普光高酸性氣田完井管柱設計

摘 要

摘要：普光高酸性氣田氣井具有高溫、高壓、高產、超深的特點，流體具有腐蝕性和劇毒性，這些特點要求完井管柱設計既要充分保證安全，又要滿足現場施工要求；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、超深的特點，流體具有腐蝕性和劇毒性，這些特點要求完井管柱設計既要充分保證安全，又要滿足現場施工要求；此外，由于主要采用水平井和大斜度井完井和出現個別井套管嚴重變形，更加大了設計難度。通過分析普光高酸性氣田的投產難點和單井特點，研究確定了完井管柱設計的原則和思路，分井型設計出常規井(永久式)、監測井(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種不同結構不同特點的永久式酸壓、生產一體化完井管柱；選用INCLOY G3鎳基合金油管和INC718材質井下工具，采用無固相長效環空保護液配合永久式封隔器的防腐方案，滿足了高酸性氣井長期安全生產的要求；完井管柱分別采用125鋼級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6000m的實際要求。4種完井管柱應用于普光氣田的投產實踐，設計的可靠性和科學性均得到了驗證。
關鍵詞：普光氣田；高酸性氣體；一體化完井管柱；材質優選；永久式封隔器；鎳基合金
    普光氣田是目前中國發現的儲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(平均單井配產70×104m3/d)的“超深三高”特點，還具有井型分類多(既有直井、定向井，又包括水平井)、儲層厚度大(200～500m)、投產井段跨度大(300～800m)的特點，特別是由于高含H2S和C02，導致井下腐蝕環境惡劣，在投產作業和生產過程中，極易發生氫脆和硫化物應力腐蝕，導致管柱斷裂、含硫氣體泄漏，出現重大安全事故。根據開發要求，普光氣田采用一次性射開全部產層進行酸壓投產。因此，如何通過調整完井管柱結構、優化管柱設計、優選管柱材質，達到降低腐蝕風險，提高儲層改造效果，實現安全順利作業和平穩生產，是普光氣田投產建設過程中必須首先解決的技術難題[1]。
    從2008年5月普光氣田開始投產作業到2010年8月底完成投產作業，逐漸形成了多種適合普光氣田特點的高酸性氣田完井投產管柱，配合管柱材質優選，實現了該氣田的安全順利投產，這些技術對氣田如期完成105×108m3/a產能建設具有重要意義，對周邊區塊類似高含硫氣井投產也具有一定的借鑒作用。
1 普光氣田完井管柱設計原則
1.1 保證安全
    要盡量減少起下管柱次數，縮短作業時間，減少完井管柱的安全風險點，提高投產作業的安全程度。該氣田采用套管射孔完井方式，下入永久式酸壓、生產一體化管柱，一次性射開所有投產井段，采用膠凝酸酸壓進行儲層改造，就是為了減少投產作業起下管柱次數，防止含硫氣體逸出，降低作業安全風險。在完井管柱設計時，應首先確保安全可靠，在此基礎上進行調整。
1.2 性能可靠、滿足高產氣井的要求
    普光氣田氣井配產為20×104～100×104m3/d，井口油壓30MPa以上，酸壓施工過程中最高泵壓近70MPa，管柱受力載荷大，設計時需要充分考慮這些因素，選擇合適的管柱尺寸，增強管柱安全系數。
1.3 控制成本，實現“低投入、高回報”
   按照相關標準，高酸性氣田管柱應選用高鋼級鎳基合金材質，但價格昂貴，不宜全部選用。在完井管柱設計時應在保證安全和施工效果的基礎上，優化管柱結構，盡量減少投入。
   此外，在高酸性氣田管柱設計時，還應考慮方案的可行性、工藝的成熟程度、施工難度等因素。
2 普光氣田完井管柱結構
   按照以上原則，對普光氣田酸壓、生產一體化管柱進行了設計。在氣田投產建設過程中，又根據不同的井型、井況條件和開發目的進行改進和完善，設計出4種酸壓、生產一體化完井管柱，分別是常規井、監測井、水平井、套變井完井管柱3
2.1 常規酸壓、生產一體化管柱
   此類管柱在普光氣田應用最廣泛，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+球座組成。進行封隔器坐封、酸壓、正常生產等不同工況條件下的管柱力學計算后，通過提高合金油管的鋼級，去除了伸縮短節的使用，既增強了管柱整體受力能力，又減少了管柱的泄漏隱患點，提高了管柱的安全性能。管柱結構示意圖見圖1-a。封隔器坐封在產層上部合金套管內，可防止含硫氣體與上部普通抗硫材質油管接觸。該管柱整體結構簡單，安全性能高，能有效保證氣井的酸壓生產聯作。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、磨銑延伸筒等相關部件，可以通過正轉卸扣倒出封隔器上部管柱，也可通過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，有利于以后可能發生的施工作業[2]。

