劉金龍，孟英峰，李永杰，魏納，劉顯彬

（1.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒841000；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都610500；3.中國石油集團川慶鉆探長慶石油工程監(jiān)督公司，陜西 西安710000）

1 氣體鉆井的CO2 腐蝕問題

CO2為氣藏中非烴類氣體的重要組分，體積分數(shù)一般小于5%。國內(nèi)把流體組分中CO2體積分數(shù)大于10%的氣藏稱為高含CO2氣藏［1-2］。由于CO2遇水后對固井水泥石、鉆采管具具有腐蝕性，開發(fā)高含CO2氣藏對鉆完井、測試工藝、開采措施與地面集輸工程都提出了新的要求。對于液基鉆井液鉆井，可通過向鉆井液和固井水泥漿中摻入特殊材料、采用抗腐蝕管材及物理和化學(xué)防腐等方法減弱CO2氣體的腐蝕破壞作用［3-7］。

氣體鉆井為避免不壓井起鉆風(fēng)險與壓井對儲層的傷害，通常在鉆井設(shè)計中明確規(guī)定，在地層產(chǎn)氣量達到一定標準時直接采用鉆桿完井［8-9］。雖然鉆桿完井避免了部分風(fēng)險并保護了儲層，但對于高含CO2氣藏，該完井方法限制一些防CO2腐蝕措施的使用，如永久式封隔器保護上部管柱、環(huán)空注入保護液、采用抗腐蝕生產(chǎn)管柱等［2，10］。另外，氣體鉆井常采用的S135 鋼級鉆桿，具備一定的抗CO2腐蝕性能，但是在鉆進過程中，由于磨損及氣流的沖蝕作用，鉆柱耐腐蝕能力降低［11-12］；因此，氣體鉆井在最終選取完井方式時應(yīng)考慮到后期采氣過程中氣藏CO2的腐蝕問題。

由De Waard 公式，CO2腐蝕速率為［13］

式中：vcorr為腐蝕速率，mm/a；T 為溫度，K；p（CO2）為CO2分壓，bar（1 bar=0.1 MPa）。

由式（1）可知，在一定環(huán)境條件下，CO2腐蝕速率與其分壓相關(guān)，即與CO2體積分數(shù)和氣體總壓相關(guān)，因此，可將氣藏中的CO2體積分數(shù)作為輔助評價CO2腐蝕能力的指標。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不同井位的氣測數(shù)據(jù)不同；另外，鄰井數(shù)據(jù)多在液基鉆井液鉆井條件下獲取，由于鉆井液基液為堿性，且CO2在水中的溶解度高，直接采用鄰井的CO2組分數(shù)據(jù)亦具有不確定性。

2 氣藏CO2 體積分數(shù)的隨鉆監(jiān)測

由于鄰井數(shù)據(jù)應(yīng)用于本井的準確性有待考證，而氣體鉆井安全風(fēng)險大，需較高的決策效率，這就要求在儲層氣體鉆進過程中，須現(xiàn)場隨鉆快速確定所揭開氣藏的CO2體積分數(shù)。儲層氣體鉆井時，消除了井筒液體對CO2氣體的溶解與化學(xué)反應(yīng)的影響，基于物質(zhì)守恒定律，若井筒內(nèi)可燃氣體未發(fā)生燃爆反應(yīng)，排砂管線返出的CO2量為注入氣體中的CO2量與氣藏產(chǎn)出的CO2量之和，物理模型如圖1所示。

圖1 儲層氣體鉆井井筒內(nèi)CO2 守恒物理模型

排砂管線返出氣體的全烴體積分數(shù)為

排砂管線返出氣體的CO2體積分數(shù)為

注入氣體的CO2體積分數(shù)為

式中：Qnr為儲層產(chǎn)出全烴量，m3/min；Qgi為注入氣體量（不 含CO2），m3/min；Qi（CO2）為 注 入CO2量，m3/min；Qr（CO2）為儲層產(chǎn)出CO2量，m3/min；cno為返出全烴體積分數(shù)，%；ci（CO2），co（CO2）分別為注入、返出CO2體積分數(shù)，%。

由式（2）—（4）可知，若已知Qgi，cno，ci（CO2），co（CO2），則氣藏中CO2的產(chǎn)出量為

氣藏的CO2體積分數(shù)為

3 相關(guān)參數(shù)的采集

儲層氣體鉆井時，為了隨鉆計算出氣藏中的CO2體積分數(shù)，須對立管注入氣體流量、注入氣體CO2體積分數(shù)與排砂管線返出氣體全烴體積分數(shù)、返出氣體CO2體積分數(shù)等參數(shù)進行在線采集，設(shè)計各傳感器的井場布局如圖2所示。

