龍王廟組氣藏高溫高壓酸性大產量氣井完井難點及其對策

李玉飛佘朝毅劉念念張華禮張　林朱達江

1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2.中國石油川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院

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龍王廟組氣藏高溫高壓酸性大產量氣井完井難點及其對策

李玉飛1佘朝毅1劉念念2張華禮1張林1朱達江1

1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2.中國石油川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院

李玉飛等. 龍王廟組氣藏高溫高壓酸性大產量氣井完井難點及其對策. 天然氣工業, 2016,36(4):60-64.

摘 要為了實現對四川盆地安岳氣田下寒武統龍王廟組氣藏的安全高效開發，減少因沖蝕、腐蝕、絲扣滲漏和完井工藝不合理等因素所導致的安全屏障失效和環空異常帶壓等問題，在分析該氣藏完井主要技術難點的基礎上，重點進行了完井方式優選、管柱材質實驗評價與優選、管柱絲扣密封性能評價、井下管柱結構優化設計以及管柱抗沖蝕性能評價等方面的研究與現場試驗。形成了一套適合于高溫、高壓、含酸性介質、大產量氣井的配套完井技術：①優選了適合的完井方式、管柱材質和扣型；②形成了不同配產條件下的管柱結構；③制訂了針對直井和斜井的完井工藝及完井過程施工質量控制措施。現場應用效果表明，該配套技術有效降低了大產量生產對管柱和井下工具的沖蝕以及射孔作業對生產封隔器密封性能的影響，提高了完井施工質量，對于減少后期生產過程中環空異常帶壓具有較好的效果。可為類似氣田的開發提供參考。

關鍵詞四川盆地 安岳氣田 龍王廟組氣藏 高溫高壓 酸性 大產量氣井 完井 管柱結構 施工質量控制

近年來，隨著深層、高溫、高壓、含酸性介質的氣田開發工作的不斷推進，管柱絲扣泄露、封隔器失效和環空異常帶壓等影響氣井安全生產的問題暴露越來越明顯，直接影響到了氣井能否順利投產和后期的安全生產[1-12]。為此本文以四川盆地安岳氣田磨溪構造下寒武統龍王廟組氣藏為對象，開展了高溫高壓含酸性介質和大產量氣井完井技術攻關和研究，該研究對川渝地區同類氣藏安全、經濟和高效開發具有重要的意義。

1 完井技術難點

安岳氣田龍王廟組氣藏產層埋深在4 500 m左右，氣藏中部溫度介于140.0～144.9 ℃，壓力介于75.7～76.1 MPa，天然氣組分中H2S含量介于5.70～11.19 g/m3，CO2含量介于28.87～48.83 g/m3，且單井產量普遍較高，單井最高測試產量263.47×104m3/d，具有深層、高溫、高壓、含酸性介質和大產量等特點。

高溫高壓含酸性介質和大產量等特點給完井投產造成相當大的困難，主要表現在幾個方面：①氣藏溫度和壓力高，對完井工具和井口等都提出了非常高的要求；②天然氣中含H2S和CO2，對入井管材與絲扣密封性能要求高；③氣井產量高，對完井管柱和工具抗沖蝕性能要求高；④儲層埋藏深，施工壓力高，酸化施工參數控制難度大。

2 完井方式優選

根據龍王廟組氣藏的特點，完井方式的優選應遵循以下幾個方面的原則：①完井方式選擇應考慮井筒的完整性和后期大產量條件下的安全生產。②滿足增產改造和采氣工藝要求[12-14]。③施工工藝安全可靠，綜合成本低。④利于保護氣層，降低對氣層的傷害。

根據儲層段井筒穩定性分析結果，隨著開采時間的不斷增加，地層壓力逐步降低，當地層壓力系數降低到1.4左右時，儲層將會出現垮塌的情況，結合完井方式選擇遵循的原則，推薦龍王廟組氣藏采用對井筒有支撐作用的射孔或襯管方式進行完井。

3 完井管柱優化設計

3.1 完井管柱材質優選

安岳氣田龍王廟組氣藏天然氣中H2S和CO2分壓比值為3.31，腐蝕類型以H2S腐蝕為主，需選用鎳基合金材質油管，才能滿足防腐要求。根據GB/ T 20972.3—2008，4d類材質（如G3、SM2550）在149 ℃內使用不受限制，可以滿足安岳氣田龍王廟組氣藏防腐要求；而4c類在132 ℃內使用不受限制，能否滿足防腐要求，還應根據氣田實際工況開展管材抗腐蝕性能評價[1-2]。

分別以MX9井和MX11井地層水為腐蝕介質，對BG110SS、BG2532和BG2830三種管材進行腐蝕評價實驗。從實驗結果看，4c類鎳基合金腐蝕速率為0.000 1～0.003 0 mm/a，且不會發生硫化氫應力腐蝕開裂，如表1～3所示。因此，綜合考慮生產周期和經濟效益的要求，建議安岳氣田龍王廟組氣藏完井管柱采用4c類鎳基合金（如BG2532和BG2830等）。

