川西海相超深含硫大斜度井測(cè)試技術(shù)

劉虎 楊曉莉 蘇鏢 蔣韋

關(guān)鍵詞：川西雷口坡組；高含硫；超深；測(cè)試；大斜度井

川西雷口坡組氣藏埋深5 700～6 300 m，儲(chǔ)層孔隙度低（平均值3.35%），滲透率低（平均值3.2×10?3μm），高含硫化氫（3.42%～5.45%），地層巖石應(yīng)力高（90～130 MPa）。儲(chǔ)層分上下兩部分，上、下儲(chǔ)層厚度30～80 m 左右，有明顯隔層。為滿足提交儲(chǔ)量要求，需分別對(duì)雷口坡組上、下儲(chǔ)層進(jìn)行測(cè)試。國內(nèi)外超深含硫井普遍采用環(huán)空壓力響應(yīng)測(cè)試器（APR） 進(jìn)行測(cè)試［1-3］，區(qū)域直井采用APR 逐層測(cè)試，測(cè)試失效率達(dá)37%，考慮直井APR 測(cè)試一次成功率不高，大斜度井采用液壓封隔器進(jìn)行測(cè)試，然而測(cè)試過程中密封失效、解封失敗、卡瓦落井等井下復(fù)雜事件頻發(fā)。下面以PZ3-5D 井為例，對(duì)井下復(fù)雜進(jìn)行了深入分析，并提出了技術(shù)保障措施。

1 技術(shù)難點(diǎn)分析

PZ3-5D 井完鉆井深6 687.33 m，造斜點(diǎn)4 720m， 最大井斜78.8（°）/6 407.4 m， CO2 含量4.59%，H2S 含量3.72%，地層壓力為69.56 MPa，溫度為155℃，井口H2S 分壓5.51～5.78 MPa，第1 試氣層位于6 315～6 400 m，第2 試氣層位于6 183～6 287 m，第3 試氣層位于5 965～6 075 m。完井井身結(jié)構(gòu)為：?193.7 mm×5 903.70 m+?127 mm×5 751.5～6 315 m+6 315～6 687.33 m （裸眼）。測(cè)試目的為評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)能和流體性質(zhì)、落實(shí)氣水界面、為開發(fā)部署優(yōu)化調(diào)整及探明儲(chǔ)量提供依據(jù)。

1.1 高壓導(dǎo)致工具易失效

氣藏Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層相互交叉疊置，單層厚度?。?.2～4.4 m），非均質(zhì)性強(qiáng)，應(yīng)力差異較大。儲(chǔ)層段以孔隙型儲(chǔ)層為主，其中上儲(chǔ)層段平均有效孔隙度8.28%、平均滲透率1.71×10?3 μm，下儲(chǔ)層段平均有效孔隙度5.03%，平均滲透率4.57×10?3 μm，屬于低孔～特低孔、低滲～特低滲儲(chǔ)層［4］。儲(chǔ)層破裂壓力高，施工壓力達(dá)120 MPa，封隔器承壓55～78 MPa，易發(fā)生超壓失封、錨定失效等。

1.2 軌跡復(fù)雜、井筒條件嚴(yán)苛，管柱受力復(fù)雜

超深、小井眼井況下， 試氣管柱在“ ?193.7mm 套管+?127 mm 套管”中下入和起出，接近管柱強(qiáng)度極限，解封余量及處理復(fù)雜情況的手段有限。大斜度（井斜角55°以上） 井況下，管柱受復(fù)雜附加力，屈曲風(fēng)險(xiǎn)增大［5-6］，作業(yè)余量進(jìn)一步減小，對(duì)大斜度井不同位置管柱受力預(yù)判不準(zhǔn)確時(shí)，易導(dǎo)致管柱解封余量不足，解封失敗。PZ7-1D 井第1 試氣層使用液壓封隔器改造并求產(chǎn)后，逐級(jí)上提至1 617kN，過提達(dá)490 kN，遠(yuǎn)大于封隔器解封值，未提出。

