賀夢琦，王玲，劉曉晨

1.中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤錦124010）2.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院（遼寧盤錦124010）3.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院聯(lián)合體（新疆庫爾勒841000）4.中國石油渤海鉆探工程有限公司第一錄井公司（天津300280）

潛山注氣提高單井產(chǎn)量工藝配套技術(shù)研究

賀夢琦1，3，王玲2，劉曉晨4

1.中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤錦124010）2.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院（遼寧盤錦124010）3.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院聯(lián)合體（新疆庫爾勒841000）4.中國石油渤海鉆探工程有限公司第一錄井公司（天津300280）

針對興古潛山注氣井大斜度、管柱超長等難點，從大斜度水平井配套工藝入手，考慮注氣管柱功能并結(jié)合系統(tǒng)安全需求進行設(shè)計，推薦使用Φ89 mm、P110-13Cr油管，并配備SSV、SCSSV、水平井封隔器等工具，能夠應對注氣產(chǎn)生的交變應力、沖蝕等影響，具有后期修井施工簡便、防止出現(xiàn)井口事故等優(yōu)點。該技術(shù)降低了臨近城區(qū)高壓注氣井所存在的安全風險，提高了潛山氣驅(qū)的生產(chǎn)與作業(yè)管理水平，具有廣泛的應用前景。

潛山；注氣井；完井管柱；交變應力；沖蝕；安全控制

1 興古潛山注氣井面臨的挑戰(zhàn)

一般來說儲層埋藏越深，注氣需要克服的摩阻[1]損失越大，直接導致注氣時需要面臨更高的井口壓力。興古潛山油藏平均埋藏深度2 300 m以下，注氣單井斜深度更是達到了5 000 m，這對氣井的完井管柱、井下工具及井口的配套提出了更高的要求。此外，根據(jù)油藏方案部署，單井注氣能力為2.5×104~ 12.5×104m3/d。由于注氣井斜度大，閉合距離過長，注氣井完井管柱還將承受復雜交變應力[2]的作用。再者目前注氣氣源組分中腐蝕性氣體CO2體積分數(shù)約為2.7%，其對應分壓高于NACE要求的CO2分壓腐蝕的標準[3-4]0.2MPa，注氣運行初期將面臨井下腐蝕問題。興古潛山所在地理位置為城區(qū)居民生活區(qū)及近郊地帶，該區(qū)域人口密度較高，環(huán)境、位置等因素敏感都需要保護，注氣及后期作業(yè)過程稍有不慎將釀成重大安全事故，因此進行了城外遠距離打井的設(shè)計，但此種設(shè)計同時導致了注氣井變?yōu)榇笮倍乳L閉合距水平井，對注氣完井管柱的安全控制[5]與井下工具配套等提出了更高的要求。

2 注氣井完井管柱及配套技術(shù)

2.1 油管的選擇

在影響井內(nèi)注氣管柱選擇的眾多因素中，高速流動的氣體對管柱產(chǎn)生的沖蝕作用值得關(guān)注。沖蝕是指材料受到高壓高速氣體粒子流沖擊時，管壁表面出現(xiàn)的破壞磨損現(xiàn)象，對于高壓注氣井，沖蝕流速主要是受注氣管柱直徑尺寸的影響。因此，注氣井油管的選擇首先要滿足在配注流量內(nèi)不應發(fā)生沖蝕作用，再者應滿足氣井管柱氣密封及防腐蝕[6]要求。

在進行油管尺寸設(shè)計時，應盡量選用較大直徑的油管，除了有利于減少沖蝕的影響，也便于后期井筒內(nèi)作業(yè)。對于沖蝕流速的計算，主要還是根據(jù)井筒內(nèi)氣體流動能量方程推算井口溫度壓力等參數(shù)，利用平均參數(shù)計算方法進一步預測沖蝕流量[7-8]：