表1　MX9井地層水條件下的腐蝕實驗結果表

表2　MX11井地層水條件下的腐蝕實驗結果表

表3　國產BG2830合金SCC實驗結果表

3.2 管柱絲扣優選

為檢驗氣密封絲扣在井下復雜環境中的適應性，開展了VAM-TOP、FOX、BGT1和LTC等國內外常用的氣密封扣在交變載荷作用下的氣密封試驗，主要包括上卸扣、復合載荷氣密封試驗和電鏡掃描等。根據試驗結果，金屬對金屬的氣密封絲扣（如VAMTOP、BGT1等），在完井各種復雜工況條件下，上述扣型均可以滿足氣密封性能要求[7-9]。

3.3 完井管柱結構優化設計

根據龍王廟組氣藏壓力高、溫度高、含酸性介質和產量高的特點，完井管柱結構須滿足以下要求[10-11]：①結構盡量簡單，滿足長期安全生產的要求；②緊急情況下能截斷井下氣源，實現井下安全控制；③避免套管內部和油管外壁接觸酸性氣體，保證氣井的長期完整性；④滿足酸化、測試和生產等作業的需要，并考慮后期井下作業工具坐放方便，最終形成以下完井管柱方案。

1）直井：氣密封扣油管+上流動短節+井下安全閥+下流動短節+氣密封扣油管+錨定密封總成+永久式封隔器+磨銑延伸筒+坐放短節+球座+篩管+丟槍接頭+射孔槍（圖1）。

圖1　直井完井管柱結構圖

2）大斜度井和水平井：氣密封扣油管+上流動短節+井下安全閥+下流動短接+氣密封扣油管+錨定密封總成+永久式封隔器+磨銑延伸筒+坐放短節+球座（圖2）。

圖2　大斜度井和水平井完井管柱結構圖

3.4 復雜工況下管柱力學校核

龍王廟組氣藏直井、大斜度井和水平井均采用永久式封隔器完井管柱，校核內容主要包括：封隔器坐封、酸壓、液氮掏空和生產等作業過程中管柱的抗內壓、抗外擠、抗拉和三軸安全系數以及封隔器對管柱的拉伸噸位，并根據校核結果對泵壓、環空平衡壓力和不同生產參數下環空控制壓力等參數進行優化設計，從而保障完井管柱在復雜工況條件下的安全。

根據復雜工況下管柱力學校核結果，綜合考慮完井成本，推薦直井或產量相對較低的氣井采用?88.9 mm、δ6.45 mm、110鋼級油管，產量較高的大斜度井和水平井采用?114.3 mm、δ6.88 mm、125鋼級油管。

3.5 井下安全閥抗沖蝕能力分析

水平井或大產量氣井，考慮到采用?114.3 mm井下安全閥時，油層套管及技術套管0～200 m井段需擴大一級，降低了氣井井筒的完整性，為此，水平井或產量較高的氣井推薦采用?114.3 mm油管、?88.9 mm井下安全閥和?177.8 mm永久式封隔器，該方案管柱最小內徑在88.9 mm井下安全閥處（71.5 mm）。因此，本文重點對井下安全閥在不同條件下抗沖蝕性能進行分析。根據井下安全閥抗沖蝕能力計算結果（表4），井口油壓15～60 MPa時，可滿足氣井配產介于100×104～159×104m3/d的抗沖蝕能力要求。

表4　?88.9 mm井下安全閥（內徑71.5 mm）抗沖蝕能力計算結果表

4 完井工藝與施工質量控制

4.1 完井工藝

根據完井管柱方案，針對直井和水平井分別形成了兩套完井工藝。直井采用射孔—酸化—測試—投產一體化完井工藝，一方面縮短了完井周期和作業風險，另一方面避免了酸化改造后壓井對儲層造成的污染和傷害，其作業工序包括：下一體化管柱→換裝采氣井口→替環空保護液→加壓射孔后丟槍→坐封封隔器→放噴→酸化→排液→測試→完井投產。大斜度井和水平井由于不具備丟槍條件，且為了降低射孔振動對封隔器密封性能的影響，采用先射孔后下酸化—測試—投產一體化管柱的完井工藝，其作業工序包括：下射孔管柱→射孔→起射孔管柱→循環壓井液觀察→下封隔器完井管柱→換裝采氣井口→替環空保護液→坐封封隔器→放噴→酸化→排液→測試→完井投產。

4.2 完井施工質量控制

根據川渝地區高溫高壓高酸性氣田開發經驗，如果完井施工質量控制不好，可能出現管柱絲扣泄漏和封隔器坐封不合格等現象發生，導致后期生產過程中出現環空異常帶壓現象，嚴重影響氣井安全生產[12-14]。為了確保不出現因施工質量不合格造成的油套環空異常帶壓問題，完井施工質量控制措施主要有以下幾個方面。

