黃亮 徐靖 魏安超 張超 韓成

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

南海某氣田位于鶯歌海盆地，水深63 m，儲層平均埋深約3 000 m，地層壓力系數(shù)為1.90～1.93，目的層溫度接近141 ℃，CO2含量為12%～50%，氣藏屬于高溫、高壓、高含CO2氣藏。在高溫高壓氣井生產(chǎn)作業(yè)過程中，完井管柱和井下工具所處壓力、溫度環(huán)境變化范圍大，管柱往往會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，且井下腐蝕環(huán)境惡劣，加大了井下管柱失效的風險。開展此類井的完井管柱設(shè)計，保證完井管柱長期的可靠性和安全性，是海上高溫高壓氣田安全生產(chǎn)的重要保障。我們針對該氣田定向井和水平井的完井管柱結(jié)構(gòu)，通過對油管材質(zhì)及尺寸、管柱強度校核、射孔管柱安全控制方面的優(yōu)化，完成了適用于海上高溫高壓氣田開發(fā)的完井管柱設(shè)計。

1 鶯歌海盆地高溫高壓氣井完井管柱設(shè)計

考慮氣田儲層特性和海上作業(yè)環(huán)境的安全性，在鶯歌海盆地高溫高壓氣井完井管柱設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則[1-2]。

(1) 完井管柱。應(yīng)選用簡單可靠的完井管柱。如，井下工具選用已通過實踐應(yīng)用、成熟可靠、經(jīng)得起實踐檢驗的耐用產(chǎn)品；連接扣型選用密封性能良好及金屬對金屬密封的特殊螺紋；盡可能減少使用橡膠密封件，特別是滑動橡膠密封件，例如伸縮節(jié)等。

(2) 工具材質(zhì)。針對產(chǎn)層流體中富含CO2腐蝕氣體的特點，工具材質(zhì)應(yīng)優(yōu)選經(jīng)濟、有效的防腐材質(zhì)。

(3) 油管直徑。油管直徑應(yīng)滿足配產(chǎn)要求；同時，氣井的井口壓力還應(yīng)滿足地面輸氣的最低壓力、后期攜液能力、沖蝕能力的要求。

(4) 射孔管柱。根據(jù)射孔完井作業(yè)的特點，應(yīng)考慮射孔管柱振動對油管強度、封隔器的影響，使其在可控范圍之內(nèi)。

根據(jù)上述原則，對鶯歌海盆地高溫高壓定向井、水平井完井管柱進行了優(yōu)化設(shè)計。

1.1 定向井的完井管柱結(jié)構(gòu)

在定向井套管射孔完井作業(yè)中，該完井管柱采用的是雙層封隔器管柱結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的目的：一是增強環(huán)空可靠性，降低環(huán)空帶壓風險；二是使下部懸掛封隔器承受射孔瞬間產(chǎn)生的沖擊震動和壓力激動，保護上部生產(chǎn)封隔器的完整性，降低環(huán)空帶壓風險。圖1所示為鶯歌海盆地某氣田定向井完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖。其上部生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為“油管掛+油管+井下安全閥+油管+永久式可回收封隔器+油管+插入密封”，下部生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為“永久式可回收封隔器+油管+射孔槍”。

通過管柱實現(xiàn)施工，先將鉆桿送入帶封隔器的射孔槍，掛在尾管中，再下入上部油管，并插入到下部封隔器的回接筒內(nèi)；然后，坐封上部封隔器，安裝井口采氣樹，加壓點火，清噴投產(chǎn)。

1.2 水平井的完井管柱結(jié)構(gòu)

對于水平井，采用裸眼完井，下入打孔管支撐井壁。采用中部隔離管柱結(jié)構(gòu)，除了能夠增強環(huán)空可靠性外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓裸眼儲層的隔離，以便替入低比重的環(huán)空保護液，從而達到保護生產(chǎn)套管的目的。圖2所示為鶯歌海盆地某氣田水平井完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖。其上部生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)為“油管掛+油管+井下安全閥+油管+永久式可回收封隔器+油管+插入密封”；中部管柱為“永久式可回收封隔器+油管+地層隔離閥”；下部管柱為“打孔管封隔器+打孔管”。

圖1 鶯歌海盆地某氣田定向井完井管柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鶯歌海盆地某氣田水平井完井管柱示意圖

該生產(chǎn)管柱具體施工流程為：打孔管下入之后，單獨鉆送入帶地層隔離閥的中部管柱，驗封合格后，替入低比重的環(huán)空保護液；之后下入上部完井管柱，并插入到中部封隔器的回接筒內(nèi)，坐封上部封隔器，安裝井口采氣樹，加壓打開地層隔離閥，清噴投產(chǎn)。

1.3 完井管柱材質(zhì)及尺寸

目前，該氣田已開發(fā)2套氣組，分別為A氣組和B氣組。其中，A氣組CO2分壓最高達12 MPa，B氣組CO2分壓最高達28 MPa。根據(jù)國外油套管廠商的選材圖版推薦結(jié)果判定：A氣組處于13Cr的臨界水平，B氣組超出了常規(guī)13Cr的工作水平。為了進一步評價管柱材質(zhì)抗腐蝕能力，對常規(guī)13Cr、改良型13Cr、超級13Cr材質(zhì)進行了腐蝕測試實驗評價。根據(jù)實驗評價結(jié)果，確定A氣組砂體油套管材質(zhì)選用改良型13Cr，B氣組砂體油套管材質(zhì)選用超級13Cr。

