摘 要

——以四川盆地元壩氣田為例摘　要：四川盆地元壩氣田具有超深、高壓、高溫、高含酸性腐蝕氣體的特點(diǎn)。完井投產(chǎn)過(guò)程中，腐蝕條件惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)管柱的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)要

——以四川盆地元壩氣田為例

摘　要：四川盆地元壩氣田具有超深、高壓、高溫、高含酸性腐蝕氣體的特點(diǎn)。完井投產(chǎn)過(guò)程中，腐蝕條件惡劣，安全風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)管柱的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)要求高；井筒條件限制，井筒凈化作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)大、難度大；施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，井控風(fēng)險(xiǎn)大；儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，作業(yè)井段長(zhǎng)，針對(duì)性改造難度大。為此，通過(guò)對(duì)管柱結(jié)構(gòu)、腐蝕機(jī)理的研究，選擇了4C+4D鎳基合金材質(zhì)油管配合永久式完井封隔器的酸化—投產(chǎn)一體化管柱，滿(mǎn)足了酸化、測(cè)試及安全投產(chǎn)的需要；通過(guò)管柱設(shè)計(jì)、水動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，結(jié)合工藝措施優(yōu)化，形成的掃塞、超深小井眼通井工藝等井筒處理工藝技術(shù)，滿(mǎn)足了井筒凈化的需要，保證了投產(chǎn)管柱順利到位；通過(guò)對(duì)高含硫氣體在臨界狀態(tài)的分析計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，形成了配套井控安全設(shè)備，短起下測(cè)油氣上竄速度小于30m／h的井控安全工藝措施，保證了投產(chǎn)作業(yè)的井控安全；通過(guò)暫堵劑的研制和暫堵工藝的優(yōu)化，形成了多級(jí)暫堵交替注入酸化工藝。

關(guān)鍵詞：四川盆地  元壩氣田  高含硫  超深  高溫  高壓  完井投產(chǎn)  井筒處理  多級(jí)酸化  安全風(fēng)險(xiǎn)控制

Safe completion and production technologies of a gas well with ultra depth，high temperature，high pressure and high H2S content：A case from the Yuanba Gas Field in the Sichuan Basin

Abstract：The Yuanba Gas Field in the Sichuan Basin is featured by ultra depth，high temperature，high pressure and high acidic corrosive gas content．In the process of completion and production，high requirements are proposed for string material and structure because of harsh corrosive conditions and high safety risks；wellbore constrains bring about a high risk and great difficulty to wellbore cleaning operation；the well control risk is very high due to a long working time；strong reservoir heterogeneity and long working section result in more difficulties in targeted modification．To achieve successful production，based on the research of tubing structure and corrosion mechanism，we adopted the acidification production integrated string composed of a 4C+4D nickel based alloy pipe and a permanent packer，meeting the demand of acidification，testing and safe production．Then，we conducted string design and dynamic calculation and combined process measure optimization to successfully develop plug elimination，ultra-deep slim-hole drifting，and other wellbore treatment technologies，meeting the requirement of wellbore cleaning and making the production string smoothly reach the designated position．Meanwhile，we developed a complete set of well control safety equipment and well control safety measures(short tripping to measure oil＆gas channel up speed of less than 30m／h)through the analysis and calculation of high sour gas in critical state and site practice，ensuring well control safety in production．Finally，we developed multistage temporary-plugging alternatl+ve i’nJecti’on and acidification process through the development of temporary plugging agent and the optimization of temporary plugging technology．

Keywords：Sichuan Basin，Yuanba Gas Field，high H2S content，ultra deep，high temperature，high pressure，well completion，production，wellbore treatment，multistage acidification，safety risk control

四川盆地元壩氣田長(zhǎng)興組儲(chǔ)層埋藏深(7000m)、溫度高(160℃)、高含腐蝕介質(zhì)(H2S平均含量5.14％，CO2平均含量7.5％)，且儲(chǔ)層較薄，非均質(zhì)性強(qiáng)，井型主要采用大斜度井、水平井，完井方式為襯管完井。相對(duì)于國(guó)內(nèi)的主要酸性氣藏如普光、龍崗等開(kāi)發(fā)難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高^[1-2]。筆者通過(guò)超深水平井分段改造  生產(chǎn)一體化管柱設(shè)計(jì)、超深含硫氣井井筒處理、井控安全工藝、分流酸化等[藝研究，形成了一套適合元壩超深高含硫氣井的安全投產(chǎn)作、世措施和配套技術(shù)，確保了元壩氣田順利、安全投產(chǎn)。

