賀秋云

(中國石油集團川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院)

近年來，中國石油天然氣集團有限公司(以下簡稱“中石油”)依托國家、集團公司相關(guān)專項，緊跟前沿技術(shù)，加大瓶頸技術(shù)攻關(guān)，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套高溫高壓試油測試裝備，支撐了中石油川渝氣田、塔里木油田的油氣增儲上產(chǎn)。隨著中石油塔里木3 000×104t油氣當量產(chǎn)能、西南油氣田300×108m3天然氣產(chǎn)能建設(shè)等部署的快速推進，7 000 m、8 000 m的勘探開發(fā)井越來越多。與此同時，國家安全環(huán)保要求越來越嚴苛。這些挑戰(zhàn)對高溫高壓試油測裝備的研發(fā)提出了更高的要求。

一、高溫高壓試油測試裝備的現(xiàn)狀

試油測試的裝備主要分為地面測試設(shè)備和井下測工具。地面測試設(shè)備包括：控壓的閥門管匯、油氣井水分離處理的裝備和油氣水計量系統(tǒng)等。井下測試工具主要包括封隔器和各種井下開關(guān)閥等。

1.高壓防硫地面測試裝備成套，替代井口，滿足作業(yè)需求

通過科研工作者的努力，中石油研制形成了成套的高壓防硫試油地面測試裝備，在技術(shù)指標、自動化水平、功能上完全可以替代進口，近5年來中石油各個作業(yè)單位已不再成套引進國外的地面測試設(shè)備。開發(fā)配套的地面測試設(shè)備在中石油塔里木、西南油氣田氣田高壓含硫油田推廣應(yīng)用，并進入雪佛龍、殼牌等在中國的反承包市場進行服務(wù)作業(yè)。川慶鉆探公司還將成套高壓防硫地面測試裝備出口到了土庫曼斯坦國家天然氣公司。

裝備系列化。研制了70 MPa、105 MPa、140 MPa系列的成套地面測試裝備，工作壓力140 MPa是目前國際上地面測試裝備的最高壓力等級，140 MPa的旋流除砂器等重要裝備達到了國外同類領(lǐng)先技術(shù)水平。140 MPa地面測試流程設(shè)備支撐了中石油塔里木油田庫車前陸構(gòu)造、西南油氣田川西構(gòu)造上的超高壓深井試油測試作業(yè)。

防硫性能。地面測試設(shè)備的耐H2S腐蝕性能主要取決橡膠密封件和金屬材料。地面測試設(shè)備的工作溫度不高，普遍低于100℃且靜密封工作多，橡膠密封件耐H2S性能實現(xiàn)難度不大。地面測試設(shè)備的抗硫性能主要取決設(shè)備金屬材料抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂破壞能力。中石油川渝氣田等單位多年對酸性腐蝕介質(zhì)下各種金屬材料的耐腐蝕性能研究積累了豐富的成果，從材料的選擇到熱處理工藝形成了技術(shù)規(guī)范性。針對不同功能模塊制定了低碳合金鋼、低碳鋼、高強度鋼等金屬材料的選擇標準。研制的防硫地面測試設(shè)備在四川的羅家寨、龍王廟、塔里木油田的中古等高含硫油田得到了普遍應(yīng)用，經(jīng)受了嚴苛的考驗，最高作業(yè)井H2S含量得到了57×104mg/L。

含硫油氣井試油測試時井筒內(nèi)排出的地層水和增產(chǎn)改造后的返排液往往含有H2S、泡沫、殘酸。如果直接排放，液體中的H2S會不斷在四周飄散危及現(xiàn)場作業(yè)人員和附近居民的安全，殘酸中的泡沫會在天空中形成酸雨然后降落在周圍的農(nóng)作物上，污染農(nóng)田，長期以來是現(xiàn)場試油作業(yè)所面臨的非常棘手的環(huán)保問題。中石油川慶鉆探公司開發(fā)了含硫氣井試油測試排出液自動實時除硫系統(tǒng)，通過自動加注裝置在地面測試流程液體流動管線內(nèi)加入液體的除硫劑、pH中和劑、消泡劑，除去其中含的H2S、殘酸、泡沫等，整個系統(tǒng)可以自動檢測處理后的H2S濃度和pH值，并能將采集的H2S和pH值實時反饋到系統(tǒng)計算機控制單元自動調(diào)處理劑的加入量，處理后液體中硫化氫濃度小于15 mg/L，滿足現(xiàn)場安全環(huán)保需要。

