CN108843314B - 用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于气井井筒结垢风险评价的实验装置与方法。实验装置包括井筒模拟及保温系统和流体注入及收集系统；井筒模拟及保温系统用于模拟地层中的井筒，为气水两相流提供流动通道，并将井筒保持在地层温度；流体注入及收集系统用于地层水和气体的注入以及产出地层水的收集。本发明能够模拟井筒中的气水两相流动，在不同气水比条件下地层水在井筒中的动态结垢过程；可以分段测定金属管中附着在管壁上的结垢量，观察结垢的形貌、判断堵塞状况，绘制沿金属管壁附着垢量和垢层厚度剖面；可以测量总结垢量、附着垢量、未附着垢量中滞留在金属管中部分和未附着垢量中随地层水产出部分，分析不同形式结垢物在井筒中的分配比例；该装置除了可以用于评价井筒内结垢及堵塞风险，也可以用于评价防垢剂的防垢效果；设备简单、操作方便、可行性高。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，具体地，涉及一种用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置与方法。
背景技术
气井开采过程常常伴随着地层水产出，沿井筒温度压力变化以及地层水向气相中的蒸发，可以引起地层水结垢趋势增强，导致井筒结垢以及堵塞风险。井筒中结垢包括三个动力学过程，一是水中结垢离子向管壁扩散，在管壁上直接生成析晶垢；二是结垢离子先在水相中生成颗粒垢，部分颗粒垢将向管壁堆积并附着在管壁上；三是在管壁上吸附或堆积的垢物发生剥离，重新进入地层水中。综合作用下来，井筒中生成的结垢物将分为两部分，一部分附着在管壁上，一部分将分散于地层水中，其中附着在管壁上的垢粒将形成垢层，使得井筒内径逐渐减小，最终可能导致井筒堵塞、产能降低。因此，准确掌握结垢颗粒在井筒管壁上的附着比例、附着区域、附着厚度对于准确评价结垢风险并采取经济有效的防垢措施具有重要意义。而目前，针对井筒的结垢风险预测，主要还是依据过饱和度指数计算的单位体积地层水结垢趋势来进行分析，只能笼统判断结垢风险的大小，无法量化给出井筒结垢厚度以及堵塞对产能的影响；室内实验评价主要是采用盘管进行动态结垢实验或采用反应釜进行静态结垢实验，这些实验方法主要适用于防垢剂的筛选评价，目前暂未见用于模拟气井井筒流动状态下的动态结垢过程以及评价结垢附着比例、附着区域以及附着厚度的实验装置及方法。
发明内容
本发明提供了一种用于气井井筒结垢风险评价的实验装置与方法，可以模拟气井井筒流动状态下的动态结垢过程。该装置操作简单，方法易实施，可以评价不同气水比例及流动条件下，地层水的总结垢量、随地层水产出垢量、滞留在井筒中的未附着垢量、以及附着在管壁上的垢量，进而可计算结垢附着比例，还可以计量沿井筒不同井段内的附着垢量，分析结垢附着区域和附着厚度等，进而系统分析井筒结垢动力学以及附着结垢物堵塞井筒风险，为含水气井井筒防垢措施制定提供实验基础。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置，包括：井筒模拟及保温系统和流体注入及收集系统，其特征在于：井筒模拟及保温系统用于模拟地层中的井筒，为气水两相流提供流动通道，并将井筒保持在地层温度；流体注入及收集系统用于地层水和气体的注入以及产出地层水的收集。
用于产水气井井筒结垢风险评价的实验方法，采用上述的实验装置，其特征在于，进行产水气井井筒结垢风险评价时，将气泵与气源连通，将地层水结垢阴阳离子溶液分别盛放于两个烧杯中，将金属管末端的塑料软管没入地层水收集烧杯的液面之下，然后打开气泵和蠕动泵，将气体和地层水预热后按照一定比例注入到金属管中形成气液两相流动并结垢，一定时间或判断结垢物完全堵塞金属管后，拆开金属管，观察各金属管短节堵塞以及管壁结垢情况，收集管内未附着的颗粒垢，根据结垢前后金属管短节质量变化计算附着垢量以及平均结垢厚度，收集随地层水产出的颗粒垢，并对产出地层水的结垢离子进行滴定，计算总结垢量，综合评价金属管内的结垢风险。