普光高酸性气田完井管柱设计_技术研究

摘要

摘要：普光高酸性气田气井具有高温、高压、高产、超深的特点，流体具有腐蚀性和剧毒性，这些特点要求完井管柱设计既要充分保证安全，又要满足现场施工要求；此外，由于主要采用水平井和

摘要：普光高酸性气田气井具有高温、高压、高产、超深的特点，流体具有腐蚀性和剧毒性，这些特点要求完井管柱设计既要充分保证安全，又要满足现场施工要求；此外，由于主要采用水平井和大斜度井完井和出现个别井套管严重变形，更加大了设计难度。通过分析普光高酸性气田的投产难点和单井特点，研究确定了完井管柱设计的原则和思路，分井型设计出常规井(永久式)、监测井(永置式)、水平井(层段可选)、套变井(永久式封隔器+遇油膨胀封隔器)等4种不同结构不同特点的永久式酸压、生产一体化完井管柱；选用INCLOY G3镍基合金油管和INC718材质井下工具，采用无固相长效环空保护液配合永久式封隔器的防腐方案，满足了高酸性气井长期安全生产的要求；完井管柱分别采用125钢级Φ88.9 mm和Φ114.3 mm油管、VAM TOP气密封扣，整体管柱满足耐压70 MPa、耐温150℃、下入深度达6000m的实际要求。4种完井管柱应用于普光气田的投产实践，设计的可靠性和科学性均得到了验证。

关键词：普光气田；高酸性气体；一体化完井管柱；材质优选；永久式封隔器；镍基合金

普光气田是目前中国发现的储量最大的海相碳酸盐岩高含硫气田，具有气层埋藏深(平均5500m左右)、高含H₂S(15%)与C0₂(8%)、高压(地层压力在56MPa左右)、高产(平均单井配产70×10⁴m³/d)的“超深三高”特点，还具有井型分类多(既有直井、定向井，又包括水平井)、储层厚度大(200～500m)、投产井段跨度大(300～800m)的特点，特别是由于高含H₂S和C0₂，导致井下腐蚀环境恶劣，在投产作业和生产过程中，极易发生氢脆和硫化物应力腐蚀，导致管柱断裂、含硫气体泄漏，出现重大安全事故。根据开发要求，普光气田采用一次性射开全部产层进行酸压投产。因此，如何通过调整完井管柱结构、优化管柱设计、优选管柱材质，达到降低腐蚀风险，提高储层改造效果，实现安全顺利作业和平稳生产，是普光气田投产建设过程中必须首先解决的技术难题^[1]。

从2008年5月普光气田开始投产作业到2010年8月底完成投产作业，逐渐形成了多种适合普光气田特点的高酸性气田完井投产管柱，配合管柱材质优选，实现了该气田的安全顺利投产，这些技术对气田如期完成105×10⁸m³/a产能建设具有重要意义，对周边区块类似高含硫气井投产也具有一定的借鉴作用。

1 普光气田完井管柱设计原则

1.1 保证安全

要尽量减少起下管柱次数，缩短作业时间，减少完井管柱的安全风险点，提高投产作业的安全程度。该气田采用套管射孔完井方式，下入永久式酸压、生产一体化管柱，一次性射开所有投产井段，采用胶凝酸酸压进行储层改造，就是为了减少投产作业起下管柱次数，防止含硫气体逸出，降低作业安全风险。在完井管柱设计时，应首先确保安全可靠，在此基础上进行调整。

1.2 性能可靠、满足高产气井的要求

普光气田气井配产为20×10⁴～100×10⁴m³/d，井口油压30MPa以上，酸压施工过程中最高泵压近70MPa，管柱受力载荷大，设计时需要充分考虑这些因素，选择合适的管柱尺寸，增强管柱安全系数。

1.3 控制成本，实现“低投入、高回报”

按照相关标准，高酸性气田管柱应选用高钢级镍基合金材质，但价格昂贵，不宜全部选用。在完井管柱设计时应在保证安全和施工效果的基础上，优化管柱结构，尽量减少投入。

此外，在高酸性气田管柱设计时，还应考虑方案的可行性、工艺的成熟程度、施工难度等因素。

2 普光气田完井管柱结构

按照以上原则，对普光气田酸压、生产一体化管柱进行了设计。在气田投产建设过程中，又根据不同的井型、井况条件和开发目的进行改进和完善，设计出4种酸压、生产一体化完井管柱，分别是常规井、监测井、水平井、套变井完井管柱3

2.1 常规酸压、生产一体化管柱

此类管柱在普光气田应用最广泛，主要适用于高含硫气藏井况条件较好的直井和定向井，由耐蚀合金油管配套井下安全阀+滑套+封隔器+坐落短节+球座组成。进行封隔器坐封、酸压、正常生产等不同工况条件下的管柱力学计算后，通过提高合金油管的钢级，去除了伸缩短节的使用，既增强了管柱整体受力能力，又减少了管柱的泄漏隐患点，提高了管柱的安全性能。管柱结构示意图见图1-a。封隔器坐封在产层上部合金套管内，可防止含硫气体与上部普通抗硫材质油管接触。该管柱整体结构简单，安全性能高，能有效保证气井的酸压生产联作。其中封隔器采用双向卡瓦液压坐封永久式封隔器，耐压70MPa，能满足生产安全密封的要求。封隔器配套采用插入密封、磨铣延伸筒等相关部件，可以通过正转卸扣倒出封隔器上部管柱，也可通过下入专用磨铣工具磨铣封隔器，使卡瓦解卡而打捞出封隔器，有利于以后可能发生的施工作业^[2]。

