防垢剂注入时机的具体步骤为：

(1)当判断得到井筒内无结垢风险，不需要采取防垢措施，无需注入防垢剂；

(2)当判断得到井筒内最大结垢厚度小于临界垢层厚度时，则：若缩径率在4％以内，产气量下降率在10％以内，无需注入防垢剂；若缩径率在4％以上，产气量下降率在10％以上，需要持续或间歇注入防垢剂；

(3)当判断得到井筒内最大结垢厚度大于临界垢层厚度时，则需要连续注入防垢剂。

优选的，步骤3中，确定防垢剂浓度及注入速度的具体步骤为：

(1)根据室内评价实验确定防垢剂的有效浓度，其中，防垢剂浓度采用10-50mg/l,地面注入防垢剂的浓度为5-10wt％；

(2)防垢剂注入速度＝日产水×1000×防垢剂有效浓度/10⁶/地面注入的高浓度防垢剂密度/地面注入防垢剂的浓度，其中，防垢剂注入速度的单位为：l/d，日产水的单位为：m³/d，防垢剂有效浓度的单位为：mg/l，地面注入的高浓度防垢剂密度的单位为：kg/l，地面注入防垢剂的浓度的单位为：质量分数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过根据井筒温度压力场，参考温度、压力与结垢量关系图版，确定井筒结垢风险井段及最大结垢量，确定井筒结垢厚度，判断堵塞风险，从而确定防垢剂注入时机、防垢剂浓度以及注入速度。本发明能够及时掌握井筒结垢风险，确定结垢堵塞或井径缩小的位置，预测或直接测定垢层的附着厚度，确定井筒有效的水力直径；能够及时掌握防垢剂注入情况，判断是否达到设计要求，评价防治效果，根据反馈信息及时调整注入方案；本发明提高防垢施工效率，降低成本，提高经济效率，且本发明应用范围广、使用灵活。

附图说明

图1为本发明实施例结垢量与温度、压力的关系版图。

图2为本发明实施例结垢风险等级划分图。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

本发明揭示了一种判断产水气井井筒结垢风险及确定防垢剂注入时机的方法，其具体步骤为：

s1、获取井筒温度、压力场数据，根据井筒温度、压力场数据，建立温度、压力与地层水结垢量的关系版图，通过关系版图确定井筒结垢风险井段及地层水的最大结垢量；其具体步骤为：

(一)根据现场监测数据或井筒温度压力场计算软件，获得井筒的温度、压力数据。

(二)在图版上勾画出从井筒底到井筒口的温度压力变化轨迹，用温度压力轨迹线上各点对应的结垢量减去井筒底条件下的结垢量，该结垢量差值即为地层水从井筒底到井筒口过程中结垢趋势变化。

例如：

以某气田开发井典型井筒底温度95℃、压力38mpa条件，绘制25-95℃不同温度下压力从38mpa降低至5mpa过程中单位体积地层水的结垢量，结垢量的单位为：mg/l，获得的温度、压力与地层水结垢量的关系版图参见图1，其井筒结垢量与温度、压力的关系数据详见表1。

表1

(三)结垢趋势为正值的井段为结垢风险井段；沿着井筒底向上，从结垢趋势为正值开始至最大结垢趋势点之间为主要结垢风险井段，最大结垢趋势点对应的结垢量差值即为井筒中单位体积地层水的最大结垢量。

s2、根据井筒结垢风险井段及地层水的最大结垢量，确定井筒结垢厚度，判断堵塞风险，其步骤为：

(一)根据单位体积地层水的最大结垢量，通过公式(1)计算某一期限内井筒累计结垢量，公式(1)表示为：

mscale＝qw×1000×cscale×365×n/10⁶(1)

式中，qw为日产水量，单位：m³/d；cscale为单位体积地层水的最大结垢量，单位：mg/l；n为年限(视研究的期限而定)，mscale为井筒内某一期限内的总结垢量，单位：kg。

(二)计算井筒结垢风险井段内形成的最大结垢厚度(即对应井筒内有效水力直径)，分为以下两种情况：

(1)假设结垢颗粒全部附着在井筒管壁上，根据井筒结垢风险井段长度、累积结垢量，计算井筒内平均结垢厚度，则井筒内最大结垢厚度≈平均结垢厚度×2，最大结垢厚度在结垢趋势最大点处；

(2)假设结垢颗粒部分附着在井筒管壁上，当井筒流体静止时，结垢颗粒在井筒管壁上的附着比例按照0.4-0.5估算，当井筒流体流动时，结垢颗粒在井筒管壁上的附着比例按照0.2-0.3估算，则井筒内最大结垢厚度≈结垢颗粒全部附着在井筒管壁上时最大结垢厚度×附着比例。

为了保证风险判断的准确度，作为最优选择，采用第一种情况下获得的最大结垢厚度作为井筒堵塞风险判断依据。

(三)根据最大结垢厚度判断井筒堵塞风险，分为以下三种情况：

(1)若最大结垢厚度大于井筒内半径，则判断井筒严重堵塞、甚至报废；

(2)若最大结垢厚度小于井筒内半径但大于临界垢层厚度，则判断产气量下降、井底积液；

(3)若最大结垢厚度小于临界垢层厚度，当缩径率小于4％时，则判断产气量下降小于10％，当缩径率大于4％时，则判断产气量下降大于10％。

s3、根据井筒结垢量及堵塞风险程度，确定防垢剂注入要求，其步骤为：

(一)确定防垢剂注入时机，其具体步骤为：

(1)当判断得到井筒内无结垢风险，不需要采取防垢措施，无需注入防垢剂；

(2)当判断得到井筒内最大结垢厚度小于临界垢层厚度时，则：若缩径率在4％以内，产气量下降率在10％以内，无需注入防垢剂；若缩径率在4％以上，产气量下降率在10％以上，需要持续或间歇注入防垢剂；