1　完井投產(chǎn)面臨的主要難題

1．1　完井投產(chǎn)的高風(fēng)險(xiǎn)、高難度與對(duì)可靠性的高要求之間的矛盾突出

元壩氣田周?chē)丝诔砻?，安全?zé)任和社會(huì)責(zé)任重大。面對(duì)超深、高溫高壓、工況復(fù)雜、高含腐蝕劇毒性流體等情況，投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)，施工作業(yè)方案要求高，實(shí)施難度大。

1．2　井筒條件限制，井筒準(zhǔn)備作業(yè)難度大

井筒斜深一般在7500m以上，井身結(jié)構(gòu)為193.7mm油套+Æ127mm襯管或Æ177.8油套+Æ114.3mm襯管，在掃水泥塞、通井、刮管等井簡(jiǎn)準(zhǔn)備作業(yè)中，鉆具組合選擇受到井筒條件的限制。如何在安全作業(yè)的前提下，保證一個(gè)干凈、合格的井筒，需要對(duì)鉆具的組合、井筒作業(yè)的方式進(jìn)行優(yōu)化論證。

1．3　投產(chǎn)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，井控風(fēng)險(xiǎn)高

投產(chǎn)管柱下入襯管上部，下深一般超過(guò)7000m。為保證長(zhǎng)期投產(chǎn)的安全，需要進(jìn)行氣密封檢測(cè)作業(yè)。從起井控管柱、下完井投產(chǎn)管柱，到換裝井口共需要約168h。由于考慮到完井投產(chǎn)工具的限制，作業(yè)期間不能循環(huán)壓井液，因此長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)中，如何在保證井控安全的難度大。

1．4　長(zhǎng)井段均勻布酸、全井段充分改造難度大

長(zhǎng)興組水平段長(zhǎng)度一般在700m左右，且儲(chǔ)層的性質(zhì)差異大，如何充分的改造儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)均勻布酸的難度大。

2　超深水平井分段改造一生產(chǎn)一體化管柱設(shè)計(jì)

針對(duì)元壩氣田硫化氫分壓高、生產(chǎn)井段長(zhǎng)及儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，模擬氣田的工況條件，進(jìn)行不同材質(zhì)腐蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，在對(duì)完井工具充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)開(kāi)發(fā)的需要，優(yōu)化設(shè)計(jì)配套了生產(chǎn)完井一體化管柱。

2．1　材質(zhì)的優(yōu)選

元壩氣陽(yáng)長(zhǎng)興組儲(chǔ)層溫度在160℃，H2S平均含量5.14％，可能有單質(zhì)硫的存在，依據(jù)ISO 15156及腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)合產(chǎn)量預(yù)測(cè)井筒內(nèi)部的溫度分布，在井深小于等于4000m選用4C類(lèi)鎳基合金油管、718材質(zhì)完井投產(chǎn)工具，井深大于等于4000m選用4D類(lèi)鎳基合金材質(zhì)及725材質(zhì)完井投產(chǎn)工具^[3-4]。132℃時(shí)長(zhǎng)興組不同產(chǎn)量下對(duì)應(yīng)的井深如表1所示。

 

2．2　管柱結(jié)構(gòu)的選擇

完井投產(chǎn)管柱主要考慮到酸壓、測(cè)試、投產(chǎn)及井控安全的需要，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化完井投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為：安全閥流動(dòng)短節(jié)+井下安全閥+安全閥流動(dòng)短節(jié)+循環(huán)滑套+液壓坐封封隔器(含錨定密封總成)+磨銑延伸筒+剪切球座^[5-7]。

考慮到鋼絲作業(yè)能力及降低管柱的復(fù)雜性，不下入坐落短節(jié)，后期需要進(jìn)行井下取樣及相關(guān)作業(yè)時(shí)采用專(zhuān)門(mén)的配套工具進(jìn)行作業(yè)。

2．3　油管的選擇

根據(jù)“氣井生產(chǎn)系統(tǒng)分析”系統(tǒng)的分析，完井油管采用Æ89mm或Æ89mm+Æ73mm的復(fù)合油管能夠滿(mǎn)足攜液、抗沖蝕及增產(chǎn)要求(表2、3)。

 

 

根據(jù)抗管柱在酸壓、生產(chǎn)過(guò)程中的強(qiáng)度校核，最大限度地降低生產(chǎn)成本，油管柱選擇125鋼級(jí)Æ88.9mm×7.34mm+Æ88.9mm×6.45mm+Æ73mm×5.51mm復(fù)合油管。

3　超深含硫氣井井簡(jiǎn)處理工藝

井筒的處理是完井投產(chǎn)成功實(shí)施的重要保障，為保證通井、洗井的順利，需結(jié)合水泥塊在鉆井液的沉降速度、不同排量下環(huán)卒返速、壓力損耗等。