2.2 监测井酸压、生产一体化完井管柱

主要应用于需要下入永置式温度压力计的监测井。整趟管柱主要增加了井下压力计托筒、Y型接头、跨接箍电缆保护器等永置式压力计配套设备。管柱结构示意图见图1-b。跨接箍电缆保护器的尺寸能保证管柱在下入过程中不会出现因电缆与套管碰撞挤压导致监测信号传输失败的现象。Y型接头和井下压力计托筒设计紧接在永久式封隔器上部，使得压力计监测数据更接近于井底压力和温度，增强了数据的准确性和有效性。

2.3 水平井酸压、生产一体化管柱

主要应用于生产井段长且需要酸压改造的水平井。将常规井一体化管柱下部的剪切球座换成水平井专用的棘爪型球座，球座下部继续接油管(图1-c)。下部油管的下入深度，主要由储层的物性决定。研究表明，在投产层段上、下段非均质性较强时，若能通过调整油管下入深度，使酸液首先与物性较差储层接触，则可以明显提高笼统酸压改造效果；投产井段非均质性较好时，油管下入深度对酸压改造效果的影响不大。因此可根据气井投产层段储层物性的差异来确定油管的下入深度，其封隔器座封位置尽可能放在井斜角55°以内，以保证泵送投球坐封的成功率。

2.4 套变井完井管柱

主要应用于严重套管变形井。在气田投产建设过程中，由于受“汶川地震”影响，部分井在井下4300m左右的上三叠统嘉陵江组四～五段发生了严重的套管变形，最小套管内径小于135mm，常规完井管柱因封隔器尺寸较大而无法正常下入。套变井完井管柱结构为“遇油膨胀封隔器+永久式封隔器”一体化结构^[3]，主要由耐蚀合金油管配套井下安全阀+滑套+上部的永久式封隔器+下部遇油膨胀封隔器+球座组成(图1-d)。遇油膨胀封隔器为特殊橡胶材料，将其下入合金套管段内，经过一段时间的柴油浸泡能够充分膨胀，保证足够的封隔压力，防止气体对上部的抗硫套管造成腐蚀；永久式封隔器坐落在套变段上部固井质量较好的井段，防止生产时含硫气体从套管外部窜入上部环空内，为以后可能出现的处理修井作业提供条件。整趟管柱既充分考虑到作业施工、酸压改造和正常生产时的安全可靠性，又考虑到套变持续加重可能出现的各种严重后果，减少了后期作业的安全风险性。

3 完井管柱材质与管径的优选

普光气田采用镍基合金防腐方案(详细内容见本期李顺林等的文章)。该气田完井油管选择INCLOY G3或其他相似的镍基合金材质，完井工具选择INC 718镍基合金材质，其中封隔器胶筒为AFLAS橡胶，适合高H₂S和C0₂的井况条件，耐温可达150℃。综合考虑安全因素和投产成本，生产套管采用组合式结构，在井底到产层顶部为镍基合金材质，产层顶部到井口为普通抗硫材质，下部封隔器坐落在合金套管内，防止气体与上部抗硫材质套管接触，环空加注无固相有机酸盐长效环空保护液，保证管柱能够长期安全稳定工作^[4]。

通过节点分析，计算了普光气田工况条件下不同管径的临界携液流量、冲蚀流量等参数，综合考虑大规模酸压施工技术难度，确定了普光气田完井管柱的尺寸：配产在100×10⁴m³/d以上的井，选用Φ114.3mm×7.37mm的油管；配产在100×10⁴m³/d以下的井，选用Φ88.9mm×6.45mm的油管。油管全部选用125钢级，扣型为VAM TOP气密封扣，管柱的整体安全系数在1.8以上，满足70MPa高压、6000m井深、大排量酸压施工的需要。

4 现场应用效果

4种类型的酸压、生产一体化管柱在普光高酸性气田得到了全面应用。永久式封隔器均按设计压力顺利坐封，验封全部合格，施工成功率100%。管柱最大下深达6231m，酸压施工最大排量达11m³/min，施工最高泵压77MPa，单井最高产量110×10⁴m³/d。普光气田试气投产作业实现了安全、高效、顺利，取得了显著的应用效果和经济效益，证明一体化管柱具有足够的强度、抗内压、抗冲蚀性能和可靠的气密封性，管柱设计的科学性和可行性、材质选择的合理性和可靠性都得到了充分的验证。

5 结论

1) 普光高酸性气田设计采用的常规井、监测井、水平井、套变井等4种完井管柱，充分考虑到了高酚眭气田的特殊安全要求，设计科学，针对性强。

2) 选用INCLOY G3镍基合金油管和INC718材质井下工具，采用无固相长效环空保护液配合永久式封隔器的防腐方案，满足了高酸性气井长期安全生产的要求。

3) 完井管柱分别采用125钢级Φ88.9mm和Φ114.3mm油管、VAM TOP气密封扣，整体管柱满足耐压70MPa、耐温150℃、下入深度达6000m的实际要求。

参考文献

[1] 何生厚.普光高含H₂S、C0₂气田开发技术难题及对策[J].天然气工业，2008，28(4)：82-85.

[2] 张庆生，吴晓东，魏风玲，等.普光高含硫气田采气管柱的优选[J].天然气工业，2009，29(3)：91-93.

[3] 石俊生，古小红，宋迎春，等.套管变形井滚压整形技术的探讨与认识[J].天然气工业，2009，29(6)：52-54.

[4] 魏风玲，姚慧智，魏鲲鹏，等.普光高含硫气田完井工艺技术研究与应用[J].断块油气田，2009，16(4)：132-133.

(本文作者：孔凡群¹ 张庆生² 魏鲲鹏² 古小红² 姚慧智² 1.中国石化集团中原石油勘探局；2.中国石化中原油田分公司采油工程技术研究院)