普光氣田大灣區(qū)塊高含硫水平井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉殷韜 雷有為 曹言光 陳勇光 李宗林 于 東

1．中國(guó)石化天然氣工程項(xiàng)目管理部工程技術(shù)處 2．中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院3．中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院

四川盆地普光氣田大灣區(qū)塊產(chǎn)層為碳酸鹽巖儲(chǔ)層，地層壓力為51．64～61．07MPa，壓力系數(shù)為1．01～1．32，最高H2S含量達(dá)18．20%，最高CO2含量為11．78%，部署的13口開(kāi)發(fā)井中有4口套管水平井和4口裸眼水平井，投產(chǎn)井段為4 716～6 431m，最大投產(chǎn)井段長(zhǎng)度為1 216m，平均長(zhǎng)度為815m。

為滿足高壓、高產(chǎn)、高酸性條件下安全高效投產(chǎn)的要求，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)井段水平井均勻布酸，提高儲(chǔ)層改造效果，需針對(duì)性地配套完井工藝和管柱結(jié)構(gòu)。

完井設(shè)計(jì)水平的高低和施工質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)油氣井生產(chǎn)能否達(dá)到預(yù)期指標(biāo)和油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益有決定性的影響［1－2］。國(guó)內(nèi)高含硫氣田直井和定向井完井技術(shù)研究已比較成熟［3－4］。水平井分段完井技術(shù)及管柱設(shè)計(jì)已在國(guó)內(nèi)開(kāi)展研究［5－6］，中、淺井裸眼完井多級(jí)分段壓裂技術(shù)也已跨過(guò)了試驗(yàn)期［7］，進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。

前人在分段完井技術(shù)方面取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為大灣區(qū)塊水平井完井管柱設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 管柱設(shè)計(jì)原則

1．1 適用原則

管柱設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)大灣區(qū)塊氣藏地質(zhì)條件，滿足采氣工程、儲(chǔ)層改造、資料錄取及長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)要求，并重點(diǎn)考慮完井工具配套以及管柱在沖蝕、腐蝕條件下的整體力學(xué)性能。

1．2 安全原則

盡量減少施工風(fēng)險(xiǎn)、確保井控安全是高含硫氣井投產(chǎn)作業(yè)要考慮的重要問(wèn)題。完井工藝除了要盡量減少起下管柱的次數(shù)、縮短作業(yè)時(shí)間來(lái)減少風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、提高投產(chǎn)作業(yè)安全度外，還要考慮采用其他措施完善井控方案。

1．3 效益原則

酸性氣田水平井開(kāi)發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)意味著高投入。對(duì)完井工藝、施工程序、完井工具、儲(chǔ)層分段、管材選擇等方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化是降低成本提高開(kāi)發(fā)效率的可靠途徑。

2 完井工藝選擇

大灣區(qū)塊儲(chǔ)層埋藏深，天然裂縫發(fā)育較少，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層交錯(cuò)，長(zhǎng)井段籠統(tǒng)改造投產(chǎn)難以發(fā)揮單井產(chǎn)能。因此，能夠分段改造儲(chǔ)層是對(duì)水平井完井管柱設(shè)計(jì)的基本要求。

目前對(duì)水平井進(jìn)行分段改造的工藝較多，主要包括：①逐層卡封，逐層改造，鉆塞投產(chǎn)；②一次管柱多級(jí)卡封，逐級(jí)投球打開(kāi)各層滑套改造儲(chǔ)層；③連續(xù)油管攜帶封隔器進(jìn)行分層改造等。

方式①作業(yè)周期較長(zhǎng)，在高含H2S儲(chǔ)層應(yīng)用，因頻繁起下井內(nèi)管柱存在較大的井控風(fēng)險(xiǎn)；方式③不僅受高含H2S儲(chǔ)層限制，而且在中深井中使用連續(xù)油管的抗拉系數(shù)較低，在井控安全、施工壓力、施工排量等方面也存在局限性；方式②雖然存在管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工具和施工要求高的局限性，但在縮短施工周期、作業(yè)過(guò)程安全可控方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

