摘 要：土库曼斯坦阿姆河右岸高温、高压、高含硫气田的地质结构复杂，具有高压力、低渗透的特点，且天然气中普遍含有H2S、CO2等腐蚀性气体，在测试作业过程中发生过井下测试管柱不密封、油管腐蚀损坏、压力泄露等问题，从而影响施工进度和人员、设备的安全。针对此类问题，从工艺和安全角度出发，本着简单实用的原则，通过对现用的4种DST管柱结构的应用特点及工艺进行分析，优化出一套适用于该区块的DST测试管柱(即射孔—测试—酸化—测试—挤压井管柱)，其结构为：TCP管串+RTTS封隔器+安全接头+RD循环阀+RD安全循环阀+OMNl多功能循环阀(不带球)+校深短节+采油树。如果测试后直接投产，则可使用永久式插管封隔器来代替RTTS封隔器，即转换为射孔—酸化—测试—完井管柱。该优化后的管柱设计方案已经成功应用于5口井的测试作业，对指导高温、高压、高含硫井的测试施工设计，有效预防安全质量事故的发生，确保取全、取准地层数据和资料提供了技术支撑。
关键词：土库曼斯坦 阿姆河右岸区块 高温 高压 高含硫 气田 中途测试 测试管柱 优化 设计
An optimal design of a DST string for high temperature，high pressure and sour gas fields on the Right Bank of the Amu Darya River，Turkmenistan
Abstract：The high temperature，high pressure and sour gas fields on the Right Bank of the Amu Darya River，Turkmenistan，are featured by complex geological structures and low permeability．Natural gas there generally contains corrosive gases such as H2S．CO2．Many accidents occur in block testing，for example，unsealed downhole test string，corrosion and damage to tubings and pressure resulted leakage，thus affecting the construction schedule and the safety of personnel and equipment．In order to Drevent these accidents，from the perspective of process and safety，following the principle of“being simple and practical”，we analyzed the application characteristics and technology of the existing four DST string structures to work out an optimal design of a drill stem test (DST)string(i．e．，perforation testing acidification-testing bullheading string)for this block．The string is conlposed of a TCP string+a RTTS packer+a safety joint+a RD circulation valve+a RD safety circulation valve+an OMNI muhifunction circulation valve(no ball)+a marker sub+a christmas tree．If the well is put into production after testin9，a permanent bayonet tube packer can be used to replace RTTS packer，converting to perforation-acidification-testing-completion string．The optimized string design has been successfully applied to the testing operations of five wells，providing a technical support for guiding the testing design of high temperature，high pressure and sour wells，effectively preventing incidents，and accurately acquiring all formation data．
