曾大乾 彭鑫嶺 付德奎 胡 杰 吳曉磊 張俊法

1. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2. 中國(guó)石化中原油田分公司

0 引言

普光氣田具有硫化氫含量高、埋藏深、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、氣水關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)[1-2]。氣田正式投入開(kāi)發(fā)后，為了準(zhǔn)確掌握氣田儲(chǔ)量動(dòng)用情況、氣井產(chǎn)能變化及邊水推進(jìn)情況等動(dòng)態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)氣田長(zhǎng)期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，開(kāi)展氣田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作非常重要[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)缺少超深高含硫氣田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)系列和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面臨諸多挑戰(zhàn)：①超深、高含硫氣井對(duì)測(cè)試裝置的動(dòng)、靜態(tài)密封系統(tǒng)要求高，安全控制難度大；②缺乏滿足高含硫氣井工況的測(cè)試儀器、監(jiān)測(cè)技術(shù)及監(jiān)測(cè)資料解釋方法；③缺乏指導(dǎo)高含硫氣田開(kāi)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程。為此，在普光高含硫氣田，針對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外高含硫氣田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)備研制、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了產(chǎn)氣剖面測(cè)井、井下取樣與流體相態(tài)特征分析、水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與產(chǎn)水層位識(shí)別、氣井產(chǎn)能測(cè)試與評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)安全控制等5項(xiàng)適用于超深、高含硫氣田的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，并制訂了相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以支撐普光氣田的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。由于取全取準(zhǔn)了開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)資料，制訂出科學(xué)合理的增產(chǎn)、增儲(chǔ)措施，對(duì)實(shí)現(xiàn)氣田的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)起到了重要的作用。

1 超深、高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井技術(shù)

針對(duì)普光氣田高含硫、多層合采及產(chǎn)氣井段長(zhǎng)的特點(diǎn)[5-9]，研制了耐高溫、高壓的高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器，研發(fā)了高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井解釋軟件，形成了超深、高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井技術(shù)。

1.1 高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器

為了研制耐溫175 ℃、耐壓105 MPa的高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器（圖1），開(kāi)展了以下3個(gè)方面的攻關(guān)：①基于高含硫氣井工況特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定鈦合金TC4、鎳合金Inconel 718等6種金屬材料作為測(cè)井儀器的主體金屬材料，格林威德Chemraz 526、氧化鋁陶瓷、PEEK等非金屬材料作為測(cè)井儀器的非金屬密封件及探頭材料；②研制了“全金屬結(jié)構(gòu)整體葉輪＋過(guò)總線一體化接頭”連續(xù)流量計(jì)以攻克高溫、高含硫條件下葉輪材質(zhì)硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的技術(shù)瓶頸，全井眼流量轉(zhuǎn)子總成采用“緊定螺釘＋保護(hù)套”設(shè)計(jì)，解決了轉(zhuǎn)子在高含硫氣井中易損壞的技術(shù)難題；③創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高抗硫井下儀器密封方式，外密封采用Inconel 625材料的C型圈，內(nèi)密封采用全氟醚的雙O型圈，解決了儀器長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓、高含硫工況條件下的氣侵問(wèn)題，然后通過(guò)“一體化封裝＋注硅油隔離”組合動(dòng)密封方式，對(duì)連續(xù)流量計(jì)的核心部件——磁芯與軸承進(jìn)行鍍膜與注油保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了在高溫高壓環(huán)境中的動(dòng)態(tài)密封。高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器在普光高含硫氣井施工的一次成功率達(dá)100%。

圖1 高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器照片

1.2 高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井解釋技術(shù)

在常規(guī)多參數(shù)產(chǎn)氣剖面解釋模型的基礎(chǔ)上，對(duì)液相表觀速度的計(jì)算增加了考慮硫析出影響的校正系數(shù)。另外，由于普光氣田的氣井具有較長(zhǎng)的測(cè)試井段，其上、下部會(huì)有較大的溫度差和壓力差，對(duì)溫度、壓力也進(jìn)行了校正。在此基礎(chǔ)上，編制了高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井解釋軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)氣剖面測(cè)井資料的精確解釋。在普光氣田，已完成了43井次的產(chǎn)氣剖面測(cè)井，測(cè)試成功率達(dá)100%，為摸清儲(chǔ)層縱向動(dòng)用情況，制訂氣井的增產(chǎn)措施提供了科學(xué)的依據(jù)。

2 井下取樣及流體相態(tài)特征分析技術(shù)

