戴 強, 張本健, 張晉海

(1川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2成都理工大學(xué) 3西南油氣田分公司川西北氣礦 4西南石油大學(xué))

雙魚石構(gòu)造位于川西北部地區(qū)，經(jīng)前期勘探，在棲霞、茅口、觀霧山組等深層碳酸鹽巖氣藏獲得重大油氣發(fā)現(xiàn)。與國內(nèi)其它高溫高壓氣藏相比，其具有埋藏超深、地層壓力超高、產(chǎn)出流體含H2S等顯著特點。作為采氣主要通道和一級井屏障，完井管柱在完井和開采期間的完整性直接影響氣井天然氣安全生產(chǎn)。本文在室內(nèi)實驗和模擬計算基礎(chǔ)上，從完井管柱材質(zhì)、油管組合、管柱協(xié)調(diào)性等方面進行完井管柱完整性優(yōu)化設(shè)計探討，以保障完井及生產(chǎn)階段完井管柱的完整性。

一、雙魚石構(gòu)造完井管柱完整性需求

1. 雙魚石構(gòu)造前期試油完井特點

(1)對設(shè)備和材料的性能要求高。目的層地層壓力90～120 MPa，目的層埋藏深且?guī)r性致密，增產(chǎn)改造施工泵壓高達70～95 MPa,少數(shù)井口施工壓力甚至超過120 MPa。儲層改造、放噴測試、關(guān)井等作業(yè)對對油管、封隔器及井下閥組、短節(jié)和接頭的強度和密封可靠性要求高；超深高溫小井眼中安全起下管柱、封隔器密封可靠性，要求高密度壓井液性能穩(wěn)定。

(2)作業(yè)工況條件惡劣，井完整性面臨巨大挑戰(zhàn)。超深小井眼(?97 mm～?106 mm)作業(yè)易出現(xiàn)阻卡，替液、酸化、排液及求產(chǎn)等多種工況銜接緊密，完井管柱工況條件變化頻繁，封隔器、油管等井屏障組件易損壞,完井管柱失效風險高。

(3)勘探開發(fā)銜接緊密，由發(fā)現(xiàn)到開發(fā)周期短。雙魚石構(gòu)造深層碳酸鹽巖氣藏采取“邊勘探、邊開發(fā)”的指導(dǎo)方針。探井在獲得發(fā)現(xiàn)之后立即轉(zhuǎn)入試采。故需要根據(jù)試油成果進行針對性的完井管柱優(yōu)化設(shè)計，確保完井管柱井屏障的長期完整性。

2. 完井管柱完整性需求

完井投產(chǎn)管柱作為一級井屏障，主要由完井封隔器、井下安全閥、油管等井屏障組件構(gòu)成，覆蓋完井、增產(chǎn)作業(yè)、油氣生產(chǎn)到衰竭棄井階段全過程，保障超深、超高壓氣井生命周期內(nèi)的井完整性。需要做好以下工作：①解決井下工具和設(shè)備在酸性環(huán)境中長期生產(chǎn)的防腐問題；②確保油管、封隔器、井下安全閥等入井設(shè)備在惡劣工況條件下安全可靠;③滿足天然氣生產(chǎn)期間的安全，包括井口和井下安全關(guān)井、調(diào)產(chǎn)；④完井管柱井屏障組件之間的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性，避免互相沖突導(dǎo)致井屏障失效。

二、高溫高壓氣井完井管柱完整性研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外井筒完整性相關(guān)標準及技術(shù)要求[1-3]均明確指出，在完井、油氣生產(chǎn)階段應(yīng)保證井內(nèi)具有兩道有效可靠的井屏障存在，見圖1。一旦完井管柱作為井屏障失效，地層流體將直接與作為二級井屏障的生產(chǎn)套管相接觸。對于高溫高壓含硫氣井，這種情況是不可接受的。因此，應(yīng)充分考慮投產(chǎn)目的層的工程地質(zhì)特點、產(chǎn)出流體性質(zhì)等多個因素，合理設(shè)計完井管柱，確保一級井屏障安全。

