普光高酸性氣田完井管柱設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：普光高酸性氣田氣井具有高溫、高壓、高產(chǎn)、超深的特點(diǎn)，流體具有腐蝕性和劇毒性，這些特點(diǎn)要求完井管柱設(shè)計(jì)既要充分保證安全，又要滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；此外，由于主要采用水平井和
摘要：普光高酸性氣田氣井具有高溫、高壓、高產(chǎn)、超深的特點(diǎn)，流體具有腐蝕性和劇毒性，這些特點(diǎn)要求完井管柱設(shè)計(jì)既要充分保證安全，又要滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求；此外，由于主要采用水平井和大斜度井完井和出現(xiàn)個(gè)別井套管嚴(yán)重變形，更加大了設(shè)計(jì)難度。通過(guò)分析普光高酸性氣田的投產(chǎn)難點(diǎn)和單井特點(diǎn)，研究確定了完井管柱設(shè)計(jì)的原則和思路，分井型設(shè)計(jì)出常規(guī)井(永久式)、監(jiān)測(cè)井(永置式)、水平井(層段可選)、套變井(永久式封隔器+遇油膨脹封隔器)等4種不同結(jié)構(gòu)不同特點(diǎn)的永久式酸壓、生產(chǎn)一體化完井管柱；選用INCLOY G3鎳基合金油管和INC718材質(zhì)井下工具，采用無(wú)固相長(zhǎng)效環(huán)空保護(hù)液配合永久式封隔器的防腐方案，滿足了高酸性氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的要求；完井管柱分別采用125鋼級(jí)Φ88.9 mm和Φ114.3 mm油管、VAM TOP氣密封扣，整體管柱滿足耐壓70 MPa、耐溫150℃、下入深度達(dá)6000m的實(shí)際要求。4種完井管柱應(yīng)用于普光氣田的投產(chǎn)實(shí)踐，設(shè)計(jì)的可靠性和科學(xué)性均得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：普光氣田；高酸性氣體；一體化完井管柱；材質(zhì)優(yōu)選；永久式封隔器；鎳基合金
    普光氣田是目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量最大的海相碳酸鹽巖高含硫氣田，具有氣層埋藏深(平均5500m左右)、高含H2S(15%)與C02(8%)、高壓(地層壓力在56MPa左右)、高產(chǎn)(平均單井配產(chǎn)70×104m3/d)的“超深三高”特點(diǎn)，還具有井型分類多(既有直井、定向井，又包括水平井)、儲(chǔ)層厚度大(200～500m)、投產(chǎn)井段跨度大(300～800m)的特點(diǎn)，特別是由于高含H2S和C02，導(dǎo)致井下腐蝕環(huán)境惡劣，在投產(chǎn)作業(yè)和生產(chǎn)過(guò)程中，極易發(fā)生氫脆和硫化物應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致管柱斷裂、含硫氣體泄漏，出現(xiàn)重大安全事故。根據(jù)開(kāi)發(fā)要求，普光氣田采用一次性射開(kāi)全部產(chǎn)層進(jìn)行酸壓投產(chǎn)。因此，如何通過(guò)調(diào)整完井管柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)、優(yōu)選管柱材質(zhì)，達(dá)到降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提高儲(chǔ)層改造效果，實(shí)現(xiàn)安全順利作業(yè)和平穩(wěn)生產(chǎn)，是普光氣田投產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中必須首先解決的技術(shù)難題[1]。
    從2008年5月普光氣田開(kāi)始投產(chǎn)作業(yè)到2010年8月底完成投產(chǎn)作業(yè)，逐漸形成了多種適合普光氣田特點(diǎn)的高酸性氣田完井投產(chǎn)管柱，配合管柱材質(zhì)優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)了該氣田的安全順利投產(chǎn)，這些技術(shù)對(duì)氣田如期完成105×108m3/a產(chǎn)能建設(shè)具有重要意義，對(duì)周邊區(qū)塊類似高含硫氣井投產(chǎn)也具有一定的借鑒作用。
1 普光氣田完井管柱設(shè)計(jì)原則
1.1 保證安全
    要盡量減少起下管柱次數(shù)，縮短作業(yè)時(shí)間，減少完井管柱的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提高投產(chǎn)作業(yè)的安全程度。該氣田采用套管射孔完井方式，下入永久式酸壓、生產(chǎn)一體化管柱，一次性射開(kāi)所有投產(chǎn)井段，采用膠凝酸酸壓進(jìn)行儲(chǔ)層改造，就是為了減少投產(chǎn)作業(yè)起下管柱次數(shù)，防止含硫氣體逸出，降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。在完井管柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確保安全可靠，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。