因此，綜合各方面因素，大灣區(qū)塊水平井水平段分層采用方式②完井。

3 管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

大灣區(qū)塊水平井完井主要針對(duì)管柱參數(shù)和管柱結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮產(chǎn)量要求、工藝成熟程度、可操作性、均勻布酸效果、安全風(fēng)險(xiǎn)及投資成本等對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3．1 管柱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3．1．1 油管參數(shù)

采用節(jié)點(diǎn)分析方法，結(jié)合臨界攜液流量（表1）、沖蝕流量（表2）的計(jì)算，考慮酸壓施工的排量要求和力學(xué)性能分析，選擇88．9mm生產(chǎn)油管。針對(duì)高含硫井況，根據(jù) NACE MR 0175／ISO 15156標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，油管選用鎳基高抗硫合金材質(zhì)。

表1 大灣區(qū)塊不同內(nèi)徑油管臨界攜液流量計(jì)算值表

表2 大灣區(qū)塊內(nèi)徑76mm油管沖蝕流量計(jì)算值表

3．1．2 分段數(shù)

研究結(jié)果表明，氣井產(chǎn)能隨分段數(shù)目的增加而增加，但增產(chǎn)幅度隨之減小，當(dāng)分段數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，增加分段數(shù)的效果已不明顯。根據(jù)單井實(shí)鉆資料及測(cè)井解釋結(jié)果，綜合考慮水平井段儲(chǔ)層、夾層、裂縫發(fā)育情況及封隔條件，結(jié)合儲(chǔ)層改造能力和酸壓模擬結(jié)果，并考慮投產(chǎn)作業(yè)施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性，大灣區(qū)塊水平井段分2～3段完井。對(duì)投產(chǎn)井段長(zhǎng)度約1 000 m的氣井，分段數(shù)設(shè)計(jì)為3段，投產(chǎn)井段長(zhǎng)度約600m的氣井，分段數(shù)設(shè)計(jì)為2段。

3．1．3 完井工具耐壓能力

通過(guò)模擬分段酸化施工的排量、壓力等施工參數(shù)，結(jié)合隔層卡封段耐壓能力，確定套管井水平段采用液壓壓縮式封隔器分層，耐壓等級(jí)70MPa；裸眼井水平段采用液壓擴(kuò)張式封隔器分層，耐壓等級(jí)42MPa。其余完井管柱配套的井下安全閥、永久式封隔器、懸掛封隔器、循環(huán)滑套、坐落短節(jié)等井下工具均采用70MPa壓力等級(jí)。根據(jù)井下溫度、酸性條件，工具全部采用Inconel 718鎳基合金作為本體材質(zhì)。

3．1．4 完井工具下深

井下安全閥：設(shè)計(jì)安裝在約100m的井深位置。

循環(huán)滑套：設(shè)計(jì)在永久封隔器以上20～30m的位置。

永久封隔器：設(shè)計(jì)位置在合金套管內(nèi)、懸掛封隔器以上20～30m、固井質(zhì)量良好的井段內(nèi)。

懸掛封隔器：設(shè)計(jì)位置在合金套管內(nèi)、井斜≤50°、固井質(zhì)量良好的井段內(nèi)。

分層封隔器：設(shè)計(jì)在隔層1／3～2／3處。套管井要求卡封井段固井質(zhì)量良好；裸眼井要求卡封位置井徑較小且井壁平滑。

酸壓投球滑套：設(shè)計(jì)在待酸化段的中部位，綜合考慮Ⅱ、Ⅲ類層酸化效果。

壓差滑套、球座及浮鞋：同投球滑套，考慮管柱安全下井，井底應(yīng)預(yù)留適量的安全口袋。

3．2 管柱結(jié)構(gòu)

3．2．1 套管水平井分段完井管柱結(jié)構(gòu)

套管水平井分段完井管柱自上而下為：井下安全閥＋循環(huán)滑套＋永久式封隔器＋坐落短節(jié)＋投球滑套與分段封隔器組合（2～3組）＋剪切球座（圖1）。管柱一次下入，可以滿足酸壓生產(chǎn)聯(lián)作。永久式封隔器選擇雙向卡瓦液壓坐封形式，封隔器與管柱間采用插入式連接，可在必要時(shí)倒扣丟開(kāi)管柱。

