儲(chǔ)氣庫(kù)注采工藝配套技術(shù)研究

王玲

中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院（遼寧盤錦124010）

儲(chǔ)氣庫(kù)注采工藝配套技術(shù)研究

王玲

中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院（遼寧盤錦124010）

為滿足東北及北京地區(qū)冬季對(duì)天然氣的需求，中國(guó)石油加大了對(duì)東北天然氣管網(wǎng)及地下儲(chǔ)氣庫(kù)的投資建設(shè)。作為遼河油田第二批上報(bào)篩選的儲(chǔ)氣庫(kù)，興古7潛山具有儲(chǔ)層埋藏深、氣井工況復(fù)雜、臨近城區(qū)等難點(diǎn)。從安全角度進(jìn)行分析，優(yōu)選出油管材質(zhì)L80-13Cr，Φ114.3mm的BGT油管作為注采完井管柱，并結(jié)合管柱功能設(shè)計(jì)了地面安全閥、井下安全閥等工具組成的安全控制系統(tǒng)。該項(xiàng)目能夠有效應(yīng)對(duì)氣井泄露、憋壓、著火等安全事故，降低城區(qū)氣井安全隱患，提高儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)和管理水平，具有廣泛的應(yīng)用前景和較高的安全與社會(huì)效益。

儲(chǔ)氣庫(kù)；注采氣井；完井管柱；強(qiáng)注強(qiáng)采；安全控制

興隆臺(tái)潛山位于遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)，構(gòu)造上位于渤海灣盆地遼河西部凹陷南部興隆臺(tái)-馬圈子潛山構(gòu)造帶東北部，油水界面統(tǒng)一為-4 670 m，潛山帶含油面積55.49 km2，2010年12月上報(bào)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量1.27×108t。興隆臺(tái)潛山儲(chǔ)氣庫(kù)是以興隆臺(tái)潛山為依托，針對(duì)目前潛山天然能量有限、壓力加速下降、產(chǎn)量遞減快、油水界面上升等棘手問題，從穩(wěn)產(chǎn)百萬噸與提高采收率的需求出發(fā)，利用興隆臺(tái)潛山現(xiàn)有井網(wǎng)，擬考慮采取頂部注氣、下部采油的方式，前期利用秦沈管線氣源采取氣驅(qū)采油，由氣驅(qū)開發(fā)逐步過渡到儲(chǔ)氣庫(kù)。氣驅(qū)開發(fā)結(jié)束后，即儲(chǔ)氣庫(kù)建成時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大庫(kù)容量31.15×108m3，運(yùn)行壓力19～30 MPa，工作氣量可達(dá)11.63×108m3。

1 興古7潛山建儲(chǔ)氣庫(kù)注采井面臨的難點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)層埋藏深

世界上儲(chǔ)氣庫(kù)氣藏的埋藏深度一般在2 200 m以內(nèi)［1］。儲(chǔ)氣庫(kù)埋藏越深，注采氣需要克服的摩阻損失越大，因此注氣時(shí)需要較高的井口壓力。作為遼河油田第二批上報(bào)篩選的儲(chǔ)氣庫(kù)，興古7儲(chǔ)氣庫(kù)氣藏埋藏深度在3 800 m以下，單井注氣深度達(dá)到了2 800 m，這對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)井的完井管柱、井下工具及井口的配套提出了更高的要求。

1.2 強(qiáng)注強(qiáng)采配產(chǎn)量變化大

儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)最大庫(kù)容量為31.0×108m3，工作氣量可達(dá)11.63×108m3。平均單井采氣能力為30×104～92×104m3/d；單井注氣能力為11×104～66×104m3/d。儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間，地層壓力短時(shí)間內(nèi)周期性變化［2］，注采氣井井筒要求承受高強(qiáng)度沖蝕及復(fù)雜交變應(yīng)力的作用。