針對(duì)超深、高含硫氣井井下工況特點(diǎn)，研制了高抗硫井下保壓取樣器，在普光氣田已完成了7井次的井下定點(diǎn)保壓取樣，取樣成功率和樣品合格率均達(dá)100%。

2.1 高抗硫井下保壓取樣器

自主設(shè)計(jì)并研制的國(guó)內(nèi)首套高抗硫井下保壓取樣器，耐溫150 ℃，耐壓70 MPa。取樣器由取樣室、氮?dú)馐壹翱刂剖?部分構(gòu)成（圖2），在取樣室完成精準(zhǔn)取樣，氮?dú)馐覍?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)保壓，控制室實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開(kāi)啟。取樣器外徑為38 mm，長(zhǎng)度為4.6 m，取樣體積為600 mL，重量為15 kg。

圖2 高抗硫井下保壓取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了與硫化氫接觸的零件采用耐高溫、耐高壓、高抗硫的鈦合金TC4，其化學(xué)組成如表1所示。

2.2 流體相態(tài)變化規(guī)律及硫沉積規(guī)律

在普光高含硫氣田，利用研制的取樣器，進(jìn)行了井下取樣，開(kāi)展了露點(diǎn)壓力測(cè)定、單次閃蒸、恒質(zhì)膨脹和熱膨脹等實(shí)驗(yàn)，研究了高含硫氣體的相態(tài)特征；通過(guò)開(kāi)展硫溶解度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究硫溶解度變化規(guī)律，明確影響硫溶解度的敏感性因素。

相態(tài)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：隨著H2S含量增加，高含硫氣體混合物的臨界點(diǎn)偏向相圖右上方，且對(duì)應(yīng)溫度最高接近0 ℃，即在氣藏的開(kāi)采過(guò)程中不會(huì)有液相析出；高含硫氣體的偏差系數(shù)、體積系數(shù)及壓縮系數(shù)都較常規(guī)氣體的對(duì)應(yīng)參數(shù)低，且H2S含量越高數(shù)值越低，如圖3所示，H2S含量越高，氣體偏差系數(shù)的曲線位置越靠下，反之則靠上。

表1 鈦合金TC4化學(xué)組成表

圖3 氣體偏差系數(shù)與壓力的關(guān)系曲線圖

硫溶解度室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在同一溫度下，隨著壓力降低，地層中多硫化物不斷分解成硫化氫和單質(zhì)硫，天然氣中單質(zhì)硫析出，硫溶解度降低；在同一壓力下，溫度越低，硫溶解度越低（圖4）；碳原子數(shù)越低，硫溶解度越低（圖5）。壓力、溫度、H2S含量和碳原子數(shù)是影響硫溶解度的主要因素。

通過(guò)計(jì)算得到氣井在不同產(chǎn)氣量下井筒壓力、溫度的分布，結(jié)合井筒中硫溶解度和臨界懸浮流速的分布（圖6），確定出：在普光氣田，當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆抵?9.5 MPa時(shí)地層中有單質(zhì)硫析出，氣井產(chǎn)氣量高于20×104m3/d時(shí)井筒中不會(huì)產(chǎn)生硫沉積。

圖4 不同溫度下硫溶解度與壓力的關(guān)系曲線圖

圖5 不同烴類組分下硫溶解度與溫度的關(guān)系曲線圖

3 水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及產(chǎn)水層位識(shí)別技術(shù)

圖6 普光氣田氣井硫沉積診斷曲線圖

由于普光氣田存在邊水，且裂縫局部發(fā)育，氣藏易受到水侵影響[10]。為此，建立了水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣井出水時(shí)間，然后通過(guò)優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度以控制水侵速度，延長(zhǎng)氣井的無(wú)水采氣期。同時(shí)，應(yīng)用氣井水侵層位識(shí)別技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別出水層位，及時(shí)采取堵水措施，使氣井產(chǎn)能得到迅速恢復(fù)。

3.1 凝析水液氣比及水質(zhì)Stiff圖識(shí)別氣井水侵狀況

依據(jù)普光氣田地層壓力、溫度和流體取樣分析數(shù)據(jù)，建立了地層壓力、溫度、NaCl含量等參數(shù)與凝析水液氣比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，以確定不同地層壓力下的凝析水液氣比，即

其中

式中Rwgr表示凝析水液氣比，m3/104m3；A表示擬合系數(shù)，無(wú)量綱；T表示氣藏溫度，℃；B表示擬合系數(shù)，無(wú)量綱；fsc表示含鹽量校正系數(shù)，無(wú)量綱；pR表示地層壓力，MPa；σ表示產(chǎn)出水中NaCl含量。