圖2 相關(guān)參數(shù)采集傳感器井場布置

注入氣體流量計與CO2體積分數(shù)傳感器布局于膜制氮機組和增壓機組之間的連接管線上； 返出氣體全烴與CO2體積分數(shù)傳感器布局于排砂管線上，取樣氣由閥門節(jié)流后經(jīng)凈化、干燥裝置除去其中混合的巖屑，輸送至氣體傳感器檢測； 所有傳感器就近安裝于采樣點，避免因長距離輸送導(dǎo)致檢測滯后。注入氣體流量數(shù)據(jù)采集使用孔板式氣體流量計。

由于綜合錄井氣測存在地層產(chǎn)氣后響應(yīng)不及時，以及初期產(chǎn)氣檢測結(jié)果不準確的問題［14］，返出氣體的全烴參數(shù)采集由一只半導(dǎo)體表面電阻控制型傳感器與一只熱導(dǎo)率變化式傳感器完成。半導(dǎo)體傳感器用于低全烴體積分數(shù)（0～1%）檢測，對返出氣流中的微量可燃氣體有反應(yīng)； 熱導(dǎo)式傳感器克服了半導(dǎo)體型檢測體積分數(shù)范圍小的缺點，其檢測體積分數(shù)可達100%，但其在微量全烴時沒有半導(dǎo)體型精度高。因此，將2 只不同類型的傳感器配合使用，在不同全烴體積分數(shù)下，通過編寫控制程序激活單只傳感器工作。

綜合錄井的氫火焰離子檢測器不能使CO2氣體離子化，還須測量注入氣體中的CO2體積分數(shù)，可使用紅外型CO2傳感器測量注入與返出端的CO2體積分數(shù)，其具有選擇性強、精度高、非接觸反應(yīng)的特點［15］。

4 應(yīng)用實例

A 井是國內(nèi)西部某油田為探索深層致密砂巖氣藏的一口重點探井，采用儲層氣體鉆井以及時發(fā)現(xiàn)、保護儲層，為評價儲層產(chǎn)能提供依據(jù)。設(shè)計在鉆穿儲層后，若顯示較好，則直接采用鉆桿完井。為了避免出現(xiàn)完井鉆桿腐蝕失效事故，須評價氣藏CO2的腐蝕能力，以保證氣井的安全穩(wěn)產(chǎn)。

采用前述方法，儲層揭開后一段鉆進時間內(nèi)按式（6）計算氣藏的CO2體積分數(shù)（見圖3）。由于消除了注入氣體的稀釋作用，計算的氣藏實際CO2體積分數(shù)略高于排砂管線測量值。在揭開新儲層后，全烴體積分數(shù)由64%快速上升至91%，后逐漸衰減并穩(wěn)定在75%，同時，排砂管線測量到的CO2體積分數(shù)變化趨勢與全烴類似。

圖3 A 井儲層氣體鉆井氣藏CO2 體積分數(shù)隨鉆測量

由計算的氣藏CO2體積分數(shù)曲線，可見產(chǎn)氣前后氣藏的CO2體積分數(shù)都持續(xù)在2．1%左右，為非高含CO2氣藏。鄰井開采的天然氣中，CO2體積分數(shù)為2．1%～3．5%，計算結(jié)果與其相符。同時，氣體鉆井前后揭開的雖非同一儲層段，但處于同一構(gòu)造內(nèi)且相鄰的井，兩者產(chǎn)出的天然氣中CO2體積分數(shù)相當。

5 結(jié)論

1）CO2腐蝕速率與氣藏CO2體積分數(shù)、環(huán)境溫度、壓力、pH 值、含水等條件相關(guān)，但在環(huán)境條件一定時，決定其腐蝕能力的關(guān)鍵因素為產(chǎn)出氣體的CO2體積分數(shù)。因此，可將氣藏CO2體積分數(shù)作為輔助評價其腐蝕能力的指標。

2）儲層氣體鉆井消除了液基鉆井液同CO2氣體的溶解與化學(xué)反應(yīng)，基于物質(zhì)守恒定律，得出氣藏CO2體積分數(shù)與注入氣體量、注入氣體CO2體積分數(shù)、返出氣體全烴體積分數(shù)、返出氣體CO2體積分數(shù)的關(guān)系。將該方法應(yīng)用于現(xiàn)場實例，其計算結(jié)果準確，能夠滿足現(xiàn)場工程需求。

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