1.3 管柱腐蝕條件惡劣

興古7儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力19～30 MPa（按垂直深度3 000 m計(jì)算），目前氣源來氣組分中CO2含量約占2.7%，對(duì)應(yīng)分壓遠(yuǎn)高于美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)關(guān)于CO2分壓腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)0.2MPa［3］，因此在儲(chǔ)氣庫(kù)投產(chǎn)運(yùn)行初期，受含水量較高因素的影響，興古7注采井首先面臨的是腐蝕問題。

1.4 安全等級(jí)高

興古7儲(chǔ)氣庫(kù)的所在地面位置多屬于開發(fā)區(qū)與城市邊緣居民生活區(qū)附近，該區(qū)域人口稠密，生態(tài)和環(huán)境都較為敏感，對(duì)應(yīng)作業(yè)井控級(jí)別均為2級(jí)以上?？紤]預(yù)測(cè)的井口注采氣壓力較高，稍有不慎將造成重大安全事故，因此對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)完井管柱的安全控制［4］要更加謹(jǐn)慎。

1.5 注采氣井服役壽命長(zhǎng)

作為調(diào)峰和保障安全供氣的主要設(shè)施，儲(chǔ)氣庫(kù)單井的使用年限一般為30年以上［5-6］，然而東北地區(qū)晝夜溫差大，歷史最低溫度更是有過-30℃的記錄，溫度的波動(dòng)變化會(huì)進(jìn)一步影響注采井的壽命。

表1 儲(chǔ)氣庫(kù)期間注采氣井口壓力預(yù)測(cè)表

表2 不同油管注氣條件下不發(fā)生沖蝕的安全注氣量

表3 不同油管采氣條件下不發(fā)生沖蝕的安全采氣量

表4 不同油管采氣條件下氣井卸載量

2 注采氣井工藝管柱及配套技術(shù)

2.1 井口壓力的預(yù)測(cè)

根據(jù)井筒內(nèi)氣體流動(dòng)能量方程推算井口壓力，參考平均溫度、壓縮系數(shù)公式，計(jì)算參數(shù)與結(jié)果見表1。

2.2 油管的選擇

注采氣井油管的選擇包括尺寸、扣型和材質(zhì)等。首先所選油管在配產(chǎn)范圍內(nèi)不應(yīng)對(duì)管柱及其配套工具發(fā)生沖蝕作用［7］；采氣時(shí)要避免積液壓井［8］；油管應(yīng)滿足氣密封及防腐蝕［9］要求，螺紋強(qiáng)度滿足各種應(yīng)力條件下抗拉極限載荷要求等。

根據(jù)地層壓力變化范圍，計(jì)算了在不同注采氣量、不同工況下，Φ73mm、Φ88.9mm和Φ114.3 mm油管的最小極限產(chǎn)量和沖蝕流量。設(shè)計(jì)井深度2 800m（斜深4 040～5 187 m），采出氣比重0.6，地層溫度107℃，溫度梯度3.01℃/100 m，運(yùn)行壓力區(qū)間19.0～30.0 MPa，計(jì)算結(jié)果見表2～表4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮沖蝕效應(yīng)，各尺寸油管在其注氣配產(chǎn)條件下均不會(huì)發(fā)生沖蝕，其中僅Φ114.3mm尺寸油管，在采氣條件下不會(huì)發(fā)生沖蝕，且對(duì)應(yīng)采氣井井口壓力為14.03MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的卸載流量為18×104m3時(shí)，遠(yuǎn)小于當(dāng)前配產(chǎn)量，不會(huì)存在井底積液壓井現(xiàn)象。因此水平井注采氣井采用Φ114.3mm油管。

2.3 油管材質(zhì)與扣型

優(yōu)選注氣管柱的材質(zhì)要從井流物的腐蝕性分析、注氣管柱防腐蝕工藝、注氣完井工藝的要求等多方面綜合考慮，結(jié)合秦沈管線來氣組分確定油管材質(zhì)，考慮二氧化碳腐蝕工況，計(jì)算來氣組分二氧化碳分壓為0.37MPa，因此管柱的材質(zhì)推薦采用抗腐蝕能力較強(qiáng)的13Cr鋼（圖1）［10］。