3．2．2 裸眼水平井分段完井管柱結(jié)構(gòu)

圖1 大灣區(qū)塊套管水平井完井分段酸壓管柱圖

裸眼水平井分段完井管柱自上而下為：井下安全閥＋循環(huán)滑套＋永久式封隔器＋坐落短節(jié)＋懸掛封隔器＋裸眼封隔器＋投球滑套與裸眼封隔器組合（1～2組）＋壓差滑套＋E型球座＋浮鞋（圖2）。與套管水平井分段完井管柱結(jié)構(gòu)相比，增加了懸掛封隔器、E型球座和浮鞋等。管柱底部的浮鞋和隔斷球座有正循環(huán)和防止氣體上竄的功能。為解決套管鞋處的耐壓弱點(diǎn)，儲(chǔ)層頂部設(shè)計(jì)雙封隔器結(jié)構(gòu)。管柱分水平段管柱和上部投產(chǎn)管柱兩次下入，水平分段管柱采用鉆桿送入后丟手，合金油管回接完井。

圖2 大灣區(qū)塊裸眼水平井完井分段酸壓管柱結(jié)構(gòu)圖

3．2．3 地層資料監(jiān)測(cè)

對(duì)開(kāi)發(fā)要求長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地層溫度、壓力資料的水平井，在上述兩種管柱的永久封隔器上部設(shè)計(jì)壓力計(jì)安裝位置（圖3）。監(jiān)測(cè)裝置包括壓力計(jì)托筒、永置式井下溫度—壓力計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸電纜及綁扎附件，地面配套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

圖3 地層資料監(jiān)測(cè)裝置配套結(jié)構(gòu)示意圖

為確保電纜下入過(guò)程中的井控安全控制，避免下管柱過(guò)程出現(xiàn)緊急情況時(shí)數(shù)據(jù)傳輸電纜影響井控裝置密封，將水平段管柱與上部投產(chǎn)管柱分兩次下入。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

上述完井管柱應(yīng)用于大灣區(qū)塊4口裸眼水平井和4口套管水平井的分段完井投產(chǎn)作業(yè)，完井管柱下入順利，作業(yè)過(guò)程安全可控，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)高含硫水平井分段改造，儲(chǔ)層改造施工安全順利，增產(chǎn)效果明顯（表3）。

表3 大灣區(qū)塊水平井分段完井效果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

1）一次管柱多級(jí)卡封、逐級(jí)投球打開(kāi)各層滑套改造儲(chǔ)層的水平井分段完井方式可用于類似大灣區(qū)塊高壓、高產(chǎn)、高酸性天然氣井的完井投產(chǎn)。

2）水平井分段完井管柱設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮井筒條件、產(chǎn)量要求、工藝配套、施工作業(yè)、儲(chǔ)層改造、安全控制及投資成本等因素，綜合評(píng)價(jià)確定最優(yōu)方案。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況證明，水平井分段完井管柱設(shè)計(jì)方案安全可靠，經(jīng)濟(jì)適用，在大灣區(qū)塊達(dá)到了成熟應(yīng)用的工藝水平。

［1］何生厚．普光高含H2S、CO2氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)難題及對(duì)策［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（4）：82－85．

［2］袁進(jìn)平，齊奉忠．國(guó)內(nèi)完井技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向建議［J］．鉆采工藝，2007，30（3）：3－6．

［3］孔凡群，張慶生，魏鯤鵬，等．普光高酸性氣田完井管柱設(shè)計(jì)［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（9）：76－78．

［4］郭建華，佘朝毅，唐庚，等．高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（5）：70－72．

［5］劉猛，董本京，張友義．水平井分段完井技術(shù)及完井管柱方案［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：28－32．

［6］練章華，林鐵軍，劉健，等．水平井完井管柱力學(xué)—數(shù)學(xué)模型建立［J］．天然氣工業(yè)，2006，26（7）：61－64．

［7］楊富，鄒國(guó)曙，馬得華，等．蘇里格氣田蘇平36－6－23井裸眼完井分段壓裂技術(shù)［J］．石油鉆采工藝，2010（4）：46－50．