劉金龍，孟英峰，李永杰，魏納，劉顯彬

（1.中國(guó)石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫(kù)爾勒841000；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610500；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探長(zhǎng)慶石油工程監(jiān)督公司，陜西 西安710000）

1 氣體鉆井的CO2 腐蝕問(wèn)題

CO2為氣藏中非烴類氣體的重要組分，體積分?jǐn)?shù)一般小于5%。國(guó)內(nèi)把流體組分中CO2體積分?jǐn)?shù)大于10%的氣藏稱為高含CO2氣藏［1-2］。由于CO2遇水后對(duì)固井水泥石、鉆采管具具有腐蝕性，開發(fā)高含CO2氣藏對(duì)鉆完井、測(cè)試工藝、開采措施與地面集輸工程都提出了新的要求。對(duì)于液基鉆井液鉆井，可通過(guò)向鉆井液和固井水泥漿中摻入特殊材料、采用抗腐蝕管材及物理和化學(xué)防腐等方法減弱CO2氣體的腐蝕破壞作用［3-7］。

氣體鉆井為避免不壓井起鉆風(fēng)險(xiǎn)與壓井對(duì)儲(chǔ)層的傷害，通常在鉆井設(shè)計(jì)中明確規(guī)定，在地層產(chǎn)氣量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)直接采用鉆桿完井［8-9］。雖然鉆桿完井避免了部分風(fēng)險(xiǎn)并保護(hù)了儲(chǔ)層，但對(duì)于高含CO2氣藏，該完井方法限制一些防CO2腐蝕措施的使用，如永久式封隔器保護(hù)上部管柱、環(huán)空注入保護(hù)液、采用抗腐蝕生產(chǎn)管柱等［2，10］。另外，氣體鉆井常采用的S135 鋼級(jí)鉆桿，具備一定的抗CO2腐蝕性能，但是在鉆進(jìn)過(guò)程中，由于磨損及氣流的沖蝕作用，鉆柱耐腐蝕能力降低［11-12］；因此，氣體鉆井在最終選取完井方式時(shí)應(yīng)考慮到后期采氣過(guò)程中氣藏CO2的腐蝕問(wèn)題。

由De Waard 公式，CO2腐蝕速率為［13］

式中：vcorr為腐蝕速率，mm/a；T 為溫度，K；p（CO2）為CO2分壓，bar（1 bar=0.1 MPa）。

由式（1）可知，在一定環(huán)境條件下，CO2腐蝕速率與其分壓相關(guān)，即與CO2體積分?jǐn)?shù)和氣體總壓相關(guān)，因此，可將氣藏中的CO2體積分?jǐn)?shù)作為輔助評(píng)價(jià)CO2腐蝕能力的指標(biāo)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不同井位的氣測(cè)數(shù)據(jù)不同；另外，鄰井?dāng)?shù)據(jù)多在液基鉆井液鉆井條件下獲取，由于鉆井液基液為堿性，且CO2在水中的溶解度高，直接采用鄰井的CO2組分?jǐn)?shù)據(jù)亦具有不確定性。

2 氣藏CO2 體積分?jǐn)?shù)的隨鉆監(jiān)測(cè)

由于鄰井?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用于本井的準(zhǔn)確性有待考證，而氣體鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)大，需較高的決策效率，這就要求在儲(chǔ)層氣體鉆進(jìn)過(guò)程中，須現(xiàn)場(chǎng)隨鉆快速確定所揭開氣藏的CO2體積分?jǐn)?shù)。儲(chǔ)層氣體鉆井時(shí)，消除了井筒液體對(duì)CO2氣體的溶解與化學(xué)反應(yīng)的影響，基于物質(zhì)守恒定律，若井筒內(nèi)可燃?xì)怏w未發(fā)生燃爆反應(yīng)，排砂管線返出的CO2量為注入氣體中的CO2量與氣藏產(chǎn)出的CO2量之和，物理模型如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)層氣體鉆井井筒內(nèi)CO2 守恒物理模型

排砂管線返出氣體的全烴體積分?jǐn)?shù)為

排砂管線返出氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)為

注入氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)為

式中：Qnr為儲(chǔ)層產(chǎn)出全烴量，m3/min；Qgi為注入氣體量（不 含CO2），m3/min；Qi（CO2）為 注 入CO2量，m3/min；Qr（CO2）為儲(chǔ)層產(chǎn)出CO2量，m3/min；cno為返出全烴體積分?jǐn)?shù)，%；ci（CO2），co（CO2）分別為注入、返出CO2體積分?jǐn)?shù)，%。

由式（2）—（4）可知，若已知Qgi，cno，ci（CO2），co（CO2），則氣藏中CO2的產(chǎn)出量為

氣藏的CO2體積分?jǐn)?shù)為

3 相關(guān)參數(shù)的采集

儲(chǔ)層氣體鉆井時(shí)，為了隨鉆計(jì)算出氣藏中的CO2體積分?jǐn)?shù)，須對(duì)立管注入氣體流量、注入氣體CO2體積分?jǐn)?shù)與排砂管線返出氣體全烴體積分?jǐn)?shù)、返出氣體CO2體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行在線采集，設(shè)計(jì)各傳感器的井場(chǎng)布局如圖2所示。