3．1　水泥塊在鉆井液沉降速度的計(jì)算

要返出地面液體的上升速度為固體沉降速度的2倍及以上，固體物質(zhì)才能被順利的帶出地面，達(dá)到洗井的效果。根據(jù)力學(xué)分析及水動(dòng)力學(xué)分析，可以得到固體在液相中的重力沉降速度，密度為3.0～3.15g／cm³硅酸鹽水泥在密度為1.3g／cm³的鉆井液，可計(jì)算得沉降速度詳見(jiàn)表4。

 

3．2　通井管柱組合及壓力參數(shù)計(jì)算

考慮到井筒條件，只能采用Gl05鋼級(jí)的Æ101.6mm、Æ88.9mm、Æ73.0mm／Æ60.3mm新鉆桿進(jìn)行通井作業(yè)。其參數(shù)及強(qiáng)度校核如表5所示。

 

當(dāng)洗井的排量達(dá)到500L／min時(shí)，最小上返速度0.52m／s，累計(jì)壓力損失23.95MPa，能夠順利帶出12mm及以下直徑的水泥塊(表6)，基本滿(mǎn)足洗井要求。

 

3．3　作業(yè)方式的設(shè)計(jì)

考慮到作業(yè)深度深，管柱抗拉余量小，處理事故能力有限，作業(yè)方式必須進(jìn)行優(yōu)化。即：①提前做好風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，掃塞過(guò)程中做好防磨、防鉆井液污染、防溢流、防漏及防卡鉆措施；②通井中，必須保證排量的控制，以充分脫氣及保證攜帶固體殘?jiān)?；③襯管通井中，必須進(jìn)行分段循環(huán)通井，嚴(yán)格控制下放噸位。

4　井控安全工藝措施

4．1　井控安全設(shè)備

采用兩套105MPa液壓雙閘板防噴器組合，EE級(jí)；配備與井筒內(nèi)管柱連接的105 MPa防硫防噴短節(jié)和防噴單根；配備雙機(jī)雙泵及循環(huán)儲(chǔ)備系統(tǒng)；準(zhǔn)備充足的井控備件及材料。

根據(jù)地層壓力70～80MPa，最大關(guān)井壓力48～55MPa，選擇105 MPa+70 MPa二級(jí)抗硫(EE級(jí))節(jié)流流程，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)考慮雙向放噴、分離計(jì)量、保溫、正反循環(huán)壓井、自動(dòng)點(diǎn)火等功能。

采用105MPa、HH級(jí)采氣樹(shù)，設(shè)計(jì)井下安全閥控制管線(xiàn)穿越通道。

4．2　投產(chǎn)管柱下入前的井控措施

組合下入投產(chǎn)管柱需要進(jìn)行氣密封檢測(cè)，耗時(shí)需要168h左右。為確保井控安全，元壩氣田前期均采用靜止觀察一個(gè)井控周期以保證井控安全，大量增加了整體作業(yè)時(shí)間和施工風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)高含硫氣井溢流壓井期間井筒超臨界相態(tài)特征：當(dāng)流體溫度壓力都大大超過(guò)臨界點(diǎn)，流體密度與溫度及壓力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，但不存在溫度壓力較小范圍變化會(huì)引起流體密度劇烈變化現(xiàn)象，油氣在壓井液中勻速上移，一直到過(guò)臨界點(diǎn)后，體積和上移速度才會(huì)顯著增加。因此，根據(jù)作業(yè)時(shí)間，井筒深度及高含硫氣體在超臨界狀態(tài)分析，可以計(jì)算得出當(dāng)最大油氣上傳速度在30m／h以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足投產(chǎn)管柱的安全作業(yè)。

元壩氣田在YB101-1H、YB204-1H井投產(chǎn)中進(jìn)行了試驗(yàn)，在YB101-1H靜止觀察前測(cè)得氣體上竄速度為10.1m／h，靜止觀察180h后，氣體上移距離837m；在YB204-1H井中靜止觀察前測(cè)得氣體上竄速度為24.27m／h，靜止觀察150h后，氣體上移距離685.5m，氣體上竄速度均沒(méi)有明顯增加，驗(yàn)證了氣體在壓井液中的運(yùn)行規(guī)律(表7)。實(shí)踐證明，通過(guò)短起下測(cè)油氣上竄速度能夠滿(mǎn)足下完井投產(chǎn)管柱的井控需要。

 

5　長(zhǎng)水平段多級(jí)暫堵交替注入分流酸化工藝

元壩氣田長(zhǎng)興組氣藏非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層段打開(kāi)長(zhǎng)度長(zhǎng)，因此若采取籠統(tǒng)酸化適應(yīng)性較差，需要將高滲井段暫堵起來(lái)，從而逐步改變進(jìn)入各部位的酸量分布，盡量保證對(duì)整個(gè)水平段的均勻改造^[8-11]。