按照中深層開發(fā)配產(chǎn)方案，運用節(jié)點分析法分析不同油管尺寸下的攜液能力和沖蝕能力，最終選定該氣田氣井生產(chǎn)管柱尺寸。當單井日產(chǎn)量為15×104～30×104m3時，選用Φ73 mm油管；當單井日產(chǎn)量為30×104～60×104m3時，選用Φ88.9 mm油管。

1.4 井下工具

(1) 井下安全閥。選用非自平衡式井下安全閥，安全閥、液控管線接口的密封形式均采用金屬對金屬密封方式，以有效降低關(guān)井后氣體泄漏的風險。

(2) 封隔器。為了降低氣井生產(chǎn)過程中環(huán)空帶壓的風險，封隔器選用額定工作壓力為68.9 MPa、耐溫180 ℃的永久式可回收封隔器，且通過了ISO 14310 V0測試認證[4]。橡膠密封墊材料采用AFLAS橡膠。與常規(guī)的永久式封隔器不同，該封隔器能通過油管化學切割軸芯、電纜攜帶/連續(xù)油管攜帶機械切割芯軸在生產(chǎn)管柱上直接回收。

(3) 油管及井下工具螺紋。油管及井下工具螺紋采用VAM TOP扣，該螺紋已通過ISO 13679第IV級密封認證[5]。

2 完井管柱力學分析

2.1 腐蝕缺陷油管強度校核

根據(jù)油套管腐蝕速率評價結(jié)果，按照API Specification 5CT 標準計算油管的剩余強度，得到油管強度和服役年限之間的關(guān)系。然后，根據(jù)實際的井眼軌跡數(shù)據(jù)，對完井管柱下入、封隔器坐封、穩(wěn)定生產(chǎn)、掏空等工況進行力學分析，得到基于腐蝕年限的油管強度[6]。

由圖3所示油管三軸安全系數(shù)設(shè)計可以看出，在油管服役期滿20 a后，13CrS-110和改良型13Cr-110的三軸安全系數(shù)均滿足《海洋鉆井手冊》規(guī)定中安全系數(shù)不低于1.25的要求[7]。

2.2 密閉環(huán)空壓力油管安全評估

完井管柱均采用雙封隔器結(jié)構(gòu)，未與底層連通。隨著油管內(nèi)溫度的升高，雙封隔離器之間密閉環(huán)空內(nèi)流體熱膨脹壓力急劇增加，有可能造成油管抗擠能力和油層套管抗內(nèi)壓不足的危險，直接影響油套管強度和封隔器的密封性。以封隔器座封位置為3 400 m為例，根據(jù)密閉環(huán)空壓力計算公式[8]，計算不同封隔器間距下的密閉環(huán)空壓力變化。

圖3 油管三軸安全系數(shù)設(shè)計

由圖4所示封隔器間距隨密閉環(huán)空壓力值的變化曲線可知，封隔器間距越大，其圈閉壓力也越大。為了便于現(xiàn)場操作，將封隔器間距控制在200 m以內(nèi)。

圖4 封隔器間距隨密閉環(huán)空壓力值的變化曲線

2.3 射孔管柱安全控制

在射孔作業(yè)過程中，為了防止射孔管柱中封隔器解封或損壞，保障作業(yè)的安全性，首先需確定封隔器與射孔頂端的安全距離。以本次作業(yè)中射孔段最長的某井為例，其射孔總長為22.7 m，每發(fā)射孔所需彈藥量為50 g。通過有限元分析方法模擬射孔瞬間井筒內(nèi)壓力變化和射孔管柱的受力情況，設(shè)置Φ177.8 mm套管內(nèi)封隔器與射孔上端的安全距離[9]。

當此安全距離為30～50 m時，隨著射孔槍上端與封隔器之間的距離加大，封隔器所受爆轟壓力相應(yīng)減小，且變化率較大。當距離超過50 m后，隨著射孔槍上端與封隔器之間的距離加大，封隔器所受爆轟壓力相應(yīng)減小。因此，建議將永久封隔器與射孔頂端的距離設(shè)置為60 m左右。

3 結(jié) 語

在該氣田5口井生產(chǎn)中，應(yīng)用了上述完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，均得以安全順利投產(chǎn)。自投產(chǎn)以來，各井日產(chǎn)量為40×104～60×104m3，遠超油藏配產(chǎn)，且均未出現(xiàn)異常環(huán)空帶壓的情況。鶯歌海盆地高溫高壓氣田實現(xiàn)了安全、高效、順利投產(chǎn)，證明了該套完井管柱設(shè)計適合海上高溫高壓氣田開發(fā)。通過鶯歌海盆地高溫高壓氣井完井管柱的設(shè)計與應(yīng)用實踐，得到以下認識：

(1) 鶯歌海盆地高溫高壓氣田完井管柱設(shè)計采用雙封隔器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，既能保護套管，又能保障地面安全。

(2) 對于高含CO2氣井，其油管強度的設(shè)計應(yīng)該考慮腐蝕性對強度的影響。

(3) 生產(chǎn)管柱采用雙封隔器結(jié)構(gòu)，且未與底層連通。隨著油管內(nèi)溫度的升高，雙封隔離器之間密閉環(huán)空內(nèi)流體熱膨脹壓力急劇增加；因此，需要對密閉環(huán)空壓力進行安全評估，并采取適當措施，使環(huán)空憋壓處于合理的范圍內(nèi)。

(4) 為了減輕射孔時壓力波對管柱的影響，建議射孔槍與懸掛封隔器間的距離保持60 m左右，同時采取適當?shù)臏p震措施。