圖1 油管材質(zhì)選擇圖

對(duì)于高壓氣井，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全生產(chǎn)，油管螺紋需選擇氣密封螺紋。氣密螺紋克服了API接頭在抗漏失和抗高張力負(fù)荷方面的局限，使用梯形扣代替API的圓扣，用鋼性密封代替了API的螺紋密封［11］，從而大大地提高了抗漏失性能，根據(jù)現(xiàn)有注氣試驗(yàn)情況使用BGT氣密封螺紋油管可以滿足扣型要求。

2.4 強(qiáng)度影響因素分析

對(duì)于油管的強(qiáng)度，考慮絲扣連接強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗外擠強(qiáng)度。重點(diǎn)需要關(guān)注的是絲扣連接強(qiáng)度，計(jì)算絲扣連接屈服強(qiáng)度時(shí)，以油管在井口處最大軸向拉力為計(jì)算校核點(diǎn)。該點(diǎn)受力為：油管重力、活塞效應(yīng)力、溫度效應(yīng)和壓力導(dǎo)致的膨徑效應(yīng)，這些力將導(dǎo)致油管伸長(zhǎng)或者縮短。

根據(jù)受力分析公式對(duì)注氣管柱在不同狀態(tài)時(shí)的受力進(jìn)行了計(jì)算并核對(duì)了安全系數(shù)，忽略影響較小的活塞效應(yīng)力與彎曲效應(yīng)力［12-15］，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 管柱在不同狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度校核

計(jì)算條件：油管下入深度3 000m，注氣末期地層溫度107℃，計(jì)算結(jié)果顯示，各尺寸油管均滿足條件，結(jié)合沖蝕流量預(yù)測(cè)推薦使用Φ114.3mm油管。

2.5 配套井下工具

2.5.1 液控井下安全閥

井下安全閥一般安裝于井口以下100～200 m，通過地面液壓控制安全閥閥板開關(guān)。由地面自動(dòng)或手動(dòng)泵向液缸室泵入液壓油，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時(shí)彈簧被壓縮，液缸下行推動(dòng)閥板，并保持開啟狀態(tài)，正常生產(chǎn)，失去液壓作用時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，起到安全控制的作用。

2.5.2 循環(huán)滑套

鋼絲開關(guān)滑套在完井及生產(chǎn)過程中可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓氣舉誘噴、替環(huán)空保護(hù)液、洗井、壓井等功能，可以保證多次開關(guān)仍能密封。

2.5.3 可取式井下封隔器

王新強(qiáng)，王歡，熊偉，等.空間外差信號(hào)提取中多重信號(hào)分類算法準(zhǔn)則的影響[J].光子學(xué)報(bào)，2018，47(12)：1228001

為了保護(hù)套管免受高溫高壓的影響，延長(zhǎng)管柱壽命，設(shè)計(jì)了可取式封隔器。該封隔器與管柱下端堵塞器坐落短節(jié)配合，進(jìn)行液壓打壓坐封。坐封后，通過正轉(zhuǎn)管柱將封隔器上部油管脫出，可實(shí)現(xiàn)不壓井情況下對(duì)封隔器上部管柱進(jìn)行更換，同時(shí)配備專用打撈工具對(duì)封隔器本體進(jìn)行打撈，無需磨銑，不損壞套管與封隔器，大大降低了更換成本。

2.5.4 坐落短節(jié)

上坐落短節(jié)為堵塞器坐落短節(jié)，主要是為液壓坐封及后期修井作業(yè)時(shí)防止壓井液對(duì)地層的損害。下坐落短節(jié)為測(cè)試坐落短節(jié)，用來懸掛生產(chǎn)測(cè)試中的井下溫度壓力計(jì)以達(dá)到測(cè)溫、測(cè)壓的目的，需配合上部打孔油管使用。