Keywords：Turkmenistan，Ainu Darya River Right Bank，high temperature，high pressure，high sour gas field．drill stem test(DST)，test string，optimal design
高温、高压井测试期间，测试管柱内流体性质、温度、压力、地层应力的大范围变化给测试工作带来很大的难度。对于高温高压DST测试设计而言，在施工设计和工艺选择上，会产生很大的困难(例如：测试井下管柱、测试压差、开关井制度的选择等问题)[1-7]。同时，在安全问题上可能导致很多事故的发生(例如：油套安全、管柱刺漏、遇卡、工具失效等问题)。
笔者从工艺和安全角度出发，针对土库曼斯坦阿姆河右岸气田某区块高温、高压、高含硫油气井的特性，对DST测试过程中所面临的问题进行研究分析，找出导致这些情况发生的原因，并通过合理结合施工工艺和管柱设计，找出避免这些问题产生的方法。研究的内容对高温高压高含硫井的DST测试施工设计具有参考价值，对防止事故的发生及出现事故时及时采取有效措施具有指导意义。
1 面临的主要问题及原因分析
阿姆河右岸气田某区块区井深在3150～4000m之间，压力系数在1.5～1.8，储层平均渗透率为0.066mD，属于低孔一特低渗透储层，天然气中硫化氢含量介于600～4000mg／L等，属于高含硫气田。
在该区块进行高温高压高含硫井DST测试作业时，要安全、优质地完成测试作业，并取全、取准所需地质资料，就需要做到“下得去、坐得住、测得成、起得出”。工艺和安全方面的要求提出了诸多挑战。
1．1 工艺方面
1．1．1面临的问题
面临的问题为：①井下管柱的结构能否满足地质目的和施工工艺的需要；②测试工具性能能否满足整体设计的需要；③工具的材质能否满足测试设计的要求。
1．1．2原因分析
分析其原因有：①管柱结构不合理，功能不健全；②工具的功能和性能达不到要求；③工具的材质不防腐，致使工具操作不成功或是损坏。
1．2 安全方面
1．2．1面临的问题
面临的问题有：①油套管损坏，存在挤毁、压瘪的风险；②测试管柱损坏、刺漏；③井下工具失控；④管柱遇卡。
1．2．2原因分析
1．2．2．1压力影响
油套管和井下测试管柱承受的压差超过了油套管或者井下管柱的工作压力、抗外挤、抗内压的极限，导致油套管和管柱出现安全问题；同时，压力大范围、快速地变化，会使油管及封隔器以下的油层套管在短时间内承受很大的交变应力[8-9]。
1．2．2．2温度影响
高温的影响将会对井下工具及其密封件的要求很高，密封件的失效会导致管柱刺漏，进而发生油套管和测试管柱的超压问题。另外，高温也会对钻井液的性能产生很大的影响，比如钻井液的稳定性、压力的传导性能等，这会导致管柱遇卡或是压控操作的工具失效等问题。
1．2．2．3硫化氢的影响[10-13]
1)硫化氢对金属材料的腐蚀
硫化氢溶于水形成弱酸，对金属的腐蚀形式有电化学失重腐蚀、氢脆和硫化物应力腐蚀开裂，这以后两种腐蚀为主，一般统称为氢脆破坏。氢脆破坏往往造成井下管柱的突然断落、地面管汇和仪表的爆破、井口装置的破坏，甚至发生严重的井喷失控或着火事故。
2)硫化氢能加速非金属材料的老化
在地面设备、井口装置、井下工具中，有橡胶、浸油石黑、石棉等非金属材料制作的密封件。它们在硫化氢环境中使用一定时间后，橡胶会产生鼓泡胀大、失去弹性，浸油石墨及石棉绳上的油被溶解而导致密封件的失效。
2 DST测试管柱优化设计
在高温高压井测试作业过程中，为了解决或避免上述面临的问题，可以根据不同的管柱结构配合以不同的施工工艺，在满足安全作业的同时达到测试目的。
2．1 测试管柱设计的原则
原则为：①安全、简单、町靠；②满足功能；③工艺设计合理。
2．2 主要内容
2．2．1安全设计
井下管柱的安全设计就是为了保证管柱不会出现被拉断、挤毁和压坏，不会出现渗漏和串漏，能够安全地完成测试施工。需要考虑：①管柱的密封性，选择合适的扣型、扭矩、密封脂、密封元件等；②进行测试油管柱分析，包括油管选材、井下工具选择、气密封可靠性分析和其他配套工具；③套管的安全性能分析。
2．2．2功能设计
在保证安全的情况下，需要进一步考虑管柱能台满足功能，达到测试目的，取全取准各项地质参数的需要。包括：①管柱结构要满足地质目的和测试工艺的需要；②井下工具的性能、功能要满足设计的需要；③能够满足特殊预案的需要。
2．3 高温、高压井测试管柱的组合形式
2．3．1超高温、高压井测试管柱
2．3．1．1管柱结构
导向引鞋+射孔枪+点火头+筛管+永久式插管封隔器+压力计托筒+RD安全循环阀+油管+采油树(图1)。
2．3．1．2工艺原理及工序
包括：①预先处理井筒测试液；②入封隔器坐封管柱、校深和坐封封隔器、起出坐封管柱；③下入测试管柱；④安装井口；⑤射孔、流动；⑥打开RD安全循环阀实施循环和井下一次关井、起出测试管柱至井口。
2．3．1．3工艺特点
该管柱适用于超高温、高压井测试作业。特点为：①管柱结构简单，风险小；②满足获得地层资料的基本要求；③插管封隔器的选用虽然增加了操作的程序，施工结束提出管柱后封隔器自身可以封闭底层，直接由测试转为生产管柱；④加强型RD循环阀的使用，能够避免气室被挤毁的风险。
2．3．2高温、高压井测试管柱
2．3．2．1管柱结构