若轉(zhuǎn)化為標準單位則式（1）變更為：

式中：d為油管內(nèi)徑，m；ρ為氣體密度，kg/m3；Ptf為流動井口壓力，MPa；γg為氣體相對密度，無因次；qsc為地面狀態(tài)下注氣流量，Nm3/d；T為平均溫度，K；Z為氣體在平均溫度、平均壓力下的偏差系數(shù)，無因次；V為沖蝕流速，m/s；C為經(jīng)驗常數(shù)取120~150。

參照基本參數(shù)，分別計算了不同尺寸油管Φ 73.0 mm（2.875″）、Φ88.9 mm（3.5″）在不同井口注氣壓力下的最大安全注氣量，具體計算結(jié)果見表1。

3)當前的本體構(gòu)建工具都是國外廠商開發(fā)的，對于英文支持較好，而中文的表達功能則較弱，這樣在建立中文地名本體時，就需要在不同表達語言間進行轉(zhuǎn)換，此時很容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的歧義性，類似于地理信息系統(tǒng)中的格式轉(zhuǎn)換，需要人工進行修正。

表1 不同油管注氣條件下的安全注氣量/（104m3·d-1）

通過計算可知兩種尺寸油管的安全注氣量均高于油藏預測的配注量，后期注氣作業(yè)時不會發(fā)生沖蝕作用，因此兩種尺寸油管均能夠滿足平穩(wěn)注氣需求。但考慮注氣后期地層壓力將平穩(wěn)升高，原有已經(jīng)閉合的近井地帶天然裂縫將再次開啟，油藏可能具備更好的吸氣能力，再考慮存在油藏工程調(diào)整配注量的需求以及便于后期管內(nèi)溫壓測試等，因此，設(shè)計采用Φ89 mm油管進行注氣。

由于氣源組分中CO2為主要腐蝕成分，預測CO2分壓為0.86 MPa，根據(jù)石油用油套管使用規(guī)范[9]，并借鑒各油田實際操作經(jīng)驗，注氣井油管材質(zhì)推薦采用13Cr[10-12]。考慮興隆臺潛山注氣井注氣深度深、注入壓力高、地處城區(qū)，為保證長期安全生產(chǎn)，油管螺紋設(shè)計使用梯形扣代替API的圓扣，采用國產(chǎn)BGT2氣密封螺紋扣[13]，用鋼性楔形面接觸密封代替了API的螺紋密封[14]，根據(jù)已進行的現(xiàn)場注氮氣等試驗情況，使用寶鋼集團所生產(chǎn)的BGT2螺紋氣密封油管能夠滿足抗漏失與氣密封要求。

2.2 配套井下工具設(shè)計

根據(jù)注氣井后期的作業(yè)要求，在井下注氣管柱配套了循環(huán)滑套、氣密封隔器、坐落短節(jié)、井下安全閥（SSV）等工具，并配合地面安全閥（SCSSV）與采氣樹等，來實現(xiàn)相應的功能，具體功能見表2。

1）滑套開關(guān)設(shè)計：滑套的形式主要有液壓開關(guān)和機械開關(guān)兩種。由于機械開關(guān)滑套價格便宜、技術(shù)成熟，在各類油田現(xiàn)場使用量最多，因此，選用鋼絲作業(yè)開關(guān)式滑套，可以保證修井作業(yè)時的井筒循環(huán)通道暢通，還便于環(huán)空替換套管保護液，防止套管腐蝕，可以保證后期多次開關(guān)作業(yè)后仍具有氣密性。

2）封隔器設(shè)計：常用的水平井封隔器主要有機械式與液壓式兩種。考慮試驗區(qū)氣驅(qū)開發(fā)注氣井為大斜度水平井，氣層埋深約2 800~4 000 m，機械坐封的封隔器容易發(fā)生中途坐封，所以坐封方式上選用液壓坐封封隔器。同時為了便于后期修井作業(yè)，設(shè)計采用可移除式封隔器，該類型封隔器更換時無需磨銑作業(yè)，可通過封隔器上方管柱連接馬牙氣密封螺紋的插入管連接，直接正轉(zhuǎn)使油管脫離，并下入專用內(nèi)撈工具解封封隔器。