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：(1)能够模拟井筒中的气水两相流动，在不同气水比条件下地层水在井筒中的动态结垢过程；(2)可以分段测定金属管中附着在管壁上的结垢量，观察结垢的形貌、判断堵塞状况，绘制沿金属管壁附着垢量和垢层厚度剖面；(3)可以测量总结垢量、附着垢量、未附着垢量中滞留在金属管中部分和未附着垢量中随地层水产出部分，分析不同形式结垢物在井筒中的分配比例；(4)该装置除了可以用于评价井筒内结垢及堵塞风险，也可以用于评价防垢剂的防垢效果；(5)设备简单、操作方便、可行性高。
附图说明
图1是本发明的用于气井井筒结垢风险评价的实验装置示意图。
其中：1、带有减压阀的气瓶；2、常压气体缓冲罐；3、气泵；4、注气管线；5、气体预热盘管；6、烧杯；7、地层水结垢阴离子溶液；8、地层水结垢阳离子溶液；9、烧杯；10、蠕动泵；11、地层水结垢阴阳离子溶液预热盘管；12、产出地层水冷凝透明塑料软管；13、烧杯；14、产出地层水；15、气体注入金属管短节；16、地层水注入金属管短节；17、90度转弯金属管短节；18、直金属管短节；19、模拟井筒金属管；20、温箱；21、注入气体。
具体实施方式
如图1所示，用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置，包括：井筒模拟及保温系统和流体注入及收集系统，其特征在于：井筒模拟及保温系统用于模拟地层中的井筒，为气水两相流提供流动通道，并将井筒保持在地层温度；流体注入及收集系统用于地层水和气体的注入以及产出地层水的收集。
井筒模拟及保温系统，包括模拟井筒金属管19和温箱20。模拟井筒金属管由金属管短节构成，金属管短节分为四种类型，包括直短节18、90度转弯短节17、地层水注入短节16、气体注入短节15，不锈钢材质；金属管短节长10cm，内径0.5cm，外径1.2cm，两端分别为公母螺纹，采用橡胶圈密封，可前后连接成为金属管19，模拟直井和水平井井筒，连接总长度视温箱20空间而定；气体注入短节15在最前端(入口端)，连接气体预热盘管5和注气管线4；地层水注入短节16在气体注入短节15之后，连接用于注入地层水结垢阴阳离子溶液7、8的两个预热盘管11，保证注入的地层水结垢阴阳离子溶液7、8在金属管短节16内有效混合并结垢，以及地层水和结垢颗粒受到入口端注入气体的吹扫作用；连接起来的金属管19的入口端和出口端均位于温箱20外部，金属管19主体位于温箱20内，使金属管19处于地层温度环境。金属管在常压下工作，最大工作温度不低于150℃。
流体注入及收集系统，包括气源1、常压气体缓冲罐2、气泵3、注气管线4、气体预热盘管5、地层水结垢阴阳离子溶液7、8、地层水盛放烧杯6、9、蠕动泵10、地层水预热盘管11、地层水收集软管12、地层水收集烧杯13。气泵3将气源气体通过注气管线4和预热盘管5泵送进入模拟井筒的金属管19中，注入的气体包括但不限于空气、氮气、CO2，注气速度在0～10L/min，预热盘管长3m，内径4mm，外径6mm；蠕动泵10将地层水阴阳离子溶液7、8按照1:1体积比注入到井筒模拟金属管19中，在地层水阴阳离子溶液7、8进入金属管19混合前分别经金属盘管11预热至地层温度，金属盘管11长3m，内径1mm，外径3mm，地层水阳离子溶液7中可以根据设计要求加入5～50ppm防垢剂和缓蚀剂，地层水总注入速度在0～300ml/min；产出的地层水经安装在金属管19出口端的透明塑料软管12冷凝后收集于与烧杯13中，塑料软管12没入烧杯13中水面以下(提前在烧杯13中倒入一定量蒸馏水)，可以观察产出气泡，通过气泡大小判断金属管19中的堵塞情况。