导向引鞋+射孔枪+点火头+筛管+RTTS封隔器+安全接头+液压旁通阀+震击器+压力计托筒+LPR-N阀+放样阀+RD安全循环阀+RD循环阀+校深短节+油管+采油树(或井口控制头)(图2)。
2．3．2．2工艺原理及工序
下管柱前预先用测试液顶替井筒钻井液。工序为：①下钻，过程巾管柱内灌入符合要求的液垫；②校深和调整管柱，坐封；③安装井口设备；④环空打压打开LPR N阀、射孔；⑤井下测试阀实现多次开关井操作，实现流动控制；⑥施工结束通过RI)安全循环阀及RD循环阀实现压井循环。
2．3．2．3工艺特点
此管柱为标准测试管柱，具有以下特点：①实现射孔测试联作，能实现负压差射孔；②管柱中使用LPRN测试阀和RD安全循环阀，实现井下双重切断，最大限度地保证施工安全；③井下开关井，利于取全取准地质资料。
2．3．3高温、高压气井测试及挤压井管拄
2．3．3．1管柱结构
导向引鞋+射孔枪+点火头+筛管+油管+筛管+RTTS封隔器+安全接头+液压旁通+震击器+RD循环阀+压力计托筒+LPRN阀+放样阀+RD安全循环阀+校深短节+油管+采油树(图3)。
2．3．3．2工艺原理及工序
工序为：①下管柱前预先用测试液顶替井筒钻井液；②下钻过程中管柱内灌入符合要求的液垫；③校深和调整管柱、坐封、安装井口设备；④环空打压打开LPRN阀、射孔；⑤施工结束通过打开上部的RD安全循环阀或RD循环阀实现压井循环；⑥下部的RD循环阀一方面用于将测试封隔器以下大段的地层流体挤入地层，同时平衡封隔器内外压差。
2．3．3．3工艺特点
针对底部套管、尾管因尺寸等原因无法下人测试工具的情形，测试工具距离油气层较远，测试后如采用常规循环工艺压井，下部油气无法彻底洗净。采用本管柱可有效解决这一问题，尤其适用于高含硫化氢气井和气井。
2．3．4高温、高压井测试及酸化管柱
2．3．4．1管柱结构
油管挂+油管+OMNl循环阀+RD安全循环阀+LPRN阀+压力计托筒+射孔上旁通接头+RTTS封隔器+射孔下旁通接头+油管+压力起爆器+射孔枪(图4)。
2．3．4．2工艺流程
OMNI阀的循环孔在人井时处于关闭位置。当管柱坐封后，首先环空加压打开LPRN阀，随后继续加压引爆射孔枪。此时，即可进行常规的APR开关井测试，OMNl阀尚未发挥作用。初次测试完成后需要对地层进行酸化改造时，即可通过环空多次加压、卸压打开0MNl阀的循环孔，然后正替酸，再通过环空多次加压、卸压关闭循环孔后，加压开启LPRN阀并保持环空压力，进行酸化后即可再次进行测试。
2．3．4．3工艺特点
该工艺对于一些录井和电测解释不好、地层情况不明、无法确定是否需要进行酸化改造的储层非常便利。首先，与超正压射孔一酸化一测试联作工艺技术不同，该工艺采用的是环空负压射孔，可先完成射孔、测试作业，取得地层流体性质和产量资料，若需要对产层进一步酸化，则利用原测试管柱直接对测试层进行酸化作业，然后再测试，取得准确的参数。其次，酸化前后两次测试对比，可以更准确、直接地了解酸化效果，便于进行更为精确地评价。实践证明，这种工艺避免了射孔后直接酸化造成的底水压开或水层进一步沟通的发生。
2．3．4．4应用优点
主要表现在：①整个作业只需一趟管柱，就可完成射孔、测试、酸化、再测试和试井工作，节约了大量的作业时间及费用；②根据地层压力系数可采用环空加压或井口加压两种方式完成负压射孔，有助于诱喷排液；③避免了多次压井对地层的伤害，更好地保护了产层；④达到了对储层认识的目的，也满足了对储层进一步酸化改造的要求，酸化前后两次测试对比，可以准确、直接了解酸化效果；⑤采用井下关井，降低了高压对测试管柱和井口带来的安全风险。
2．4 高温、高压井DST测试管柱性能比较
性能比较如表1所示。
3 井下工具的选择和使用原则
3．1 测试工具选择的原则
由于高温高压井测试自身的特点，对井下测试工具的压力级别、防硫化氢等级等要求也极为严格。其原则为：①井下DST测试工具的额定工作压力应不小于最高预测井底关井压力的1.1倍；②对于含硫化氢地层的测试，根据地层H2S含量确定工具的防硫级别，井下设备的选择应符合NACE MR-0175标准的要求。
3．2 关键工具的使用
根据工具的功能和特点，结合上述4种管柱结构，可以选择不同工具组合的管柱。
3．2．1RD循环阀的使用
1)用在RD安全循环阀上部，见管柱2、管柱3、管柱4，有如下功能：①可以作为安全循环阀的备用，起循环压井作用；②压井时如果需要加大排量，可以同时打开2只循环阀。
2)用在RD安全循环阀或测试阀下部，见管柱1、管柱3、管柱4，有如下功能：①起压井阀的作用，可以把球阀下部的流体挤入地层，利于充分压井；②起到旁通阀的作用，连通油、套管，平衡地层压力。
3．2．2 RD安全循环阀的单独使用(见管柱1)
1)优点：①关井时，可以保持一定的套压，有利于封隔器密封；②开井时，不需要保持环空压力，减小高压对井下管柱的影响。
2)缺点：只能进行一次井下开关井，需要靠井口开关井来弥补。
3．2．3LPRN阀的使用(见管柱2、管柱3、管柱4)
1)优点：①可以通过液垫的压力来控制测试压差，便于诱喷；②可以进行多次井下开关井，利于快速取得真实的地层资料。
2)缺点：①开井时，需要施加环空压力操作，上压差增加，封隔器卡瓦负荷增加；②关井时，不需要保持套压，下压差增加，封隔器水力锚承受的负荷增加；③圈闭在两球阀之间的高压在工具起到地面以后释放困难；④测试过程中，由于钻井液性能等因素的影响，操作起来比较困难。