3）坐落短節(jié)設(shè)計：在管柱設(shè)計中，分別設(shè)計兩個坐落短節(jié)，其中上部堵塞器坐落短節(jié)設(shè)置在封隔器正下方一根油管位置，主要是用來投堵塞器并進行封隔器打壓坐封時使用；下部的測試坐落短節(jié)主要是用來放置測試儀器使用，同時為了保證管柱測試時可以進行正常注氣，在測試坐落短節(jié)上方連接打孔油管，作為測試時的備用注氣通道。

表2 管柱實現(xiàn)的功能和對應的配套工具

2.3 管柱下入深度確定與受力分析

根據(jù)鉆井井身結(jié)構(gòu)，考慮封隔器、測試工具下入深度，進而確定管柱下入深度，而封隔器坐封位置應在保證保護套管的前提下，盡可能接近儲層頂界。但由于注氣井均為大斜度水平井，還需要考慮完井工具本身技術(shù)要求與經(jīng)濟性影響因素，因此優(yōu)選兩套油管下入深度方案，比選結(jié)果見表3。

考慮完井工具本身技術(shù)要求，其中滑套、堵塞器等多個工具均需要鋼絲下入，然而對于國內(nèi)大斜度水平井的鋼絲作業(yè)下入角度不建議超過45°，若繼續(xù)深下工具將導致多個井下工具的操作均需配合連續(xù)油管作業(yè)才能滿足使用。因此，對比可知淺下油管的方案一中封隔器下方部分套管鋼級將增加，相應套管費用也將增加，但優(yōu)勢在于可以降低后期鋼絲作業(yè)費用。而方案二使用連續(xù)油管作業(yè)，完井工具的下入角度將不受限制，此外封隔器下入較深，省去了部分套管鋼級變換費用，但增加了油管費用與連續(xù)油管作業(yè)費用。

根據(jù)方案對比，由于儲層較深，連續(xù)油管作業(yè)費用較高，針對大斜度長閉合距水平井，若井下工具下入深度過深，后期連續(xù)油管作業(yè)及大修作業(yè)難度也將進一步增加，因此推薦方案一的油管柱下入深度設(shè)計。

確定油管下入深度后，進一步對管柱進行受力分析，主要考慮連接不同井下工具后對油管絲扣的連接強度，及后期注氣時抗內(nèi)壓強度和環(huán)空注入保護液后抗外擠強度影響下的軸向受力分析。根據(jù)大斜度水平井的受力分析公式[15-16]對注氣管柱在不同狀態(tài)時的受力進行了計算并核對了安全系數(shù)，主要考慮了管柱重力、浮力、溫度效應力與膨徑效應力，忽略活塞效應力[17]，按照下入深度4 000 m計算，P110與L80不同材質(zhì)的油管抗拉強度見表4。

表3 不同方案注天然氣井油管下入深度對比

表4 管柱在不同狀態(tài)時強度校核

根據(jù)受力分析結(jié)果可知Φ73 mm、Φ88.9 mm的L80與P110鋼級油管均能滿足后期的受力需求，但L80鋼級油管安全系數(shù)較低，存在一定風險。考慮完井管柱下入深度過長，為了便于長期平穩(wěn)注氣，為安全出發(fā)，推薦使用P110鋼級的油管及配套井下工具。

2.4 井口優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)井筒內(nèi)氣體流動能量守恒方程，同時考慮由于短期注氣量波動而引起的井筒溫度傳遞延遲[18]來預測井口壓力。預測了Φ73.0 mm、Φ88.9 mm油管的注氣井口壓力，從計算結(jié)果看，隨著注入氣量的增大，油管尺寸越大，井口注入壓力越小。但注入量總體較低，兩種尺寸油管所對應的注氣壓力相差不大，計算結(jié)果見表5。