綜上，注采管柱上配套流動(dòng)短節(jié)、井下安全閥、循環(huán)滑套、永久式封隔器、堵塞器坐落短節(jié)和測(cè)試坐落短節(jié)等井下工具，管柱結(jié)構(gòu)見圖2。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的注采管柱具備以下功能：具有較強(qiáng)的防腐蝕能力及氣密封性能；能夠?qū)崿F(xiàn)井下的自動(dòng)控制，進(jìn)行套管保護(hù)、延長(zhǎng)管柱免修期；能夠建立油套環(huán)空的溝通通道，以利于后期作業(yè)；可以實(shí)現(xiàn)后期的不壓井作業(yè)，具有很高的安全性能；能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層參數(shù)的要求。

圖2 注采井管柱示意圖

3 采氣樹及安全控制

3.1 采氣樹

興古7儲(chǔ)氣庫(kù)采氣樹承受的井口壓力確定為15～33MPa，根據(jù)現(xiàn)行井口裝置標(biāo)準(zhǔn)，推薦選用等級(jí)為70MPa的井口裝置。根據(jù)秦沈管線來氣組分計(jì)算，井口的腐蝕工況條件為：CO2分壓0.34 MPa，井口環(huán)境為酸性腐蝕環(huán)境，因此井口裝置防腐等級(jí)采用FF級(jí)。根據(jù)井口所處的環(huán)境，遼寧省冬季溫度最低有-30℃記錄，因此選用L-U級(jí)（-46～121℃）。此外，根據(jù)測(cè)試要求與安全控制系統(tǒng)要求，增加井口穿越器；為防止氣體組分含水，在井口增加固定式加醇裝置。

3.2 安全控制系統(tǒng)

1）當(dāng)?shù)孛嫘孤痘虿蓺鈽鋼p壞時(shí)，控制系統(tǒng)接收低壓電磁閥感應(yīng)信號(hào)，液壓管線泄壓，關(guān)閉井下安全閥。

2）當(dāng)流程憋壓時(shí)，控制系統(tǒng)接收高壓電磁閥感應(yīng)信號(hào)，液壓管線泄壓，依次關(guān)閉地面安全閥、井下安全閥。

3）當(dāng)井口著火時(shí)，控制系統(tǒng)易熔塞破壞傳遞感應(yīng)信號(hào)，液壓管線泄壓，依次關(guān)閉地面安全閥、井下安全閥。

4 結(jié)論

1）該設(shè)計(jì)考慮了注采氣作業(yè)等復(fù)雜工況中的應(yīng)力變化、管柱沖蝕、管柱腐蝕、獨(dú)立安全控制等難點(diǎn)，保障了儲(chǔ)氣庫(kù)安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

2）氣井管柱配產(chǎn)配注達(dá)到油藏設(shè)計(jì)要求，管柱設(shè)計(jì)合理、安全可靠，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

3）安全控制系統(tǒng)最大程度地降低了城區(qū)氣井的安全隱患，有效預(yù)防了安全事故的發(fā)生，提高了儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)和管理水平，應(yīng)用前景廣泛，具有顯著的安全效益及社會(huì)效益。

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CNPC increased the investment in the construction of the natural gas pipeline network and underground gas storage in the Northeast of China to meet the demand of northeast and Beijing for natural gas in winter.Xinggu 7 buried hill is the second batch of gas storage selected by Liaohe Oilfield，and it has deeply buried reservoir，complex gas well conditions and is close to the city.From the view of safety，L80-13Cr is selected as the material of tubing，BGT tubing of Φ114.3mm is as the injection-production completion well pipe string，and the safety control system composed of ground safety valve and downhole safety valve is designed according to the func?tion of pipe string.The project can effectively deal with the leak，hold pressure，fire and other accidents of gas well，reduce the security risks of urban gas well，and improve the production and management level of the gas storage.It has a broad application prospect，high se?curity and good social benefit.

gas storage；gas injection and gas production well；well completion pipe string；strong injection and strong production；safety control

左學(xué)敏

2016-06-30

王玲（1983-），女，工程師，主要從事儲(chǔ)氣庫(kù)井工程、開發(fā)勘探部署與評(píng)價(jià)研究工作。