因此，采用多級(jí)暫堵交替注入分流酸化工藝，先利用高黏壓裂液和可降解纖維相配合，將高滲井段暫堵，讓酸液轉(zhuǎn)向進(jìn)入滲透率較低或傷害嚴(yán)重井段，改變水平段各部位的酸量分布；從而逐步改變進(jìn)入各部位的酸量分布，盡量保證對(duì)整個(gè)水平段的均勻改造。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表8)可以看到，在60℃以上，纖維在鹽酸中能夠很好地降解。暫堵后，纖維能夠顯著降低巖心的滲透率，通過(guò)酸化解堵，巖心滲透率能夠完全恢復(fù)(表9)。

 

 

6　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

YBl01-1H井元壩氣田長(zhǎng)興組②號(hào)礁帶的1口開(kāi)發(fā)水平井，采用襯管完井，完鉆井深7971m(垂深6946.44m)，水平段長(zhǎng)1023.88m，最大井斜角91.90°。井筒為Æ193.7mm油層套管+Æ127mm襯管。

該井采用G105鋼級(jí)的Æ101.6mm、Æ88.9mm、Æ73mm／60.3mm新鉆桿組合，順利完成了井筒內(nèi)掃塞作業(yè)，襯管段內(nèi)通井、洗井作業(yè)。通過(guò)短起下測(cè)油氣上竄速度方式，確定了安全了作業(yè)時(shí)間，滿(mǎn)足了投產(chǎn)管柱下入期間的井控安全要求。設(shè)計(jì)采用4C油管4000m，4D油管2690m，配套井下安全閥、循環(huán)滑套、永久式封隔器，坐封球座的酸化一投產(chǎn)一體化管柱，滿(mǎn)足了多級(jí)暫堵交替注入分流酸化的實(shí)施要求，酸化規(guī)模為：膠凝酸920m³，纖維1500kg，共采用兩級(jí)交替注入。纖維入地之后，施工壓力在13min內(nèi)由32.2MPa緩慢上升到41.3MPa，酸液分流轉(zhuǎn)向明顯，說(shuō)明Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層較好的暫時(shí)封堵，Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層得到充分的改造。

酸化后求產(chǎn)，在穩(wěn)定油壓36MPa下測(cè)試天然氣產(chǎn)量82.5×10⁴m³／d，計(jì)算無(wú)阻流量為310.5×10⁴m³／d，滿(mǎn)足了開(kāi)發(fā)的要求。

2012年以來(lái)，超深高溫高含硫氣井完井投產(chǎn)技術(shù)措施在元壩指導(dǎo)了11口井現(xiàn)場(chǎng)施工，成功率100％，保障了投產(chǎn)作業(yè)的順利實(shí)施。其中最大測(cè)試產(chǎn)量104.69×10⁴m³／d，最大井深7971m，創(chuàng)造了垂深最深高含硫水平井完井投產(chǎn)記錄。

7　結(jié)論

元壩氣田水平井完井投產(chǎn)工藝技術(shù)通過(guò)嚴(yán)細(xì)的基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，基本上滿(mǎn)足了高溫、高壓、高產(chǎn)、高含H2S井等多種工況的完井投產(chǎn)難題。

1)超深水平井分段改造  生產(chǎn)一體化管柱投產(chǎn)管柱經(jīng)受了酸壓最大排量從3.1～7.1m³／min的考驗(yàn)，滿(mǎn)足了儲(chǔ)層改造的要求；而且在改造、求產(chǎn)及關(guān)井期間，油套環(huán)空壓力變化正常，證實(shí)了管柱的可靠性，滿(mǎn)足了管柱安全投產(chǎn)的要求。

2)在井筒條件的限制下，通過(guò)對(duì)掃塞、通洗井管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，掃塞時(shí)控制鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量等關(guān)鍵參數(shù)，襯管段通井時(shí)控制排量、鉆壓、分段循環(huán)、反復(fù)劃眼等關(guān)鍵工藝，滿(mǎn)足了超深小井眼井筒凈化作業(yè)，在滿(mǎn)足井控安全的條件下，為投產(chǎn)管柱的順利下入提供了保證。

3)結(jié)合高含硫氣井溢流壓井期間井筒超臨界相態(tài)特征，通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，證明通過(guò)短起下測(cè)油氣上竄速度時(shí)，在滿(mǎn)足上竄速度小于30m／h能夠滿(mǎn)足組下完井投產(chǎn)管柱期間的井控需要。

4)長(zhǎng)水平段多級(jí)暫堵交替注入分流酸化工藝能夠有效解決長(zhǎng)井段非均質(zhì)性強(qiáng)的難題，盡量保證對(duì)整個(gè)水平段的均勻改造。

 

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本文作者：蘇鏢  龍剛  許小強(qiáng)  伍強(qiáng)  丁咚  王毅

作者單位：中國(guó)石化兩南油氣分公司工程技術(shù)研究院