自動化水平。操控自動化程度主要體現(xiàn)在對壓力、流量控制的精準度和超壓等緊急情況下的安全保護機構(gòu)。研制的地面測試裝備中分離器壓力、流量控制配套了高精度的FISH、KAMRY系列控制系統(tǒng)，配套了高級孔板閥氣體流量計、高精度電子式液體流量計，性能達到了行業(yè)內(nèi)國際通用的標準和技術(shù)水平。壓力容、壓力元件超壓保護采用國際通行技術(shù)標準配套了緊急關(guān)斷系統(tǒng)ESD,由高低壓導(dǎo)閥、控制站、報警系統(tǒng)等組成，當?shù)孛鏈y試流程的壓力元件或壓力容器意外超壓或者爆裂時系統(tǒng)自動響應(yīng)，并在幾秒鐘短的時間內(nèi)截斷進入測試流程的流體，隔斷壓力源，達到保護壓力容器(元件)。中石油川慶鉆探公司研制了以油嘴管匯等高壓區(qū)設(shè)備為核心的自動遠程操作系統(tǒng)，通過計算機操作設(shè)備閥門的開關(guān)、對節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)精確控制，操作過程中通過傳感器采集的壓力和控制系統(tǒng)之間的信號自動響應(yīng)、自動聯(lián)動，實現(xiàn)閉環(huán)的自動控制，為施工安全提供了保障。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS主要有計算機、軟件、傳感器等組成，用于地面壓力、溫度、流量等測試資料錄取。整個系統(tǒng)已完全實現(xiàn)了自主開發(fā)，與國外的系統(tǒng)比功能更豐富、更先進。系統(tǒng)由過去的有線傳輸方式升級為無線傳輸，可以根據(jù)需求隨時擴展采集通道，除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道外，擴展了在線H2S實時檢測、出砂量監(jiān)測、分離器液面實時監(jiān)測等。軟件界面更友好實用，一套系統(tǒng)在多口井同時施工時可分別顯示各口井錄取的測試資料。DAS系統(tǒng)借助油田建立的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可將現(xiàn)場的錄取數(shù)據(jù)直接傳到后方專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場試油測試作業(yè)的專家實時支持。

技術(shù)標準。執(zhí)行的技術(shù)標準的水平直接影響了研制裝備的質(zhì)量控制水平和國際行業(yè)內(nèi)的認可度，是裝備參與國際試油測試技術(shù)服務(wù)競爭的主要技術(shù)指標之一。過去在裝備研制過程中往往更重視功能需求的滿足，而忽視執(zhí)行的技術(shù)標準的先進性、國際性，導(dǎo)致了一段時間在國內(nèi)一些作業(yè)風(fēng)險挑戰(zhàn)大的高壓深井作業(yè)和反承包項目中，自主研發(fā)的裝備不被接受，只能引進使用EXPRO、HALLIBUTON等國外公司的測試裝備。近年來在地面測試裝備研制的過程中研究人員從設(shè)計、制造以及投入使用后的定期檢測等全過程引入了行業(yè)國內(nèi)外先進的技術(shù)規(guī)范和標準，嚴格依照行業(yè)內(nèi)國際通行的技術(shù)標準。分離器、熱交換等壓力容器設(shè)計、制造中，全面引入了ASME設(shè)計標準和制造全過程的質(zhì)量控制審核標準，防硫標準執(zhí)行NACE-MR0175，壓力元件引入API 6A、ANSI 等設(shè)計和制造標準。裝備制造中引入DNV、BV等第三方檢測機構(gòu)對全過程進行監(jiān)造，設(shè)備投入運行后定期采用第三方BV、DNV等機構(gòu)對使用中的腐蝕、結(jié)構(gòu)件的安全載荷等進行檢測評估。先進的技術(shù)標準規(guī)范保障了研制裝備的質(zhì)量和技術(shù)的先進性。