2.2 監測井酸壓、生產一體化完井管柱
    主要應用于需要下入永置式溫度壓力計的監測井。整趟管柱主要增加了井下壓力計托筒、Y型接頭、跨接箍電纜保護器等永置式壓力計配套設備。管柱結構示意圖見圖1-b。跨接箍電纜保護器的尺寸能保證管柱在下入過程中不會出現因電纜與套管碰撞擠壓導致監測信號傳輸失敗的現象。Y型接頭和井下壓力計托筒設計緊接在永久式封隔器上部，使得壓力計監測數據更接近于井底壓力和溫度，增強了數據的準確性和有效性。
2.3 水平井酸壓、生產一體化管柱
    主要應用于生產井段長且需要酸壓改造的水平井。將常規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，球座下部繼續接油管(圖1-c)。下部油管的下入深度，主要由儲層的物性決定。研究表明，在投產層段上、下段非均質性較強時，若能通過調整油管下入深度，使酸液首先與物性較差儲層接觸，則可以明顯提高籠統酸壓改造效果；投產井段非均質性較好時，油管下入深度對酸壓改造效果的影響不大。因此可根據氣井投產層段儲層物性的差異來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，以保證泵送投球坐封的成功率。
2.4 套變井完井管柱
    主要應用于嚴重套管變形井。在氣田投產建設過程中，由于受“汶川地震”影響，部分井在井下4300m左右的上三疊統嘉陵江組四～五段發生了嚴重的套管變形，最小套管內徑小于135mm，常規完井管柱因封隔器尺寸較大而無法正常下入。套變井完井管柱結構為“遇油膨脹封隔器+永久式封隔器”一體化結構[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，經過一段時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量較好的井段，防止生產時含硫氣體從套管外部竄入上部環空內，為以后可能出現的處理修井作業提供條件。整趟管柱既充分考慮到作業施工、酸壓改造和正常生產時的安全可靠性，又考慮到套變持續加重可能出現的各種嚴重后果，減少了后期作業的安全風險性。
3 完井管柱材質與管徑的優選
    普光氣田采用鎳基合金防腐方案(詳細內容見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，完井工具選擇INC 718鎳基合金材質，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150℃。綜合考慮安全因素和投產成本，生產套管采用組合式結構，在井底到產層頂部為鎳基合金材質，產層頂部到井口為普通抗硫材質，下部封隔器坐落在合金套管內，防止氣體與上部抗硫材質套管接觸，環空加注無固相有機酸鹽長效環空保護液，保證管柱能夠長期安全穩定工作[4]。
    通過節點分析，計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，綜合考慮大規模酸壓施工技術難度，確定了普光氣田完井管柱的尺寸：配產在100×104m3/d以上的井，選用Φ114.3mm×7.37mm的油管；配產在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，扣型為VAM TOP氣密封扣，管柱的整體安全系數在1.8以上，滿足70MPa高壓、6000m井深、大排量酸壓施工的需要。
4 現場應用效果
    4種類型的酸壓、生產一體化管柱在普光高酸性氣田得到了全面應用。永久式封隔器均按設計壓力順利坐封，驗封全部合格，施工成功率100%。管柱最大下深達6231m，酸壓施工最大排量達11m3/min，施工最高泵壓77MPa，單井最高產量110×104m3/d。普光氣田試氣投產作業實現了安全、高效、順利，取得了顯著的應用效果和經濟效益，證明一體化管柱具有足夠的強度、抗內壓、抗沖蝕性能和可靠的氣密封性，管柱設計的科學性和可行性、材質選擇的合理性和可靠性都得到了充分的驗證。
5 結論
    1) 普光高酸性氣田設計采用的常規井、監測井、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，設計科學，針對性強。
    2) 選用INCLOY G3鎳基合金油管和INC718材質井下工具，采用無固相長效環空保護液配合永久式封隔器的防腐方案，滿足了高酸性氣井長期安全生產的要求。
    3) 完井管柱分別采用125鋼級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6000m的實際要求。
參考文獻
[1] 何生厚.普光高含H2S、C02氣田開發技術難題及對策[J].天然氣工業，2008，28(4)：82-85.
[2] 張慶生，吳曉東，魏風玲，等.普光高含硫氣田采氣管柱的優選[J].天然氣工業，2009，29(3)：91-93.
[3] 石俊生，古小紅，宋迎春，等.套管變形井滾壓整形技術的探討與認識[J].天然氣工業，2009，29(6)：52-54.
[4] 魏風玲，姚慧智，魏鯤鵬，等.普光高含硫氣田完井工藝技術研究與應用[J].斷塊油氣田，2009，16(4)：132-133.
 
(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.中國石化集團中原石油勘探局；2.中國石化中原油田分公司采油工程技術研究院)