根據(jù)氣井凝析水液氣比及水質(zhì)Stiff圖（以下簡(jiǎn)稱Stiff圖），識(shí)別氣井水侵狀況。由Stiff圖可以看出，當(dāng)沒(méi)有發(fā)生水侵時(shí)，Stiff圖呈“柱狀”（圖7-a）；當(dāng)發(fā)生水侵時(shí)，Stiff圖由“柱狀”變?yōu)椤皞銧睢保▓D7-b）。若水侵加強(qiáng)，則“傘面”加寬。

3.2 水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型

基于物質(zhì)平衡法建立了水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出水體平面推進(jìn)距離和水體上升高度，結(jié)合氣井射孔層段找到有出水跡象的氣井，及時(shí)進(jìn)行工作制度的調(diào)整以控制水侵速度。在普光氣田應(yīng)用該模型進(jìn)行了水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，從而對(duì)氣藏邊部氣井的工作制度進(jìn)行及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整，使氣井無(wú)水采氣期延長(zhǎng)4～24個(gè)月。

3.3 氣井產(chǎn)水層位識(shí)別技術(shù)

圖7 普光氣田主體區(qū)2口氣井水質(zhì)Stiff圖

應(yīng)用氣井產(chǎn)水層位識(shí)別技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別出普光氣田P103-1井、P103-4井、P104-1井及P105-2井等4口氣井的產(chǎn)水層位，與各井的產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，產(chǎn)水層位一致。在此基礎(chǔ)上，及時(shí)制訂并實(shí)施治水復(fù)產(chǎn)方案，取得了良好效果。

P103-1井在識(shí)別出產(chǎn)水層位后，通過(guò)實(shí)施堵水方案，氣井日產(chǎn)氣量恢復(fù)到20×104m3，日產(chǎn)水量下降305.1 m3，日節(jié)約水處理成本8.24萬(wàn)元，截至2018年7月，累產(chǎn)氣量已增加1.441 5×108m3，至生產(chǎn)末期，該井累產(chǎn)氣量預(yù)計(jì)可增加3.2×108m3。

4 氣井產(chǎn)能測(cè)試及評(píng)價(jià)技術(shù)

集成 “井下永置式壓力計(jì)＋繩纜輸送＋井口變流量”測(cè)試技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了氣井產(chǎn)能測(cè)試全覆蓋。建立了考慮硫化氫濃度變化的井底壓力計(jì)算模型和考慮地層硫析出傷害的試井解釋模型，以保證氣井產(chǎn)能的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，為配產(chǎn)的及時(shí)優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)。

根據(jù)氣井不同的特點(diǎn)，采用針對(duì)性的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)能測(cè)試。分別在氣藏構(gòu)造高、低部位選擇有代表性的直井（P3011-5井、P104-1井），下入永置式壓力計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣井全生命周期壓力和溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)；繩纜輸送測(cè)試則適用于中、小斜度（井斜角小于60°）氣井，采用“伽馬＋磁定位＋溫度＋壓力”組合，準(zhǔn)確錄取井下壓力、溫度和流體分布等資料；井口變流量測(cè)試可應(yīng)用于無(wú)法開(kāi)展井下測(cè)試的氣井，如大斜度井、水平井，完井管柱復(fù)雜的直井等。

高含硫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中硫化氫濃度不斷升高[14]，由此建立了基于硫化氫濃度變化的井底壓力計(jì)算模型以提高井底壓力計(jì)算的精度。隨著地層壓力下降，硫熔點(diǎn)逐漸降低，硫以液態(tài)形式析出[15]，氣相占用的孔隙空間減少，通過(guò)建立考慮硫析出傷害的試井解釋模型，可求取不同時(shí)間的氣相滲透率。在此基礎(chǔ)上，對(duì)普光氣田氣井的產(chǎn)能變化進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)優(yōu)化、調(diào)整單井配產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣田的合理高效開(kāi)發(fā)。

5 開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)安全控制技術(shù)

設(shè)計(jì)了繩纜式超高壓氣密封多級(jí)防泄漏控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)氣密封壓力達(dá)50 MPa，同時(shí)研發(fā)了防噴裝置余氣處置工藝[16]，實(shí)現(xiàn)了普光氣田143井次的測(cè)試作業(yè)“零泄漏、零污染”。

5.1 超高壓氣密封多級(jí)防泄漏控制系統(tǒng)