2.井下測試工具研制取得顯著成果，打破了完全依賴進口的局面

試油測試井下工具在井筒內(nèi)工作，面臨高溫、高壓的作業(yè)環(huán)境，加之工作的空間非常受限，研制工作一直面臨很大的挑戰(zhàn)。通過不懈攻關(guān)，近年中石油的試油測試井下工具研制取得了突破，打破了測試工具完全依賴進口的局面，部分測試工具性能達到國際先進水平。

研制了工作溫度177℃、工作壓差70 MPa系列成套全通徑壓控式測試工具，部分工具工作溫度達200℃、工作壓差達105 MPa。工具外徑?79 mm、?98 mm、?127 mm,適用于目前中石油?114.3 mm～?339.7 mm尺寸的所有常規(guī)和非標套管井試油測試作業(yè)。系列指標達到了國際先進水平，研制的大通徑?45 mm、?57 mm的壓控式井下循環(huán)閥和安全循環(huán)閥的靜壓工作值超過了國外同類的產(chǎn)品。

研制了試油完井一體化井下工具。中石油川慶鉆探等單位研制了用于試油測試、儲層封堵、生產(chǎn)投產(chǎn)一體化的井下工具。工作溫度177℃、工作壓差70 MPa、適應(yīng)酸性工作環(huán)境、適應(yīng)套管?127 mm～?177.8 mm，在中石油西南油氣田高石梯-磨溪構(gòu)造龍王廟、燈影組儲層的試油測試作業(yè)中進行了應(yīng)用，取得了顯著的效果[2]。

研制的工作溫度177℃、工作壓差70 MPa的高酸性環(huán)境下工作的投產(chǎn)完井工具已在中石油西南油氣田投入了現(xiàn)場應(yīng)用，打破了過去高酸性氣井投產(chǎn)完井工具完全依賴貝克、哈里伯頓公司產(chǎn)品的情況。

井下測試數(shù)據(jù)實時采集傳輸系統(tǒng)取得突破。針對傳統(tǒng)試油測試技術(shù)的瓶頸，逐步發(fā)展出鋼絲電纜測試技術(shù)、跨測試閥直讀技術(shù)、全井無線直讀技術(shù)，而全井無線直讀技術(shù)以全程實時數(shù)據(jù)讀取、無縫融入試油測試作業(yè)過程的技術(shù)優(yōu)勢，成為未來試油測試井下資料獲取的技術(shù)發(fā)展方向，是目前試油測試的前沿技術(shù)[3]。中石油相關(guān)單位都在積極進行本系統(tǒng)的研究，川慶鉆探公司研發(fā)的CQ-SRO-Ⅰ全井無線地面直讀系統(tǒng)，實現(xiàn)了5 000 m井深的井下測試數(shù)據(jù)無線傳輸。中石油渤海鉆探公司研制了井下光纖監(jiān)測系統(tǒng)，將光纜下入儲層下部，實時錄取井下溫度、壓力等信息，系統(tǒng)工作壓力140 MPa。

建成了210 MPa/200℃高溫高壓井下測試工具試驗平臺。試驗平臺最大工作溫度200℃、最大工作靜壓210 MPa、最大工作壓差105 MPa，可對井下測試工具進行動態(tài)和靜態(tài)的功能模擬試驗，為高溫高壓井下測試工具自主開發(fā)和工具可靠性評價提供了手段，綜合指標達到國際先進水平。

二、下步裝備研制的方向

1.面臨的挑戰(zhàn)