1.3 管柱功能不完善等易致井下復(fù)雜

改造前提前替酸至儲(chǔ)層段能有效降低工區(qū)設(shè)計(jì)井破裂壓力［7］，測(cè)試井采用APR 測(cè)試工藝，需采用連續(xù)油管替酸，作業(yè)成本高，采用液壓封隔器將降破酸液頂替到產(chǎn)層位置。但采用鋼球開滑套后滑套球座、膠筒均不連通，壓差達(dá)10 MPa 以上，大幅度增加了大斜度井井口解封力，使得管柱無法提出或強(qiáng)提管柱致井下復(fù)雜。對(duì)此需進(jìn)一步優(yōu)化工具選型，或完善管柱功能，使投球管柱平衡上下壓差，避免強(qiáng)提管柱。

2 測(cè)試管柱優(yōu)化

2.1 管柱結(jié)構(gòu)

以第2 試氣層為例，為滿足改造、測(cè)試及上返要求，將管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：?88.9 mm110SS 油管（9.52mm）+?88.9 mm110SS 油管（6.45 mm）+滑套+壓力計(jì)托筒+Y241 液壓封隔器+坐封球座+引鞋，見圖1。

2.2 封隔器選型與改進(jìn)

川西雷口坡組屬高含硫地層，在測(cè)試管柱中使用封隔器可保護(hù)上部套管，同時(shí)也是儲(chǔ)層改造的需求。儲(chǔ)層巖心物性分析和孔喉測(cè)試表明，鉆井液可以進(jìn)入Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層中的微裂縫及少量孔隙，鉆完井過程中鉆井液會(huì)對(duì)儲(chǔ)層主要滲流通道產(chǎn)生污染，產(chǎn)能評(píng)價(jià)前需酸化解除鉆井液污染，因此，封隔器選型必須滿足改造要求。

大部分儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)為Ⅱ～Ⅳ類（表1），非反應(yīng)液體難以滲透進(jìn)入儲(chǔ)層，只有通過酸液接觸地層解除井壁鉆井液污染，打開流動(dòng)通道，才能降低破裂壓力，建立連續(xù)排量，以便后續(xù)施工。區(qū)域大斜度井主要為探井，自然壓開的可能性不大，需將降破液頂替至儲(chǔ)層位置，采用液壓封隔器，儲(chǔ)層改造最高施工壓力120 MPa，需選擇耐壓差70 MPa 封隔器（環(huán)空平衡壓力50 MPa）；首層測(cè)試后需上返第2 試氣層，需選擇可解封封隔器?；谒峄脑臁⒑笃谏戏敌枨?，選擇國產(chǎn)Y241 液壓封隔器（圖2），測(cè)試完成后解封封隔器，壓井并提出管柱上返。

Y241 液壓封隔器可在大斜度井中下入，替降破酸至儲(chǔ)層后，再投球坐封液壓封隔器，封隔器在坐封過程中，活塞向下移動(dòng)擠壓膠筒、撐開卡瓦坐封在套管上，液壓產(chǎn)生的推動(dòng)力作用在卡瓦和膠筒上，以確保卡瓦錨定和膠筒密封。測(cè)試完成后，上提管柱剪切銷釘即可解封封隔器。

膠筒采用MESH 結(jié)構(gòu)，由端膠筒和中膠筒組成，端膠筒由金屬絲和橡膠壓制，中膠筒為氟橡膠。室內(nèi)試驗(yàn)顯示，膠筒耐壓能達(dá)到105 MPa，實(shí)際使用壓差最高達(dá)78 MPa。

前期部分井管柱起出后，封隔器卡瓦落井，分析原因認(rèn)為是錐體與卡瓦套接觸時(shí)卡瓦伸出太高，封隔器從?127 mm 套管提出進(jìn)入?193.7 mm 套管時(shí)，卡瓦掛接套管壁，由于卡瓦與卡瓦套接觸較小，翻轉(zhuǎn)掉落，通過調(diào)整錐體和卡瓦套距離，保證卡瓦伸出時(shí)行程能支撐套管壁。