圖1 完井投產(chǎn)管柱的井屏障圖

當前高溫高壓氣井井筒完整性設(shè)計研究表明[4-11]，完井管柱完整性應(yīng)考慮管材耐腐蝕性、管柱密封性、組件匹配性。目前國內(nèi)在高溫高壓酸性氣井完井管柱設(shè)計上融入了井完整性理念，針對油管失效、封隔器失封、井下安全閥泄漏等問題開展了研究工作，并對完井管柱完整性主要影響因素進行了分析，見表1。

三、完井管柱井屏障完整性優(yōu)化設(shè)計

1. 完井管柱防腐蝕措施

完井管柱完整性與油管及其它井下工具的防腐蝕性能密切相關(guān)。當前完井管柱防腐蝕措施主要有兩種，一是優(yōu)選防腐蝕性能較好的材質(zhì);二是添加緩釋劑。實際應(yīng)用時，通常兩種方式結(jié)合使用。

表1 高溫高壓酸性氣井完井管柱主要部件失效表現(xiàn)及原因

雙魚石構(gòu)造縱向上多個產(chǎn)層產(chǎn)出流體情況、氣水界面等問題并未完全摸清。“地層水+酸性氣體”的惡劣井下腐蝕環(huán)境，嚴重威脅完井管柱在生產(chǎn)期間的完整性。需要從材質(zhì)和緩蝕劑兩方面入手，降低油管腐蝕速率，確保完井管柱完整性。

實驗表明，液相腐蝕比氣相腐蝕更為嚴重，高含H2S/CO2環(huán)境下，耐蝕合金的平均腐蝕速率低于0.01 mm/a，抗硫碳鋼為2.17 mm/a，在加入0.5%緩蝕劑后，抗硫碳鋼的平均腐蝕速率下降到0.15 mm/a。含H2S/CO2環(huán)境下，兩種材料平均腐蝕速率更低，溫度的升高會加快腐蝕，但都在許可范圍內(nèi)。

碳鋼材料在液相中的腐蝕速率遠高于氣相；加注緩蝕劑可以大幅降低碳鋼材料的腐蝕速率，且液相中效果更明顯，見圖2、圖3。

圖2 液相腐蝕環(huán)境下碳鋼材料腐蝕速率

兩組不同材料(718和VM80SS、N08028和BG95SS)電偶腐蝕實驗結(jié)果顯示，與偶合前相比，偶合后高合金鋼(718、N08028)的年腐蝕速率下降25%～30%，低合金鋼(VM80SS和BG95SS)年腐蝕速率上升26%～56%，但總體上兩組合金腐蝕速率仍然很低(低于0.035 mm/a)，電偶腐蝕不嚴重，這表明耐蝕合金材質(zhì)井下工具與碳鋼油管配合使用是可行的。

圖3 氣相腐蝕環(huán)境下碳鋼材料腐蝕速率

綜上所述，耐蝕合金材質(zhì)油管、封隔器及井下安全閥組成的完井管柱防腐性能最佳；抗硫碳鋼油管在配合使用緩蝕劑后也具有良好的防腐效果。

2. 完井管柱強度校核

在管柱力學(xué)校核基礎(chǔ)上優(yōu)化完井管柱配置，確保增產(chǎn)改造施工高泵壓，超高關(guān)井壓力以及生產(chǎn)后期低壓低產(chǎn)等惡劣工況下完井油管安全。對耐蝕合金材質(zhì)油管，選擇?88.9 mm δ9.53 mm、?88.9 mm δ7.34 mm、?88.9 mm δ6.45 mm的125鋼級油管和?73 mm δ5.51 mm110鋼級油管進行優(yōu)化，對抗硫碳鋼材質(zhì)油管，選擇?88.9 mm δ12.09 mm、?88.9 mm δ9.53 mm、?88.9 mm δ7.34 mm、?88.9 mm δ6.45 mm的110鋼級油管和?73 mm δ5.51 mm110鋼級油管進行優(yōu)化，各自形成3套油管組合方案，進行管柱力學(xué)分析校核，由表2可知，管柱三軸安全系數(shù)符合中石油《高溫高壓及高含硫井完整性設(shè)計準則》要求，耐蝕合金材質(zhì)油管，方案1最優(yōu)，抗硫碳鋼油管，方案4最優(yōu)。