3．2．4OMNI阀的使用(见管柱4)
OMNI阀具有以下作用：①酸化作业后，可以操作OMNI阀实施替酸作业；②排液的作用。
4 管柱结构优化
针对阿姆河右岸气田的地质特性以及酸压增产的需求，结合以上4种典型的高温高压井测试管柱的技术特点，本着简单实用的原则，进行优化设计。得出以下管柱优化方案——优化管柱：射孔—测试—酸化—测试—挤压井管柱(图5)。
4．1 管柱结构
TCP管串+RTTS封隔器+安全接头+RD循环阀+RD安全循环阀+OMNI多功能循环阀(不带球)+校深短节+采油树。
4．2 作业流程
基本与射孔—测试—酸化—测试技术操作流程相同，压井的时候打开RD循环阀，将RD安全循环阀下部管柱内流体及封隔器下部流体挤压至地层。
4.3 工艺特点
特点为：①管柱结构简单，安全适用，尤其是对于高温高压高产高含硫化氢的井况。②一趟管柱完成射孔、测试、酸化作业，同时能进行挤压井作业，最大限度满足安全需要。可采用投棒射孔或者管柱内加压延时射孔的方式。③利于酸化前后效果对比。④可以进行地面开关井，终关井采用井下关井，利于取得真实反映地层情况的压力恢复曲线。
需要说明一点，如果测试后直接投产，则可使用永久式插管封隔器来代替RTTS封隔器，即转换为射孔—酸化—测试—完井管柱。
5 应用情况
该优化后的管柱设计方案已经成功应用于阿姆河右岸气田5口井的测试作业。这5口井均成功实现了射孔—测试—酸化—测试作业，管柱中使用RD循环阀作为挤压井阀，测试结束后，可以打开RD安全循环阀，井下关井，同时反循环压井；然后打开反挤压井阀，通过地面反挤，可以将球阀以下内、外油气同时挤入地层，而不需要解封。
在测试中，最长关井时间超过600h，最高压力系数大于1.7，最高温度超过150℃，在不同产量、不同浓度H2S、CO2条件下，该套工艺均能圆满完成施工设计(表2，图6)。
6 结论和建议
以上几口井在测试作业过程中，DST管柱的各项功能均能顺利实现，取全、取准了各项地质资料，保证了试油作业取得圆满成功。由此认为：
1)高温高压高含硫测试时，在保证安全并满足功能的前提下，井下管柱结构越简单越好。
2)合理的施工工艺和井下管柱选择是测试成功的关键。
3)优化后的测试井下测试管柱、工艺适用范围广，满足不同井况条件下的作业，可应用于阿姆河右岸气田管柱结构复杂、高温、高压与高腐蚀环境。
4)实例表明，该套工艺所录取的数据完整可靠，可以确定测试井的流常陛质，计算获取储层和流体参数，客观地评价酸化效果，准确地确定测试井的产能大小，为下步落实该构造储量规模提供依据，为后续气藏开发方案编制提供了基础数据。
5)虽然优化管柱在现场得到成功应用，但考虑到施工质量控制和资料录取的质量控制，还应在井筒保护、井下管柱校核、测试压差设计、工作制度的选取、开关井时间、压井方案等方面进一步进行研究。
参考文献
[1]张凤山．高温高压井射孔测试技术论文集(2010)[M]．北京：石油工业出版社，2011．45-60
ZHANG Fengshan．Collection of papers on the perforating and well testing technology of high temperature and high pressure well(2010)[M]．Beijing：Petroleum Industry Press，2011：45-60．
[2]李相方．高温高压井测试技术[M]．北京：石油工业出版社，2007：122-157．
LI Xiangfang．The well testing technology on high temperature and high pressure well[M]．Beijing：Petroleum Industry Press，2007：l22-157．
[3]冉金成，骆进，舒玉春，等．四川盆地L17超高压气井的试油测试工艺技术[J]．天然气工业，2008，28(10)：58-60．
RAN Jincheng，LUOJin，SHU Yuchun，et al．The well testing technology on extra high pressure gas well，Ll7 in Sichuan Basin[J]．Natural Gas Industry，2008，28(10)：58-60．
[4]李明文．川东北地区高温高压含硫天然气深井测试工艺探讨[J]．油气井测试，2010，l9(1)：45-49．
LI Mingwen．The discussion about well testing technology of high temperature and high pressure and high suIfurous deep gas well in Northeast Sichuan[J]．Well Testing，2010，19(1)：45-49．
[5]刘殷韬，雷有为，曹言光，等．普光气EH大湾区块高含硫水平井完井管柱优化设计[J]．天然气工业，2012，32(12)：71-74．