1.2 性能可靠、滿足高產(chǎn)氣井的要求
    普光氣田氣井配產(chǎn)為20×104～100×104m3/d，井口油壓30MPa以上，酸壓施工過(guò)程中最高泵壓近70MPa，管柱受力載荷大，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮這些因素，選擇合適的管柱尺寸，增強(qiáng)管柱安全系數(shù)。
1.3 控制成本，實(shí)現(xiàn)“低投入、高回報(bào)”
   按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高酸性氣田管柱應(yīng)選用高鋼級(jí)鎳基合金材質(zhì)，但價(jià)格昂貴，不宜全部選用。在完井管柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證安全和施工效果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)，盡量減少投入。
   此外，在高酸性氣田管柱設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮方案的可行性、工藝的成熟程度、施工難度等因素。
2 普光氣田完井管柱結(jié)構(gòu)
   按照以上原則，對(duì)普光氣田酸壓、生產(chǎn)一體化管柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在氣田投產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，又根據(jù)不同的井型、井況條件和開(kāi)發(fā)目的進(jìn)行改進(jìn)和完善，設(shè)計(jì)出4種酸壓、生產(chǎn)一體化完井管柱，分別是常規(guī)井、監(jiān)測(cè)井、水平井、套變井完井管柱3
2.1 常規(guī)酸壓、生產(chǎn)一體化管柱
   此類管柱在普光氣田應(yīng)用最廣泛，主要適用于高含硫氣藏井況條件較好的直井和定向井，由耐蝕合金油管配套井下安全閥+滑套+封隔器+坐落短節(jié)+球座組成。進(jìn)行封隔器坐封、酸壓、正常生產(chǎn)等不同工況條件下的管柱力學(xué)計(jì)算后，通過(guò)提高合金油管的鋼級(jí)，去除了伸縮短節(jié)的使用，既增強(qiáng)了管柱整體受力能力，又減少了管柱的泄漏隱患點(diǎn)，提高了管柱的安全性能。管柱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1-a。封隔器坐封在產(chǎn)層上部合金套管內(nèi)，可防止含硫氣體與上部普通抗硫材質(zhì)油管接觸。該管柱整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性能高，能有效保證氣井的酸壓生產(chǎn)聯(lián)作。其中封隔器采用雙向卡瓦液壓坐封永久式封隔器，耐壓70MPa，能滿足生產(chǎn)安全密封的要求。封隔器配套采用插入密封、磨銑延伸筒等相關(guān)部件，可以通過(guò)正轉(zhuǎn)卸扣倒出封隔器上部管柱，也可通過(guò)下入專用磨銑工具磨銑封隔器，使卡瓦解卡而打撈出封隔器，有利于以后可能發(fā)生的施工作業(yè)[2]。

2.2 監(jiān)測(cè)井酸壓、生產(chǎn)一體化完井管柱
    主要應(yīng)用于需要下入永置式溫度壓力計(jì)的監(jiān)測(cè)井。整趟管柱主要增加了井下壓力計(jì)托筒、Y型接頭、跨接箍電纜保護(hù)器等永置式壓力計(jì)配套設(shè)備。管柱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1-b?？缃庸侩娎|保護(hù)器的尺寸能保證管柱在下入過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因電纜與套管碰撞擠壓導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸失敗的現(xiàn)象。Y型接頭和井下壓力計(jì)托筒設(shè)計(jì)緊接在永久式封隔器上部，使得壓力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更接近于井底壓力和溫度，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。
2.3 水平井酸壓、生產(chǎn)一體化管柱
    主要應(yīng)用于生產(chǎn)井段長(zhǎng)且需要酸壓改造的水平井。將常規(guī)井一體化管柱下部的剪切球座換成水平井專用的棘爪型球座，球座下部繼續(xù)接油管(圖1-c)。下部油管的下入深度，主要由儲(chǔ)層的物性決定。研究表明，在投產(chǎn)層段上、下段非均質(zhì)性較強(qiáng)時(shí)，若能通過(guò)調(diào)整油管下入深度，使酸液首先與物性較差儲(chǔ)層接觸，則可以明顯提高籠統(tǒng)酸壓改造效果；投產(chǎn)井段非均質(zhì)性較好時(shí)，油管下入深度對(duì)酸壓改造效果的影響不大。因此可根據(jù)氣井投產(chǎn)層段儲(chǔ)層物性的差異來(lái)確定油管的下入深度，其封隔器座封位置盡可能放在井斜角55°以內(nèi)，以保證泵送投球坐封的成功率。
2.4 套變井完井管柱