表5 注氣井口壓力預測表

由計算結(jié)果可知，最高對應注氣壓力為23 MPa，注入時考慮2 MPa的地層啟動壓力，注氣時的井口注入壓力應為25 MPa左右，根據(jù)API井口裝置選擇規(guī)范[19]，確定選用等級為35 MPa的井口裝置。根據(jù)氣源組分計算，井口的腐蝕工況條件為：CO2分壓0.625 MPa，但考慮注氣時屬于無水環(huán)境，根據(jù)表6選擇井口裝置防腐等級為CC級。此外由于注氣井所處的環(huán)境冬季溫度歷史上曾有-30℃記錄，因此選用L-U級（-46~121℃）溫度等級。此外，根據(jù)安全控制系統(tǒng)要求，增加井口穿越器。

表6 井口防腐蝕等級

圖1 油氣井管柱示意圖

2.5 安全控制系統(tǒng)設(shè)計

安全控制系統(tǒng)[20]主要由地面設(shè)備和井下工具兩部分組成。地面設(shè)備主要由地面安全閥、易熔塞、液控管線轉(zhuǎn)接裝置、壓力感應裝置、遠傳系統(tǒng)等組成。井下工具主要由井下安全閥、封隔器等組成。井下安全閥一般下至井口下100 m左右，通過環(huán)空穿越井口的液壓管線控制，由地面自動泵提供動力液壓油控制其閥板開關(guān)。當液壓超過系統(tǒng)設(shè)定值時，剛體內(nèi)彈簧受壓，閥板處于開啟狀態(tài)，保持正常注氣，當遇到緊急情況時閥板失去液壓自動關(guān)閉，起到安全控制的作用。

該系統(tǒng)是高壓氣井重要的控制保護設(shè)備，能有效防止發(fā)生憋壓、刺漏、爆管、壓力失控等事故，從而使氣井處于安全可控狀態(tài)。該系統(tǒng)的其他重要組成部分如易熔塞、地面安全閥等與井下安全閥原理相似，主要作用是在井口壓力異常時，安全控制系統(tǒng)接收壓力電磁閥感應信號，液壓管線泄壓，關(guān)閉井下安全閥、地面安全閥等，從而確保注氣井的安全。

注氣完井管柱上依次配套了井下安全閥、循環(huán)滑套、氣密封封隔器、堵塞器坐落短節(jié)、打孔油管和測試坐落短節(jié)等井下工具。優(yōu)化設(shè)計后的注氣管柱具備以下功能：能夠?qū)崿F(xiàn)注氣井出現(xiàn)事故時的安全自動控制；能夠建立油套環(huán)空的溝通通道，頂替套管保護液并利于后期作業(yè)；能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)監(jiān)測地層參數(shù)的要求等諸多功能。管柱示意圖如圖1所示。

3 結(jié)論與認識

1）本設(shè)計考慮了封隔器坐封后的注氣及后期修井作業(yè)等復雜工況時的管柱交變應力變化、管柱沖蝕及抗腐蝕等問題，確保了潛山油藏城區(qū)大斜度水平井注氣作業(yè)的科學性與可靠性。

2）氣井完井管柱滿足油藏開發(fā)的注氣量要求，兼顧了后期調(diào)整注氣時的預留空間，同時具備一整套完備的井下工具保證了管柱的多種作業(yè)功能，在一定程度上降低了后期作業(yè)風險，設(shè)計安全、合理，符合現(xiàn)場需求。

3）地上與地下所組成的安全控制系統(tǒng)有效降低了高壓注氣井的安全風險，能夠應對多種突發(fā)性井下事故，提高了潛山天然氣驅(qū)生產(chǎn)和管理水平，具有良好的應用前景，并對城區(qū)氣井的設(shè)計具有指導借鑒意義。