圖2 相關(guān)參數(shù)采集傳感器井場(chǎng)布置

注入氣體流量計(jì)與CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器布局于膜制氮機(jī)組和增壓機(jī)組之間的連接管線上； 返出氣體全烴與CO2體積分?jǐn)?shù)傳感器布局于排砂管線上，取樣氣由閥門節(jié)流后經(jīng)凈化、干燥裝置除去其中混合的巖屑，輸送至氣體傳感器檢測(cè)； 所有傳感器就近安裝于采樣點(diǎn)，避免因長(zhǎng)距離輸送導(dǎo)致檢測(cè)滯后。注入氣體流量數(shù)據(jù)采集使用孔板式氣體流量計(jì)。

由于綜合錄井氣測(cè)存在地層產(chǎn)氣后響應(yīng)不及時(shí)，以及初期產(chǎn)氣檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題［14］，返出氣體的全烴參數(shù)采集由一只半導(dǎo)體表面電阻控制型傳感器與一只熱導(dǎo)率變化式傳感器完成。半導(dǎo)體傳感器用于低全烴體積分?jǐn)?shù)（0～1%）檢測(cè)，對(duì)返出氣流中的微量可燃?xì)怏w有反應(yīng)； 熱導(dǎo)式傳感器克服了半導(dǎo)體型檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)范圍小的缺點(diǎn)，其檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)可達(dá)100%，但其在微量全烴時(shí)沒(méi)有半導(dǎo)體型精度高。因此，將2 只不同類型的傳感器配合使用，在不同全烴體積分?jǐn)?shù)下，通過(guò)編寫控制程序激活單只傳感器工作。

綜合錄井的氫火焰離子檢測(cè)器不能使CO2氣體離子化，還須測(cè)量注入氣體中的CO2體積分?jǐn)?shù)，可使用紅外型CO2傳感器測(cè)量注入與返出端的CO2體積分?jǐn)?shù)，其具有選擇性強(qiáng)、精度高、非接觸反應(yīng)的特點(diǎn)［15］。

4 應(yīng)用實(shí)例

A 井是國(guó)內(nèi)西部某油田為探索深層致密砂巖氣藏的一口重點(diǎn)探井，采用儲(chǔ)層氣體鉆井以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、保護(hù)儲(chǔ)層，為評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)能提供依據(jù)。設(shè)計(jì)在鉆穿儲(chǔ)層后，若顯示較好，則直接采用鉆桿完井。為了避免出現(xiàn)完井鉆桿腐蝕失效事故，須評(píng)價(jià)氣藏CO2的腐蝕能力，以保證氣井的安全穩(wěn)產(chǎn)。

采用前述方法，儲(chǔ)層揭開后一段鉆進(jìn)時(shí)間內(nèi)按式（6）計(jì)算氣藏的CO2體積分?jǐn)?shù)（見圖3）。由于消除了注入氣體的稀釋作用，計(jì)算的氣藏實(shí)際CO2體積分?jǐn)?shù)略高于排砂管線測(cè)量值。在揭開新儲(chǔ)層后，全烴體積分?jǐn)?shù)由64%快速上升至91%，后逐漸衰減并穩(wěn)定在75%，同時(shí)，排砂管線測(cè)量到的CO2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)與全烴類似。

圖3 A 井儲(chǔ)層氣體鉆井氣藏CO2 體積分?jǐn)?shù)隨鉆測(cè)量

由計(jì)算的氣藏CO2體積分?jǐn)?shù)曲線，可見產(chǎn)氣前后氣藏的CO2體積分?jǐn)?shù)都持續(xù)在2．1%左右，為非高含CO2氣藏。鄰井開采的天然氣中，CO2體積分?jǐn)?shù)為2．1%～3．5%，計(jì)算結(jié)果與其相符。同時(shí)，氣體鉆井前后揭開的雖非同一儲(chǔ)層段，但處于同一構(gòu)造內(nèi)且相鄰的井，兩者產(chǎn)出的天然氣中CO2體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)。

5 結(jié)論

1）CO2腐蝕速率與氣藏CO2體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境溫度、壓力、pH 值、含水等條件相關(guān)，但在環(huán)境條件一定時(shí)，決定其腐蝕能力的關(guān)鍵因素為產(chǎn)出氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)。因此，可將氣藏CO2體積分?jǐn)?shù)作為輔助評(píng)價(jià)其腐蝕能力的指標(biāo)。

2）儲(chǔ)層氣體鉆井消除了液基鉆井液同CO2氣體的溶解與化學(xué)反應(yīng)，基于物質(zhì)守恒定律，得出氣藏CO2體積分?jǐn)?shù)與注入氣體量、注入氣體CO2體積分?jǐn)?shù)、返出氣體全烴體積分?jǐn)?shù)、返出氣體CO2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。將該方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需求。

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