(1)井越來越深，溫度越來越高。中石油所屬的塔里木庫車前陸盆地是典型的超深超高溫高壓氣田(“十二五”期間最大井深8 038 m、最高地層溫度183℃、最高地層壓力136 MPa)。川渝氣田深井不僅是超深超高壓高溫井，而且是典型的高含硫的井，普遍含H2S且H2S分壓高(“十二五”期間最大井深7 793 m、最大地層溫度175℃、最高地層壓力147 MPa)。大慶油田的松遼盆地火山巖地層地溫梯度達到4℃/100 m、5 000 m的井地層溫度200℃左右[4]。華北油田渤海灣盆地5 000～6 000 m的井地層溫度180℃～195℃，南堡3-80井測試井段5 681～5 712 m、井溫達到了204℃[5]。

(2)與國外公司相比存在技術(shù)差距。中石油開發(fā)了成套的地面測試裝備，在工作壓力級別、地面測試集中化、智能化控制化水平等，已經(jīng)處于國際技術(shù)先進水平。但井下測試裝備與國外公司相比在技術(shù)指標上存在差距，主要體現(xiàn)在工作溫度和工作壓差等關(guān)鍵技術(shù)指標上。國外已經(jīng)達到230℃，部分公司已經(jīng)開始研制260℃井下工具。在井下測試數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方面盡管取得了大的技術(shù)進展，但要大面積的工業(yè)化應(yīng)用還是需要進一步的深化研究。

(3)環(huán)保要求越來越嚴苛。國家的環(huán)保政策越來越嚴。從2018年1月開始征收環(huán)境保護稅，試油測試期間井筒內(nèi)排出油、氣、水等流體的環(huán)保處理裝備，成為亟待解決的技術(shù)問題。

2.下步研制方向

2.1 井下測試工具

井下測試工具研制立足技術(shù)指標和自動化水平的提升。第一研制超高溫高壓井下測試工具，工作溫度200℃及以上、工作壓差105 MPa，包括封隔器、橋塞等的研制；第二是井下測試數(shù)據(jù)無線實時直讀系統(tǒng)，重點提升系統(tǒng)的傳輸距離到7 000 m以上，數(shù)據(jù)傳輸速率提高；第三是研制遙控操作的電動井下工具，將傳統(tǒng)機械操作變?yōu)檫b控操作。

2.2 地面測試裝備

立足綠色環(huán)保，重點研制試油測試期間井筒產(chǎn)出的流體(油、氣、水)的無害化處理裝備。包括：天然氣密閉燃燒器制、返排液不落地回收裝置、現(xiàn)場小型化大處理量天然氣脫硫裝置、天然氣回收裝置等。

三、結(jié)論和建議

中石油高溫高壓試油測試裝備研制已取得了豐碩的成果。地面測試裝備研制實現(xiàn)了成套化、系列化，完全替代了國外進口裝備。高溫高壓井下測試工具打破了全部依賴進口的局面，部分工具的工作溫度等技術(shù)指標存在短板，建議重點加強超高溫高壓差封隔器等技術(shù)指標瓶頸的測試工具研制。試油測試井下數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)研制緊跟國際技術(shù)前沿，需從傳輸速率等方面深化研究，實現(xiàn)工業(yè)化推廣。

[1]汪海閣，葛云華，石林，等.深井超深深井鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和“十三五”發(fā)展方向.天然氣工業(yè)，2017,(4)：1-8.

[2]劉飛，賀秋云，肖軍，等.井下測試數(shù)據(jù)地面直讀技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.鉆采工藝,2013,36(4):48-51

[3]孫海芳，劉飛，王志敏.高溫高壓井試油完井一體化工藝技術(shù).鉆采工藝,2017,40(4):36-39.

[4]孫浩.大慶油田深井抗高溫鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用.中國石油與化工標準與質(zhì)量,2014,24(6):99-99.

[5]朱禮斌，王元龍，賈文義，等.高溫高壓測試工具研制與應(yīng)用.油氣井測試,2014(6):64-65.