    主要應(yīng)用于嚴(yán)重套管變形井。在氣田投產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，由于受“汶川地震”影響，部分井在井下4300m左右的上三疊統(tǒng)嘉陵江組四～五段發(fā)生了嚴(yán)重的套管變形，最小套管內(nèi)徑小于135mm，常規(guī)完井管柱因封隔器尺寸較大而無(wú)法正常下入。套變井完井管柱結(jié)構(gòu)為“遇油膨脹封隔器+永久式封隔器”一體化結(jié)構(gòu)[3]，主要由耐蝕合金油管配套井下安全閥+滑套+上部的永久式封隔器+下部遇油膨脹封隔器+球座組成(圖1-d)。遇油膨脹封隔器為特殊橡膠材料，將其下入合金套管段內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的柴油浸泡能夠充分膨脹，保證足夠的封隔壓力，防止氣體對(duì)上部的抗硫套管造成腐蝕；永久式封隔器坐落在套變段上部固井質(zhì)量較好的井段，防止生產(chǎn)時(shí)含硫氣體從套管外部竄入上部環(huán)空內(nèi)，為以后可能出現(xiàn)的處理修井作業(yè)提供條件。整趟管柱既充分考慮到作業(yè)施工、酸壓改造和正常生產(chǎn)時(shí)的安全可靠性，又考慮到套變持續(xù)加重可能出現(xiàn)的各種嚴(yán)重后果，減少了后期作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)性。
3 完井管柱材質(zhì)與管徑的優(yōu)選
    普光氣田采用鎳基合金防腐方案(詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)本期李順林等的文章)。該氣田完井油管選擇INCLOY G3或其他相似的鎳基合金材質(zhì)，完井工具選擇INC 718鎳基合金材質(zhì)，其中封隔器膠筒為AFLAS橡膠，適合高H2S和C02的井況條件，耐溫可達(dá)150℃。綜合考慮安全因素和投產(chǎn)成本，生產(chǎn)套管采用組合式結(jié)構(gòu)，在井底到產(chǎn)層頂部為鎳基合金材質(zhì)，產(chǎn)層頂部到井口為普通抗硫材質(zhì)，下部封隔器坐落在合金套管內(nèi)，防止氣體與上部抗硫材質(zhì)套管接觸，環(huán)空加注無(wú)固相有機(jī)酸鹽長(zhǎng)效環(huán)空保護(hù)液，保證管柱能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定工作[4]。
    通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析，計(jì)算了普光氣田工況條件下不同管徑的臨界攜液流量、沖蝕流量等參數(shù)，綜合考慮大規(guī)模酸壓施工技術(shù)難度，確定了普光氣田完井管柱的尺寸：配產(chǎn)在100×104m3/d以上的井，選用Φ114.3mm×7.37mm的油管；配產(chǎn)在100×104m3/d以下的井，選用Φ88.9mm×6.45mm的油管。油管全部選用125鋼級(jí)，扣型為VAM TOP氣密封扣，管柱的整體安全系數(shù)在1.8以上，滿足70MPa高壓、6000m井深、大排量酸壓施工的需要。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
    4種類型的酸壓、生產(chǎn)一體化管柱在普光高酸性氣田得到了全面應(yīng)用。永久式封隔器均按設(shè)計(jì)壓力順利坐封，驗(yàn)封全部合格，施工成功率100%。管柱最大下深達(dá)6231m，酸壓施工最大排量達(dá)11m3/min，施工最高泵壓77MPa，單井最高產(chǎn)量110×104m3/d。普光氣田試氣投產(chǎn)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了安全、高效、順利，取得了顯著的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，證明一體化管柱具有足夠的強(qiáng)度、抗內(nèi)壓、抗沖蝕性能和可靠的氣密封性，管柱設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性、材質(zhì)選擇的合理性和可靠性都得到了充分的驗(yàn)證。
5 結(jié)論
    1) 普光高酸性氣田設(shè)計(jì)采用的常規(guī)井、監(jiān)測(cè)井、水平井、套變井等4種完井管柱，充分考慮到了高酚眭氣田的特殊安全要求，設(shè)計(jì)科學(xué)，針對(duì)性強(qiáng)。
    2) 選用INCLOY G3鎳基合金油管和INC718材質(zhì)井下工具，采用無(wú)固相長(zhǎng)效環(huán)空保護(hù)液配合永久式封隔器的防腐方案，滿足了高酸性氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的要求。
    3) 完井管柱分別采用125鋼級(jí)Φ88.9mm和Φ114.3mm油管、VAM TOP氣密封扣，整體管柱滿足耐壓70MPa、耐溫150℃、下入深度達(dá)6000m的實(shí)際要求。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：孔凡群1 張慶生2 魏鯤鵬2 古小紅2 姚慧智2 1.中國(guó)石化集團(tuán)中原石油勘探局；2.中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院)