普光高含硫氣田開發(fā)動態(tài)監(jiān)測技術

曾大乾 彭鑫嶺 付德奎 胡 杰 吳曉磊 張俊法

1. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2. 中國石化中原油田分公司

0 引言

普光氣田具有硫化氫含量高、埋藏深、儲層非均質(zhì)性強、氣水關系復雜等特點[1-2]。氣田正式投入開發(fā)后，為了準確掌握氣田儲量動用情況、氣井產(chǎn)能變化及邊水推進情況等動態(tài)特征，實現(xiàn)氣田長期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，開展氣田動態(tài)監(jiān)測工作非常重要[3-4]。

目前國內(nèi)缺少超深高含硫氣田動態(tài)監(jiān)測技術系列和相關標準規(guī)范，動態(tài)監(jiān)測工作面臨諸多挑戰(zhàn)：①超深、高含硫氣井對測試裝置的動、靜態(tài)密封系統(tǒng)要求高，安全控制難度大；②缺乏滿足高含硫氣井工況的測試儀器、監(jiān)測技術及監(jiān)測資料解釋方法；③缺乏指導高含硫氣田開展動態(tài)監(jiān)測的相關標準、規(guī)范和規(guī)程。為此，在普光高含硫氣田，針對動態(tài)監(jiān)測工作面臨的挑戰(zhàn)和技術瓶頸開展了技術攻關。在調(diào)研國內(nèi)外高含硫氣田動態(tài)監(jiān)測技術的基礎上，通過設備研制、室內(nèi)實驗、理論研究和現(xiàn)場試驗，形成了產(chǎn)氣剖面測井、井下取樣與流體相態(tài)特征分析、水侵動態(tài)預測與產(chǎn)水層位識別、氣井產(chǎn)能測試與評價、開發(fā)監(jiān)測安全控制等5項適用于超深、高含硫氣田的動態(tài)監(jiān)測關鍵技術，并制訂了相關規(guī)范標準，以支撐普光氣田的動態(tài)監(jiān)測工作。由于取全取準了開發(fā)動態(tài)資料，制訂出科學合理的增產(chǎn)、增儲措施，對實現(xiàn)氣田的長期穩(wěn)產(chǎn)起到了重要的作用。

1 超深、高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井技術

針對普光氣田高含硫、多層合采及產(chǎn)氣井段長的特點[5-9]，研制了耐高溫、高壓的高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器，研發(fā)了高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井解釋軟件，形成了超深、高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井技術。

1.1 高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器

為了研制耐溫175 ℃、耐壓105 MPa的高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器（圖1），開展了以下3個方面的攻關：①基于高含硫氣井工況特點，通過實驗確定鈦合金TC4、鎳合金Inconel 718等6種金屬材料作為測井儀器的主體金屬材料，格林威德Chemraz 526、氧化鋁陶瓷、PEEK等非金屬材料作為測井儀器的非金屬密封件及探頭材料；②研制了“全金屬結(jié)構(gòu)整體葉輪＋過總線一體化接頭”連續(xù)流量計以攻克高溫、高含硫條件下葉輪材質(zhì)硫化物應力腐蝕開裂的技術瓶頸，全井眼流量轉(zhuǎn)子總成采用“緊定螺釘＋保護套”設計，解決了轉(zhuǎn)子在高含硫氣井中易損壞的技術難題；③創(chuàng)新設計了高抗硫井下儀器密封方式，外密封采用Inconel 625材料的C型圈，內(nèi)密封采用全氟醚的雙O型圈，解決了儀器長時間在高溫、高壓、高含硫工況條件下的氣侵問題，然后通過“一體化封裝＋注硅油隔離”組合動密封方式，對連續(xù)流量計的核心部件——磁芯與軸承進行鍍膜與注油保護，實現(xiàn)了在高溫高壓環(huán)境中的動態(tài)密封。高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器在普光高含硫氣井施工的一次成功率達100%。

圖1 高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器照片

1.2 高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井解釋技術

在常規(guī)多參數(shù)產(chǎn)氣剖面解釋模型的基礎上，對液相表觀速度的計算增加了考慮硫析出影響的校正系數(shù)。另外，由于普光氣田的氣井具有較長的測試井段，其上、下部會有較大的溫度差和壓力差，對溫度、壓力也進行了校正。在此基礎上，編制了高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井解釋軟件，實現(xiàn)了對產(chǎn)氣剖面測井資料的精確解釋。在普光氣田，已完成了43井次的產(chǎn)氣剖面測井，測試成功率達100%，為摸清儲層縱向動用情況，制訂氣井的增產(chǎn)措施提供了科學的依據(jù)。