1）制訂氣密封扣油管關鍵參數的質量檢測標準，逐根檢測，合格方可送達現場。

2）嚴格按照耐蝕合金材質氣密封扣油管入井施工作業要求操作，提高施工質量。

3）采用扭矩標定儀對液壓鉗進行現場標定，確保氣密封絲扣上扣扭矩達到最佳。

4）采用氦氣氣密封檢測技術對所有入井管柱絲扣進行檢測[3]，檢測合格方可入井。

5）嚴格控制酸化、封隔器坐封和放噴時油壓和環空壓力，確保完井管柱安全系數和封隔器所受壓差與軸向拉力等均在允許范圍內。

5 現場應用

MX009-X1井是安岳氣田龍王廟組氣藏的第1口開發井，套管層次為?508 mm+?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm+?127 mm，產層壓力系數為1.68，溫度為143.74 ℃，最大井斜86.21°，采用尾管射孔方式完井。

MX009-X1井采用先射孔后下酸化—測試—投產一體化管柱的完井工藝，完井管柱結構為：?114.3 mm油管+?88.9 mm井下安全閥+?114.3 mm油管+?177.8 mm永久式封隔器總成+?88.9 mm油管+球座。在下完井管柱過程中，嚴格按照施工質量控制措施要求執行；在封隔器坐封、排液和酸化過程中，嚴格控制施工泵壓和環空平衡壓力。另外，為了達到均勻布酸的目的，采用了轉向酸和暫堵球工藝，測試獲氣產量263.47×104m3/d。2014年1月完井以來，油壓和油套環空壓力平穩，未出現異常帶壓現象（圖3），說明井下管柱絲扣和封隔器均起到了較好的密封作用，完井施工質量控制較好。

圖3　MX009-X1井環空壓力情況圖

6 結論與認識

1）安岳氣田寒武系龍王廟組氣藏除了具有高溫、高壓、含酸性介質外，還具有單井產量高的特點，完井管柱設計不但要考慮防腐和強度要求，還應分析不同條件下管柱和井下工具的抗沖蝕能力，避免因沖蝕造成井下工具和管柱損壞。

2）為了減少射孔作業過程中管柱振動對永久式封隔器密封性能的影響，龍王廟組氣藏生產井完井采用先射孔再坐封封隔器、酸化、投產的完井工藝，與龍崗氣田投產同期相比，生產井環空異常的現象明顯減少。

3）由于高溫高壓大產量氣井完井作業時井下工況的復雜性，建議該類氣井完井管柱設計和井下工具選擇等應充分考慮管柱材質、絲扣密封性能、復雜工況下管柱強度以及抗沖蝕性能等各種因素的影響，確保管柱在完井作業和后期生產過程中安全可靠。

參 考 文 獻

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(修改回稿日期 2016-01-08 編 輯 凌 忠)

Completion diffculties of HPHT and high-fowrate sour gas wells in the Longwangmiao Fm gas reservoir, Sichuan Basin, and corresponding countermeasures

Li Yufei1, She Chaoyi1, Liu Niannian2, Zhang Huali1, Zhang Lin1, Zhu Dajiang1
(1. Engineering Technology Research Institute of PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Guanghan, Sichuan 618300, China; 2. Safety and Environmental Quality Supervision and Inspection Institute of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Guanghan, Sichuan 618300, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 4, pp.60-64, 4/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:For safe and efficient development of the sour gas reservoirs of the Cambrian Longwangmiao Fm in the Anyue Gas Field, Sichuan Basin, and reduction of safety barrier failures and annulus abnormal pressure which are caused by erosion, corrosion, thread leakage and improper well completion operations, a series of studies and field tests were mainly carried out, including optimization of well completion modes, experimental evaluation and optimization of string materials, sealing performance evaluation of string threads, structural optimization design of downhole pipe strings and erosion resistance evaluation of pipe strings, after the technical difficulties related with the well completion in this reservoir were analyzed. And consequently, a set of complete well completion technologies suitable for HTHP (high temperature and high pressure) and high-flowrate gas wells with acidic media was developed as follows. First, optimize well completion modes, pipe string materials and thread types. Second, prepare optimized string structures for different production allocation conditions. And third, formulate well completion process and quality control measures for vertical and inclined wells. Field application results show that the erosion of high-flowrate production on pipe strings and downhole tools and the effect of perforation on the sealing performance of production packers were reduced effectively, well completion quality was improved, and annulus abnormal pressure during the late production was reduced. This research provides a reference for the development of similar gas fields.

Keywords:Sichuan Basin; Anyue Gas Field; Longwangmiao Fm gas reservoir; HPHT; Acidity; High flowrate; Gas well; Well completion; String structure; Completion quality control

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.04.009

基金項目：國家科技重大專項“四川龍崗地區大型碳酸鹽巖氣田開發示范工程”（編號：2011ZX05047-02）、中國石油西南油氣田公司博士后工作站科研攻關項目“龍王廟高溫高壓大產量氣井完整性的管柱力學研究”（編號：20140305-11）。

作者簡介 ：李玉飛，1981年生，高級工程師，碩士；主要從事油氣井完井與完整性評價以及修井方面的科研與管理工作。地址：（618300）四川省廣漢市廣東路2號。電話：13909025291。ORCID:0000-0002-5832-5604。E-mail:l_yf@petrochina.com.cn