LIU Yintao，LEI Youwei，CAO Yanguang，et al．Optimal design on completion string of high-sulfur horizontal well in Dawan Block in Puguang Gas Felid[J]．Natural Gas Industry，2012，32(12)：71-74．
[6]张智，李炎军，张超，等．高温含CO2气井的井筒完整性设计[J]．天然气工业，2013，33(9)：79-86．
ZHANG Zhi，I，I YanJun，ZHANG Cha0，et al．Well bore integrity design of high temperature gas wells containing CO2[J]．Natural Gas Industry，2013，33(9)：79-86．
[7]李骞，李相方，李艳静，等．凝析气藏不同开发阶段的合理生产压差探讨[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2012，34(1)：121-126．
LI qian，LI Xiangfang，LI Yanjing，et al．Research of reasonable producing pressure drop of gas condensate reservoir on different period[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2012，34(1)：121-l26．
[8]张智，顾南，杨辉，等．高含硫高产气井环空带压安全评价研究[J]．钻采工艺，2011，34(1)：42-44．
ZHANG Zhi，GU Nan，YANG Hul，et al．Safety evaluation on sustained casing pressure(SCP)in high sulfur high-production gas well[J]．Drilling&Production Technology，2011，34(1)．42-44
[9]黎丽丽，彭建云，张宝，等．高压气井环空压力许可值确定方法及其应用[J]．天然气工业，2013，33(1)：101-104．
LI Lili，PENG Jianyun，ZHANG Bao，et al．A method determining the safety range of the annulus pressure for a high-pressure gas well and its application[J]．Natural Gas Industry，2013，33(1)：101-104．
[l0]NACE／ANSI／ISO．NACE MR0175／ISO15156 Petroleum and natural gas industries-Materials for use in H2S containing environments in oil and gas production[S]．NACE／ANSI／ISO，2003．
[11]薛丽娜，周小虎，严焱诚，等．高温酸性气藏油层套管选材探析——以四川盆地元坝气田为例[J]．天然气工业，2013，33(1)：85-89．
XUE Lina，ZHOU Xiaohu，YAN Yancheng，et al．Materia．selection of the production casing in high-temperature sour gas reservoirs in the Changxing Formation，Yuanba Gas Field，northeastern Sichuan Basin[J]．Natural Gas Industry，2013，33(1)：85-89．
[12]American Petroleum Institute．API 6A Specification for wellhead and christmas tree equipment[S]．wasllington DC：API，2010．
[13]刘清友，唐洋．水下测试树国内外研究现状与国产化思考[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2013，35(2)：1-7．
LIU Qingyou，TANG Yang．Reflections on research status of subsea test tree and home made feasibilities[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science＆Technology Edition，2013，35(2)：1-7．
本文作者：程维恒 王立军 李光辉 王彦武 丁启光
作者单位：中国石油(土库曼斯坦)阿姆河天然气公司
中国石油长城钻探工程公司
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