[1]張曉輝，張同義，劉鷹.利用氣井動態(tài)摩阻系數(shù)預測井口流出動態(tài)[J].天然氣工業(yè),2009,29(3):80-81．

[2]鄧學峰.水平井套管受力變形分析的有限元方法[J].石油礦場機械,2009,38(5):15-17．

[3]周琦,王建剛,周毅.二氧化碳的腐蝕規(guī)律及研究進展[J].甘肅科學學報,2005,17(1):37-40．

[4]Cron C J,Marsh C J.An overview of economic and engineer?ing aspects of corrosion in oil and gas production[J].JPT, 1982,34(6):1033-1041.

[5]彭國生.天然氣井井筒及井口安全技術(shù)研究[J].石油化工安全技術(shù),2002,18(6):1-4．

[6]唐應彪.二氧化碳腐蝕規(guī)律研究[J].石油化工腐蝕與防護, 2014,31(1):1-5．

[7]李學軍.氣井沖蝕腐蝕臨界速度的計算方法[J].國外油田工程,1991(4)：94．

[8]劉志森.優(yōu)化設(shè)計方法在氣井沖蝕計算中的應用[J].石油化工應用,2012,31(2)：51-52,58．

[9]Petroleum and natural gas industries Steel pipes for use as casing or tubing for wells[S].ISO 11960:2011(E)3th.

[10]董曉煥，趙國仙，馮耀榮,等.13Cr不銹鋼的CO2腐蝕行為研究[J].石油礦場機械，2003,32(6):1-3．

[11]張亞明，臧晗宇，董愛華，等.13Cr鋼油管腐蝕原因分析[J].腐蝕科學與防護技術(shù)，2009,21(5)：499-501．

[12]趙章明.油氣井腐蝕防護與材質(zhì)選擇指南[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011:167-169．

[13]郭建華,馬發(fā)明.四川盆地高含硫氣井油管螺紋氣密封性能評價與應用——以龍崗氣田為例[J].天然氣工業(yè),2013, 33(1):128-131．

[14]張占國,方文,孫靈麗,等.油套管特殊螺紋接頭的技術(shù)現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)形式[J].石油機械,2011,39(10)：179-182．

[15]項勇,閆學峰,檀朝東,等.水平井分段壓裂管柱受力分析研究及應用[J].中國石油和化工，2011(12):53-55．

[16]羅英俊,萬仁溥.采油技術(shù)手冊(下冊)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2005:1866-1869．

[17]Hammerlindl D J.Movement forces and stresses associated with combination tubing strings sealed in packers[J].JPT, 1977,29(1):195-208.

[18]賴楓鵬,李治平,曲建麟.考慮井溫變化的高壓氣井井筒壓力預測方法[J].新疆石油地質(zhì)，2010，31（6）：641-643．

[19]Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment [S].API 2011:SPEC 6A,20th.

[20]羅輝,文軍紅，李川,等.高壓氣井井口控制柜遠程關(guān)斷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].機床與液壓,2012,40(7):117-119,148．

The high inclination of the gas injection wells in Xinggu buried hill,the super length of gas injection pipe string,the function of gas injection pipe string and the safety requirement of gas injection system are considered in the design of the gas injection pipe string.Therefore the tubing of Φ89mm、P110-13Cr is recommended as the gas injection pipe,equipped with SSV,SCSSV,horizontal well packer and other tools,which can adapt to the alternating stress and erosion produced by gas injection.This kind of gas injection pipe string is favorable to the workover operation in later period and the prevention of wellhead accidents.The technology can reduce the safety risk of the high pressure gas injection wells near the city,improve the management level of gas flooding production and operation in buried hill areas,and it has wide application prospect.

buried hill;gas injection well;completion string;alternating stress;erosion;safety control

左學敏

2017-04-08

賀夢琦（1984-），男，工程師，主要從事稀油、天然氣及地下儲氣庫、非烴類氣驅(qū)及化學驅(qū)等方面的井工程研究工作。