2 井下取樣及流體相態(tài)特征分析技術

針對超深、高含硫氣井井下工況特點，研制了高抗硫井下保壓取樣器，在普光氣田已完成了7井次的井下定點保壓取樣，取樣成功率和樣品合格率均達100%。

2.1 高抗硫井下保壓取樣器

自主設計并研制的國內(nèi)首套高抗硫井下保壓取樣器，耐溫150 ℃，耐壓70 MPa。取樣器由取樣室、氮氣室及控制室3部分構(gòu)成（圖2），在取樣室完成精準取樣，氮氣室實現(xiàn)精準保壓，控制室實現(xiàn)精準開啟。取樣器外徑為38 mm，長度為4.6 m，取樣體積為600 mL，重量為15 kg。

圖2 高抗硫井下保壓取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

在室內(nèi)實驗的基礎上，確定了與硫化氫接觸的零件采用耐高溫、耐高壓、高抗硫的鈦合金TC4，其化學組成如表1所示。

2.2 流體相態(tài)變化規(guī)律及硫沉積規(guī)律

在普光高含硫氣田，利用研制的取樣器，進行了井下取樣，開展了露點壓力測定、單次閃蒸、恒質(zhì)膨脹和熱膨脹等實驗，研究了高含硫氣體的相態(tài)特征；通過開展硫溶解度室內(nèi)實驗，研究硫溶解度變化規(guī)律，明確影響硫溶解度的敏感性因素。

相態(tài)實驗研究結(jié)果表明：隨著H2S含量增加，高含硫氣體混合物的臨界點偏向相圖右上方，且對應溫度最高接近0 ℃，即在氣藏的開采過程中不會有液相析出；高含硫氣體的偏差系數(shù)、體積系數(shù)及壓縮系數(shù)都較常規(guī)氣體的對應參數(shù)低，且H2S含量越高數(shù)值越低，如圖3所示，H2S含量越高，氣體偏差系數(shù)的曲線位置越靠下，反之則靠上。

表1 鈦合金TC4化學組成表

圖3 氣體偏差系數(shù)與壓力的關系曲線圖

硫溶解度室內(nèi)實驗結(jié)果表明：在同一溫度下，隨著壓力降低，地層中多硫化物不斷分解成硫化氫和單質(zhì)硫，天然氣中單質(zhì)硫析出，硫溶解度降低；在同一壓力下，溫度越低，硫溶解度越低（圖4）；碳原子數(shù)越低，硫溶解度越低（圖5）。壓力、溫度、H2S含量和碳原子數(shù)是影響硫溶解度的主要因素。

通過計算得到氣井在不同產(chǎn)氣量下井筒壓力、溫度的分布，結(jié)合井筒中硫溶解度和臨界懸浮流速的分布（圖6），確定出：在普光氣田，當?shù)貙訅毫ο陆抵?9.5 MPa時地層中有單質(zhì)硫析出，氣井產(chǎn)氣量高于20×104m3/d時井筒中不會產(chǎn)生硫沉積。

圖4 不同溫度下硫溶解度與壓力的關系曲線圖

圖5 不同烴類組分下硫溶解度與溫度的關系曲線圖

3 水侵動態(tài)預測及產(chǎn)水層位識別技術

圖6 普光氣田氣井硫沉積診斷曲線圖

由于普光氣田存在邊水，且裂縫局部發(fā)育，氣藏易受到水侵影響[10]。為此，建立了水侵動態(tài)預測模型，準確預測氣井出水時間，然后通過優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度以控制水侵速度，延長氣井的無水采氣期。同時，應用氣井水侵層位識別技術，準確識別出水層位，及時采取堵水措施，使氣井產(chǎn)能得到迅速恢復。

3.1 凝析水液氣比及水質(zhì)Stiff圖識別氣井水侵狀況

依據(jù)普光氣田地層壓力、溫度和流體取樣分析數(shù)據(jù)，建立了地層壓力、溫度、NaCl含量等參數(shù)與凝析水液氣比的經(jīng)驗關系式，以確定不同地層壓力下的凝析水液氣比，即

其中

式中Rwgr表示凝析水液氣比，m3/104m3；A表示擬合系數(shù)，無量綱；T表示氣藏溫度，℃；B表示擬合系數(shù)，無量綱；fsc表示含鹽量校正系數(shù)，無量綱；pR表示地層壓力，MPa；σ表示產(chǎn)出水中NaCl含量。