本发明进行产水气井井筒结垢风险评价时，将气泵3与常压气体缓冲罐2和气源1连通，将地层水结垢阴阳离子溶液7、8分别盛放于两个烧杯6、9中，将金属管19末端的塑料软管12没入地层水收集烧杯13的液面之下，然后打开气泵3和蠕动泵10，将气体和地层水预热后按照一定比例注入到金属管19中形成气液两相流动并结垢，一定时间或判断结垢完全堵塞金属管19后，拆开金属管19，观察各金属管短节堵塞以及管壁结垢情况，收集管内未附着的颗粒垢，根据结垢前后金属管19各短节重量变化计算附着垢量以及平均结垢厚度，收集随地层水产出的颗粒垢，并对产出地层水的结垢离子进行滴定，计算总结垢量，综合评价金属管19内的结垢风险。具体方法如下：
(1)将各金属管短节编号并称重，并按照模拟井筒形状连接起来，从流体注入端至产出端各金属管短节的重量依次记为mp1、mp2…、mpn(单位为mg)；将设备按照示意图连接起来。
(2)开启温箱20，将金属管19、地层水和气体预热盘管5、11加热至设定温度并保温；
(3)开启气泵3和蠕动泵10，将气体21以及地层水结垢阴阳离子溶液7、8按照设计速度以一定比例注入到金属管19中，使地层水7、8在金属管19内结垢，产出地层水14和结垢颗粒收集于烧杯13中；
(4)持续注气注水2-24h后或金属管19末端无气体产出、判断金属管19被结垢物堵塞时，停止注入气体21和地层水结垢离子溶液7、8；
(5)将随地层水14产出的结垢颗粒过滤烘干称重记为msp(单位为mg)；将金属管19全部拆开，观察各金属管短节内结垢情况，收集滞留于管内的未附着结垢颗粒烘干后称重记为msr(单位为mg)，将各金属管短节烘干后称重记为mp1’、mp2’、…、mpn’(单位为mg)；
(6)计算各金属管短节内壁上的附着垢量mssi(单位为mg)、平均结垢厚度hssi(单位为mm)以及金属管内的总附着垢量mss(单位为mg)，分别为：
mssi＝mpi′-mpi
hssi＝mssi/ρs/(3.14×5×100)
式中，i为金属管短节编号；ρs为结垢物密度，mg/mm3。
(7)计算总结垢量ms(单位为mg)及不同类型垢的占比：
ms＝msp+msr+mss
fsp＝msp/ms
fsr＝msr/ms
fss＝mss/ms
式中，fsp为随地层水产出颗粒垢占总结垢量的比例；fsr为滞留在金属管19内但未附着在管壁上的结垢量占总结垢量的比例；fss为附着在金属管19内壁上的结垢量占总结垢量比例。
(8)根据计算的结垢量和结垢厚度，分析结垢物在金属管19中滞留、附着以及随地层水产出的比例关系，分析金属管19内壁上结垢厚度分布，判断金属管19内结垢造成堵塞的风险位置，综合评价模拟井筒内的结垢风险。
Claims (5)
1.一种用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置，包括：井筒模拟及保温系统和流体注入及收集系统，其特征在于：井筒模拟及保温系统用于模拟地层中的井筒，为气水两相流提供流动通道，并将井筒保持在地层温度；流体注入及收集系统用于地层水和气体的注入以及产出地层水的收集；
所述井筒模拟及保温系统，包括模拟井筒金属管和温箱；
所述模拟井筒金属管由金属管短节构成，金属管短节分为四种类型，包括直短节、90度转弯短节、地层水注入短节、气体注入短节，为不锈钢材质；金属管短节长10cm，内径0.5cm，外径1.2cm，一端为公螺纹，一端为母螺纹，相邻金属管连接并采用橡胶圈密封，可模拟直井或水平井井筒，连接总长度视温箱空间而定；气体注入短节在最前端的入口端，连接气体预热盘管和注气管线；地层水注入短节在气体注入短节之后，连接用于注入地层水结垢阴阳离子溶液的两个预热盘管，保证注入的地层水结垢阴阳离子溶液在金属管短节内有效混合并结垢，以及地层水和结垢颗粒能够受到入口端注入气体的吹扫作用；连接起来的金属管的入口端和出口端均位于温箱外部，金属管主体位于温箱内，使金属管处于地层温度环境；
所述流体注入及收集系统，包括气源、常压气体缓冲罐、气泵、注气管线、气体预热盘管、地层水结垢阴阳离子溶液、地层水盛放烧杯、蠕动泵、地层水预热盘管、地层水收集软管、地层水收集烧杯。