2.3 滑套配球選型

由于所選封隔器無壓力平衡和旁通裝置設(shè)計(jì)，鋼球投入管柱后其上下會(huì)形成活塞力，造成封隔器難以解封。因此，研制了高溫耐酸可溶球替代鋼球。常規(guī)金屬球存在堵塞風(fēng)險(xiǎn)，而常規(guī)可溶球存在不耐酸等缺陷。耐酸可溶球采用PGA 高分子聚合物材料，具有抗壓強(qiáng)度70 MPa 以上、溶解速度可控、可完全溶解不留殘?jiān)葍?yōu)點(diǎn)，可有效解決金屬可溶球不耐酸的局限性，保障滑套的打開。

3 測(cè)試管柱力學(xué)分析

3.1 水力錨錨定可靠性分析

油管內(nèi)外壓差不超過水力錨工作壓差時(shí)，水力錨爪尚未伸出或伸出后尚未咬入套管壁，水力錨起不到固定管柱作用，此階段封隔器密封可靠性由膠筒密封可靠性、卡瓦安全性、套管安全性［8］共同保證。油管內(nèi)外壓差超過水力錨工作壓差時(shí)，水力錨咬入套管壁起固定管柱作用，此時(shí)封隔器密封可靠性由膠筒密封性、水力錨安全性、套管安全性共同保證。

為保證在大斜度井中作業(yè)成功，在保證膠筒密封性同時(shí)，需對(duì)水力錨安全性及水力錨咬合后套管安全性進(jìn)行分析。水力錨咬入套管后產(chǎn)生的咬合力F咬與水力錨內(nèi)外壓差有關(guān)［8］，只要F咬＞F頂（封隔器向上產(chǎn)生的壓差力），按改造限壓120 MPa、最大壓差70 MPa 計(jì)算，?127 mm 套管內(nèi)F咬應(yīng)大于590 kN，?193.7 mm 套管內(nèi)F咬應(yīng)大于980 kN。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了?177.8 mm 套管水力錨在壓差70MPa 時(shí)錨定力達(dá)784 kN 以上，但未對(duì)?127mm 套管、?193.7 mm 套管水力錨開展試驗(yàn)。

對(duì)高壓差下錨定可靠性進(jìn)行了數(shù)值分析，驗(yàn)證其可靠性，?193.7 mm 套管配套的水力錨，錨爪直徑65 mm，計(jì)算50 MPa、70 MPa 壓差下P110 套管咬合深度分別為0.4～0.8 mm、0.5～0.9 mm，對(duì)應(yīng)的上提滑脫力均在1 180 kN 以上， 滿足壓差70 MPa下使用要求。

3.2 封隔器解封力數(shù)值模擬

大斜度井措施管柱受力比垂直井管柱受力復(fù)雜，管柱下入與起出比直井承受更多附加力［9］。工區(qū)大斜度井測(cè)試后需提出測(cè)試管柱上返或投產(chǎn)，因此管柱強(qiáng)度不僅要滿足高壓改造、求產(chǎn)、關(guān)井等要求，還需考慮解封及提出需求。在封隔器解封過程中，需要先克服錨定力，然后才能解封，上提解封封隔器過程中復(fù)雜接觸導(dǎo)致的摩擦力會(huì)消耗一部分上提力，傳到封隔器上端的桿柱軸力相對(duì)直井會(huì)有所減小，解錨以及解封時(shí)的大鉤載荷往往比直井要大［9］。

數(shù)值模擬方法可以考慮全井管柱在浮力、接觸摩擦力和阻尼力共同作用下的復(fù)雜受力狀態(tài)［10］，利用有限元方法對(duì)大斜度井PZ3-5D 井管柱力學(xué)行為建模，“?88.9 mm 油管（6.45 mm）×5 429 m+?73mm 油管（5.51 mm）×530.86 m”管柱總長度5 959.86m，封隔器位置5 429.1 m，采用梁?jiǎn)卧鳛榻卧?、非線性接觸進(jìn)行數(shù)值模擬［9］。模型沿井眼軌跡建立（圖3），考慮井筒內(nèi)1.35 g/cm3 壓井液的浮力影響，管柱材料彈性模量200 GPa，泊松比0.3，摩阻系數(shù)分別取0.15、0.2，計(jì)算大鉤上提390 kN 時(shí)封隔器位置上提力為261 kN、245 kN。