(3)当判断得到井筒内最大结垢厚度大于临界垢层厚度时，则需要连续注入防垢剂。

(二)确定防垢剂浓度及注入速度,其具体步骤为：

(1)根据室内评价实验确定防垢剂的有效浓度，其中，防垢剂浓度采用10-50mg/l,地面注入防垢剂的浓度为5-10wt％；

(2)防垢剂注入速度＝日产水×1000×防垢剂有效浓度/10⁶/地面注入的高浓度防垢剂密度/地面注入防垢剂的浓度，其中，防垢剂注入速度的单位为：l/d，日产水的单位为：m³/d，防垢剂有效浓度的单位为：mg/l，地面注入的高浓度防垢剂密度的单位为：kg/l，地面注入防垢剂的浓度的单位为：质量分数。

随着垢层厚度增大，井筒有效水力半径减小，产气量会下降，而气井存在一个发生井底积液的临界携液流量，达到临界携液流量所对应的垢层厚度，即为临界垢层厚度。作为优选，上述临界垢层厚度的计算方法为：根据典型气井生产数据，在保持井筒口压力不变的情况下，计算不同有效井筒管径下对应的产气量，得到井筒缩径率与产气量下降率的关系图，其中，井筒缩径率＝垢层厚度×2/井筒内径，若已知临界携液流量，求得产气量下降率＝(原始产气量-临界携液流量)/原始产气量，根据井筒缩径率与产气量下降率的关系图读取相应的井筒缩径率，进而求得临界垢层厚度。例如：假设产气量100万方/天，井筒内径为0.076m，泥线以下井深2000m，海底温度4℃，井筒底温度95℃，井筒底流压38mpa，井筒口压力30.15mpa，临界携液流量为10万方/天，在保持井筒口压力不变的情况下，计算不同有效井筒管径下对应的产气量(管径越小，产气量越小)，得到井筒缩径率与产气量下降率的关系图参见图2。

以下以具体的案例为例对本发明作出进一步说明。

实施例1：生产井为水平井

计算条件：产气量79万方/天，井筒内径0.0759m，泥线以下井深2410m，海底温度4℃，井筒底温度91℃，井筒底流压20.7mpa，井筒口压力9.3mpa，日产水量152方/天，临界携液流量为10万方/天，预测10年的结垢厚度；

(1)温度压力场计算；

(2)结垢风险井段在2050-3955m之间，最大结垢趋势点在3060m处，结垢风险井段长度1905m，最大结垢量是8.35mg/l；

(3)计算10年的累计结垢厚度：

考虑全部附着，平均结垢厚度：d＝mscale/ρ2πrl＝4632.58/(2000×2×3.14×0.0759×1905)＝0.00255m，最大结垢厚度：d＝2d＝2×0.00255＝0.0051m；

若考虑结垢动力学，则当静止时，附着比例取0.45，最大结垢厚度：

d＝2d×0.45＝2×0.00255×0.45＝0.00295m；

若考虑流动，附着比例取0.25，最大结垢厚度：

d＝2d×0.25＝2×0.00255×0.25＝0.001275m；

(4)考虑全部附着计算井筒缩径率，判断井筒堵塞风险：

井筒缩径率＝0.0051×2/0.0759＝0.134，井筒缩径率在4％以上，产气量下降率在10％以上，造成一定的产量下降；

(5)确定防垢剂注入时机，需要持续或间歇注入防垢剂；

(6)防垢剂注入浓度和速率：防垢剂注入浓度选择30mg/l，

实施例2：生产井为直井

计算条件：产气量88万方/天，井筒内径0.0759m，泥线以下井深1905m，海底温度4℃，井筒底温度90℃，井筒底流压11.4mpa，井筒口压力6.02mpa，日产水量15方/天，临界携液流量为10万方/天，预测10年的结垢厚度；

(1)温度压力场计算；

(2)结垢风险井段在2541-3436m之间，最大结垢趋势点在3046m处，结垢风险井段长度895m，最大结垢量是0.47mg/l；

(3)计算10年的累计结垢厚度：

考虑全部附着，平均结垢厚度：d＝mscale/ρ2πrl＝25.73/(2000×2×3.14×0.0759×895)＝0.00003m，最大结垢厚度：d＝2d＝2×0.00003＝0.00006m；

若考虑结垢动力学，则当静止时，附着比例取0.45，最大结垢厚度：

d＝2d×0.45＝2×0.00003×0.45＝0.000027m；

若考虑流动，附着比例取0.25，最大结垢厚度：

d＝2d×0.25＝2×0.00003×0.25＝0.000015m；

(4)考虑全部附着计算井筒缩径率，判断井筒堵塞风险：

井筒缩径率＝0.00006×2/0.0759＝0.00158，井筒缩径率在4％以下，产气量下降率在10％以内，无需注入防垢剂。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。