根據(jù)氣井凝析水液氣比及水質(zhì)Stiff圖（以下簡稱Stiff圖），識別氣井水侵狀況。由Stiff圖可以看出，當沒有發(fā)生水侵時，Stiff圖呈“柱狀”（圖7-a）；當發(fā)生水侵時，Stiff圖由“柱狀”變?yōu)椤皞銧睢保▓D7-b）。若水侵加強，則“傘面”加寬。

3.2 水侵動態(tài)預測模型

基于物質(zhì)平衡法建立了水侵動態(tài)預測模型，計算出水體平面推進距離和水體上升高度，結(jié)合氣井射孔層段找到有出水跡象的氣井，及時進行工作制度的調(diào)整以控制水侵速度。在普光氣田應用該模型進行了水侵動態(tài)預測，從而對氣藏邊部氣井的工作制度進行及時優(yōu)化和調(diào)整，使氣井無水采氣期延長4～24個月。

3.3 氣井產(chǎn)水層位識別技術

圖7 普光氣田主體區(qū)2口氣井水質(zhì)Stiff圖

應用氣井產(chǎn)水層位識別技術，準確識別出普光氣田P103-1井、P103-4井、P104-1井及P105-2井等4口氣井的產(chǎn)水層位，與各井的產(chǎn)出剖面測試結(jié)果進行對比，產(chǎn)水層位一致。在此基礎上，及時制訂并實施治水復產(chǎn)方案，取得了良好效果。

P103-1井在識別出產(chǎn)水層位后，通過實施堵水方案，氣井日產(chǎn)氣量恢復到20×104m3，日產(chǎn)水量下降305.1 m3，日節(jié)約水處理成本8.24萬元，截至2018年7月，累產(chǎn)氣量已增加1.441 5×108m3，至生產(chǎn)末期，該井累產(chǎn)氣量預計可增加3.2×108m3。

4 氣井產(chǎn)能測試及評價技術

集成 “井下永置式壓力計＋繩纜輸送＋井口變流量”測試技術，并在現(xiàn)場應用，實現(xiàn)了氣井產(chǎn)能測試全覆蓋。建立了考慮硫化氫濃度變化的井底壓力計算模型和考慮地層硫析出傷害的試井解釋模型，以保證氣井產(chǎn)能的準確評價，為配產(chǎn)的及時優(yōu)化提供科學的依據(jù)。

根據(jù)氣井不同的特點，采用針對性的測試技術進行產(chǎn)能測試。分別在氣藏構(gòu)造高、低部位選擇有代表性的直井（P3011-5井、P104-1井），下入永置式壓力計，實現(xiàn)了氣井全生命周期壓力和溫度的連續(xù)監(jiān)測；繩纜輸送測試則適用于中、小斜度（井斜角小于60°）氣井，采用“伽馬＋磁定位＋溫度＋壓力”組合，準確錄取井下壓力、溫度和流體分布等資料；井口變流量測試可應用于無法開展井下測試的氣井，如大斜度井、水平井，完井管柱復雜的直井等。

高含硫氣藏開發(fā)過程中硫化氫濃度不斷升高[14]，由此建立了基于硫化氫濃度變化的井底壓力計算模型以提高井底壓力計算的精度。隨著地層壓力下降，硫熔點逐漸降低，硫以液態(tài)形式析出[15]，氣相占用的孔隙空間減少，通過建立考慮硫析出傷害的試井解釋模型，可求取不同時間的氣相滲透率。在此基礎上，對普光氣田氣井的產(chǎn)能變化進行跟蹤評價，實時優(yōu)化、調(diào)整單井配產(chǎn)，以實現(xiàn)氣田的合理高效開發(fā)。

5 開發(fā)監(jiān)測安全控制技術

設計了繩纜式超高壓氣密封多級防泄漏控制系統(tǒng)，動態(tài)氣密封壓力達50 MPa，同時研發(fā)了防噴裝置余氣處置工藝[16]，實現(xiàn)了普光氣田143井次的測試作業(yè)“零泄漏、零污染”。

5.1 超高壓氣密封多級防泄漏控制系統(tǒng)