表2 惡劣工況下的管柱最低三軸安全系數(shù)

同時，計算了不同工況下各井屏障組件的壓差，見表3，并根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)選井下工具，建議完井封隔器壓力等級70 MPa及以上，井下安全閥壓力等級105 MPa，化學(xué)劑注入閥壓力等級70 MPa及以上。

表3 完井管柱系統(tǒng)部分井屏障組件在惡劣工況下的壓差

3. 井屏障組件的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性

在設(shè)計完井管柱時需要考慮井屏障組件之間的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性，避免相互沖突導(dǎo)致完井管柱完整性破壞。前述防腐材質(zhì)選擇，就考慮了抗硫碳鋼油管與耐蝕合金井下工具的電偶腐蝕；對于井下安全閥，在設(shè)計階段應(yīng)考慮后期下入安全閥作業(yè)工具，故安全閥上部至井口的油管、油管掛、雙公短節(jié)等部件應(yīng)滿足作業(yè)工具的要求。

在壓井液條件下入完井封隔器管柱的井，壓井液性能對完井作業(yè)及后期生產(chǎn)的井完整性影響明顯。前期作業(yè)實踐表明，超深小井眼在超高溫環(huán)境中，高密度壓井液性能不穩(wěn)定導(dǎo)致管柱阻卡，封隔器膠筒與油層套管之間的密封性也會因井筒固相沉降而變差，油氣生產(chǎn)期間封隔器失效風險增大。耐高溫高密度無固相壓井液穩(wěn)定性好，可避免小井眼中管柱阻卡，消除完井封隔器的失效隱患。雙魚石構(gòu)造已有1口井使用耐高溫高密度無固相壓井液進行完井投產(chǎn)作業(yè)，管柱無阻卡，封隔器密封性能良好。

4. 小結(jié)

從保證井屏障長期完整性的角度出發(fā)，優(yōu)化形成滿足雙魚石構(gòu)造超深超高壓含硫氣井不同需求的完井管柱：不產(chǎn)水或短期試采的井，可采用抗硫碳鋼油管、井下安全閥、化學(xué)劑注入閥、完井封隔器組成的完井管柱，并配合使用緩蝕劑；對于產(chǎn)水或長期生產(chǎn)不動管柱的井，采用耐蝕合金油管、井下安全閥、完井封隔器組成的完井管柱?？沽蛱间撚凸転?88.9 mm110鋼級，耐蝕合金油管為?88.9 mm125鋼級。兩種完井管柱的井下安全閥工作壓差105 MPa，化學(xué)劑注入閥、完井封隔器的工作壓差為70 MPa，材質(zhì)均為耐蝕合金。

四、認識與建議

(1)完井管柱耐蝕合金材質(zhì)油管和井下工具的防腐蝕性能最佳，抗硫碳鋼油管在加入緩蝕劑后能滿足酸性環(huán)境下的短期試采防腐要求；耐蝕合金油管采用“?88.9 mm 125鋼級油管+?73.0 mm 110鋼級油管”組合，抗硫碳鋼油管采用“?88.9 mm 110鋼級油管+?73.0 mm 110鋼級油管”組合，滿足雙魚石構(gòu)造超深井完井及生產(chǎn)階段的管柱強度需求。

(2)對長期生產(chǎn)不動管柱的井，采用耐蝕合金油管、完井封隔器、井下安全閥等井屏障組件組成的完井管柱；對于不產(chǎn)水或者短期試采的井，采用抗硫碳鋼油管、井下安全閥、化學(xué)劑注入閥、完井封隔器組成的完井管柱。

(3)完井管柱完整性設(shè)計，需要考慮井下安全閥、完井壓井液等井下工具和材料性能參數(shù)與作業(yè)工藝、全過程井況條件的協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性，避免彼此沖突導(dǎo)致完井管柱系統(tǒng)井屏障失效。

(4)建議使用耐高溫無固相壓井液作為完井壓井液，減少超深小井眼井完井過程中井下復(fù)雜，確保完井管柱的長期完整性。