2.根据权利要求1所述的用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置，其特征在于，气泵将气源气体通过注气管线和预热盘管泵送进入模拟井筒的金属管中，注入的气体包括但不限于空气、氮气、CO2，注气速度在0～10L/min，预热盘管长3m，内径4mm，外径6mm；蠕动泵将地层水阴阳离子溶液按照1∶1体积比注入到模拟井筒的金属管中，在地层水阴阳离子溶液进入金属管混合前分别经金属盘管预热至地层温度，金属盘管长3m，内径1mm，外径3mm，地层水阳离子溶液中根据设计要求加入5～50ppm防垢剂和缓蚀剂，地层水总注入速度在0～300ml/min；产出的地层水经安装在金属管出口端的透明塑料软管冷凝后收集于烧杯中，塑料软管没入烧杯中水面以下，提前在烧杯中倒入一定量蒸馏水，观察产出气泡，通过气泡大小判断金属管中的堵塞情况。
3.根据权利要求1-2任一项所述的用于产水气井井筒结垢风险评价的实验装置，其特征在于，金属管在常压下工作，金属管主体位于温箱中，最大工作温度不低于150℃。
4.用于产水气井井筒结垢风险评价的实验方法，采用权利要求1-3任一项的实验装置，其特征在于，进行产水气井井筒结垢风险评价时，将气泵与气源连通，将地层水结垢阴阳离子溶液分别盛放于两个烧杯中，将金属管末端的塑料软管没入地层水收集烧杯的液面之下，然后打开气泵和蠕动泵，将气体和地层水预热后按照一定比例注入到金属管中形成气液两相流动并结垢，一定时间或判断结垢物完全堵塞金属管后，拆开金属管，观察各金属管短节堵塞以及管壁结垢情况，收集管内未附着的颗粒垢，根据结垢前后金属管短节重量变化计算附着垢量以及平均结垢厚度，收集随地层水产出的颗粒垢，并对产出地层水的结垢离子进行滴定，计算总结垢量，综合评价金属管内的结垢风险。
5.根据权利要求4所述用于产水气井井筒结垢风险评价的实验方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)将各金属管短节编号并称重，并按照模拟井筒形状连接起来，从流体注入端至产出端各金属管短节的重量依次记为mp1、mp2、...、mpn，单位为mg；将设备按照示意图连接起来；
(2)开启温箱，将金属管、地层水和气体预热盘管加热至设定温度并保温；
(3)开启气泵和蠕动泵，将气体以及地层水结垢阴阳离子溶液按照设计速度以一定比例注入到金属管内，使地层水在金属管内结垢，产出地层水和结垢颗粒收集于烧杯中；
(4)持续注气注水2-24h后或金属管末端无气体产出、判断金属管被结垢物堵塞时，停止注入气体和地层水结垢离子溶液；
(5)将随地层水产出的结垢颗粒过滤烘干称重记为msp，单位为mg；将金属管全部拆开，观察各金属管短节内结垢情况，收集滞留于管内的未附着结垢颗粒，烘干后称重记为msr，单位为mg，将各金属管短节烘干后称重记为mp1’、mp2’、...、mpn’，单位为mg；
(6)计算各金属管短节内壁上的附着垢量mssi，单位为mg、平均结垢厚度hssi，单位为mm以及金属管内的总附着垢量mss，单位为mg，分别为：
mssi＝mpi′-mpi
hssi＝mssi/ρs/(3.14×5×100)
式中，i为金属管短节编号；ρs为结垢物密度，mg/mm3；
(7)计算总结垢量ms，单位为mg及不同类型垢的占比：
ms＝msp+msr+mss
fsp＝msp/ms
fsr＝msr/ms
fss＝mss/ms
式中，fsp为随地层水产出颗粒垢占总结垢量的比例；fsr为滞留在金属管内但未附着在管壁上的结垢量占总结垢量的比例；fss为附着在金属管内壁上的结垢量占总结垢量比例；
(8)根据计算的结垢量和结垢厚度，分析结垢物在金属管中滞留、附着以及随地层水产出的比例关系，分析金属管内壁上结垢厚度分布，判断金属管内结垢造成堵塞的风险位置，综合评价模拟井筒内的结垢风险。
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