針對鋼絲由于盤根磨損導致封壓效果變差的風險，設計了“盤根密封＋注脂流管＋內(nèi)嵌式防噴塞”三級防泄漏控制系統(tǒng)；針對高含硫氣井電纜測試的防泄漏難題，創(chuàng)新設計了“雙注入端口＋雙注脂橇＋多流管”動態(tài)密封防泄漏控制系統(tǒng)。兩套防泄漏控制系統(tǒng)動態(tài)氣密封壓力均達到50 MPa，確保了普光氣田超深、高含硫氣井測試的防泄漏控制。

5.2 防噴裝置余氣處置工藝

設計了防噴裝置“快速泄壓＋余氣置換”余氣處置工藝（圖8），研發(fā)了硫化氫余氣置換液，實現(xiàn)了高含硫氣井測試后防噴裝置內(nèi)高壓余氣的快速無害化處理，確保有毒殘留余氣“零泄漏”。

圖8 普光氣田高含硫氣井防噴裝置余氣處置工藝圖

6 應用效果

1）通過預測氣藏邊部氣井見水時間，及時優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度，使氣井無水采氣期延長4～24個月。

2）準確識別產(chǎn)水氣井的出水層位，制訂并實施堵水措施，大幅降低氣井產(chǎn)水量，恢復氣井產(chǎn)能，延長了氣井生產(chǎn)期。根據(jù)P103-1井、P103-4井、P104-1井及P105-2井等4口氣井的測試結(jié)果，找到了出水層位，通過在P103-1井、P105-2井等2口氣井實施堵水作業(yè)，使氣井恢復了正常生產(chǎn)，預計堵水后氣井可延長1～2年的無水采氣期，生產(chǎn)時間可延長3.75年，單井平均累產(chǎn)氣量可增加2.45×108m3，合計累產(chǎn)氣量可增加9.8×108m3。

3）準確掌握氣井產(chǎn)出狀況，制訂并實施針對性增產(chǎn)增儲措施，取得顯著效果。根據(jù)P201-2井產(chǎn)氣剖面測井解釋結(jié)果，提出了“井筒沖洗解堵＋酸壓”措施，措施實施后，在相同油壓條件下日產(chǎn)氣量由40×104m3提高到80×104m3，目前累計采氣量已增加3.2×108m3。截至2018年5月，已實施井筒解堵15井次，重復酸壓2井次，使氣井產(chǎn)能增加253×104m3/d，累計產(chǎn)氣量増加9.2×108m3。

4）落實了氣藏不同層系儲量動用狀況及未動用儲量分布，提出針對性調(diào)整方案，大幅提高了氣田儲量動用程度。其中飛三段由于物性差且井網(wǎng)控制程度低，導致儲量動用程度低；長興組由于儲層非均質(zhì)性強，且部分氣井井筒堵塞，導致儲量動用程度低。通過在飛三段部署6口新井，在長興組安排10口過油管深穿透射孔措施井，預計可動用儲量將增加251.7×108m3，穩(wěn)產(chǎn)期延長3年，預測期末采出程度提高6.3%。

7 結(jié)論

1）所研制的高抗硫產(chǎn)氣剖面測井儀器耐溫175℃、耐壓105 MPa，結(jié)合高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測井解釋軟件的應用，實現(xiàn)了產(chǎn)氣剖面測井資料的精確解釋，在普光氣田完成了43井次的產(chǎn)氣剖面測井，成功率達100%。

2）研制的高抗硫井下保壓取樣器耐溫150 ℃、耐壓70 MPa，在普光氣田完成了7井次的井下保壓取樣，成功率達100%。

3）普光氣田地層壓力下降至29.5 MPa時有單質(zhì)硫析出，氣井產(chǎn)氣量高于20×104m3/d時不會產(chǎn)生硫沉積。

4）應用水侵動態(tài)預測模型，可準確預測氣井出水時間，通過優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度以控制水侵速度，延長氣井的無水采氣期。

5）應用氣井產(chǎn)水層位識別技術，準確識別了4口氣井的產(chǎn)水層位，且與各井的產(chǎn)出剖面測試結(jié)果一致。

6）集成“井下永置式壓力計＋繩纜輸送＋井口變流量”測試技術，實現(xiàn)了氣井產(chǎn)能測試全覆蓋，同時建立了基于硫化氫濃度動態(tài)變化的井底壓力計算模型和考慮地層硫析出傷害的試井解釋模型以準確評價氣井產(chǎn)能。

7）設計了繩纜式超高壓氣密封多級防泄漏控制系統(tǒng)，動態(tài)氣密封壓力達50 MPa，同時研發(fā)了防噴裝置余氣處置工藝，實現(xiàn)了普光氣田143井次的測試作業(yè)“零泄漏、零污染”。