基于“?88.9 mm 油管（6.45 mm）+?73 mm 油管（5.51 mm）”管柱解封數(shù)值模擬，上提最大解封力為過提490 kN，封隔器位置上提力約304 kN，作業(yè)時(shí)管柱余量有限，采用?88.9 mm 油管（9.52 mm）×2000m 可提高管柱上提余量，即后期區(qū)域大斜度測(cè)試井優(yōu)化采用“?88.9 mm 油管（9.52 mm）×2000 m+?88.9mm 油管（6.45 mm）×4 000 m+?73 mm×5.51 mm 油管”組合管柱。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

超深含硫井普遍部署為直井，采用“APR 工具+RTTS 或CHARM 封隔器”進(jìn)行三聯(lián)作或兩聯(lián)作，聯(lián)作測(cè)試可有效節(jié)約工期及成本，但射孔爆轟產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波作用于射孔段管柱，常發(fā)生管柱塑性彎曲、斷裂等事故［10-12］。聯(lián)作工藝實(shí)施的首要條件是工具強(qiáng)度滿足射孔要求，同時(shí)封隔器不提前坐封、不提前解封。

坐封與解封可靠性與振動(dòng)速度、加速度相關(guān)，振動(dòng)速度、加速度隨時(shí)間周期性變化，實(shí)測(cè)管柱振動(dòng)加速度峰值可達(dá)到數(shù)百個(gè)重力加速度［13］。已選Y241 液壓抗硫封隔器初始坐封壓力下銷釘剪斷力為35.6～44.3 kN，活塞質(zhì)量約8 kg，當(dāng)管柱受沖擊力整體上行時(shí)，加速度達(dá)到數(shù)百個(gè)重力加速度時(shí)活塞給銷釘?shù)牧_(dá)到35.7 kN，即有剪切銷釘、提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)。

前期在PZ113、PZ115 等直井采用酸壓射孔聯(lián)作，射孔后反循環(huán)驗(yàn)通不返液，正循環(huán)能驗(yàn)通，射孔導(dǎo)致封隔器提前不完全坐封。綜上， 工區(qū)采用Y241 液壓封隔器作業(yè)時(shí)不具備聯(lián)作條件，需采用先射孔再下入改造管柱的測(cè)試方式。

對(duì)PZ3-5D 井雷口坡組上、下儲(chǔ)層逐層測(cè)試評(píng)價(jià)，第1 試氣層采用鉆具或油管柱射孔后，下入管柱“?88.9 mm 110SS 油管（9.52 mm）+?88.9 mm 110SS 油管（6.45 mm）+循環(huán)滑套+水力錨+Y241 封隔器+球座”進(jìn)行改造，測(cè)試封隔器坐封于6 344 m，井斜75.48°，壓井、上提解封封隔器后，封層上返。后對(duì)第2 試氣層射孔、下封隔器管柱改造，第2 層測(cè)試封隔器坐封于5 814.10 m，井斜55°。改造后兩層均獲得無阻流量50×104 m3/d。

5 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

（1） 國產(chǎn)液壓抗硫封隔器及配套工具改進(jìn)后能滿足川西海相雷口坡組超深大斜度井高破壓含硫地層70 MPa 或更高壓差下改造及試氣需求，在小井眼、6 000 m 以深地層管柱提出難度較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化滑套等配套工具結(jié)構(gòu)。

（2） 超深大斜度井管柱宜根據(jù)實(shí)際井眼軌跡進(jìn)行封隔器解封力數(shù)值模擬，綜合考慮改造、求產(chǎn)、解封等優(yōu)化配置試氣管柱。

（3） 液壓封隔器酸壓射孔聯(lián)作在射孔時(shí)，管柱振動(dòng)可能提前坐封封隔器，聯(lián)作前應(yīng)分析射孔參數(shù)以規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)。