針對(duì)鋼絲由于盤根磨損導(dǎo)致封壓效果變差的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了“盤根密封＋注脂流管＋內(nèi)嵌式防噴塞”三級(jí)防泄漏控制系統(tǒng)；針對(duì)高含硫氣井電纜測(cè)試的防泄漏難題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“雙注入端口＋雙注脂橇＋多流管”動(dòng)態(tài)密封防泄漏控制系統(tǒng)。兩套防泄漏控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)氣密封壓力均達(dá)到50 MPa，確保了普光氣田超深、高含硫氣井測(cè)試的防泄漏控制。

5.2 防噴裝置余氣處置工藝

設(shè)計(jì)了防噴裝置“快速泄壓＋余氣置換”余氣處置工藝（圖8），研發(fā)了硫化氫余氣置換液，實(shí)現(xiàn)了高含硫氣井測(cè)試后防噴裝置內(nèi)高壓余氣的快速無(wú)害化處理，確保有毒殘留余氣“零泄漏”。

圖8 普光氣田高含硫氣井防噴裝置余氣處置工藝圖

6 應(yīng)用效果

1）通過(guò)預(yù)測(cè)氣藏邊部氣井見(jiàn)水時(shí)間，及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度，使氣井無(wú)水采氣期延長(zhǎng)4～24個(gè)月。

2）準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)水氣井的出水層位，制訂并實(shí)施堵水措施，大幅降低氣井產(chǎn)水量，恢復(fù)氣井產(chǎn)能，延長(zhǎng)了氣井生產(chǎn)期。根據(jù)P103-1井、P103-4井、P104-1井及P105-2井等4口氣井的測(cè)試結(jié)果，找到了出水層位，通過(guò)在P103-1井、P105-2井等2口氣井實(shí)施堵水作業(yè)，使氣井恢復(fù)了正常生產(chǎn)，預(yù)計(jì)堵水后氣井可延長(zhǎng)1～2年的無(wú)水采氣期，生產(chǎn)時(shí)間可延長(zhǎng)3.75年，單井平均累產(chǎn)氣量可增加2.45×108m3，合計(jì)累產(chǎn)氣量可增加9.8×108m3。

3）準(zhǔn)確掌握氣井產(chǎn)出狀況，制訂并實(shí)施針對(duì)性增產(chǎn)增儲(chǔ)措施，取得顯著效果。根據(jù)P201-2井產(chǎn)氣剖面測(cè)井解釋結(jié)果，提出了“井筒沖洗解堵＋酸壓”措施，措施實(shí)施后，在相同油壓條件下日產(chǎn)氣量由40×104m3提高到80×104m3，目前累計(jì)采氣量已增加3.2×108m3。截至2018年5月，已實(shí)施井筒解堵15井次，重復(fù)酸壓2井次，使氣井產(chǎn)能增加253×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量増加9.2×108m3。

4）落實(shí)了氣藏不同層系儲(chǔ)量動(dòng)用狀況及未動(dòng)用儲(chǔ)量分布，提出針對(duì)性調(diào)整方案，大幅提高了氣田儲(chǔ)量動(dòng)用程度。其中飛三段由于物性差且井網(wǎng)控制程度低，導(dǎo)致儲(chǔ)量動(dòng)用程度低；長(zhǎng)興組由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，且部分氣井井筒堵塞，導(dǎo)致儲(chǔ)量動(dòng)用程度低。通過(guò)在飛三段部署6口新井，在長(zhǎng)興組安排10口過(guò)油管深穿透射孔措施井，預(yù)計(jì)可動(dòng)用儲(chǔ)量將增加251.7×108m3，穩(wěn)產(chǎn)期延長(zhǎng)3年，預(yù)測(cè)期末采出程度提高6.3%。

7 結(jié)論

1）所研制的高抗硫產(chǎn)氣剖面測(cè)井儀器耐溫175℃、耐壓105 MPa，結(jié)合高含硫氣井產(chǎn)氣剖面測(cè)井解釋軟件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氣剖面測(cè)井資料的精確解釋，在普光氣田完成了43井次的產(chǎn)氣剖面測(cè)井，成功率達(dá)100%。

2）研制的高抗硫井下保壓取樣器耐溫150 ℃、耐壓70 MPa，在普光氣田完成了7井次的井下保壓取樣，成功率達(dá)100%。

3）普光氣田地層壓力下降至29.5 MPa時(shí)有單質(zhì)硫析出，氣井產(chǎn)氣量高于20×104m3/d時(shí)不會(huì)產(chǎn)生硫沉積。

4）應(yīng)用水侵動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣井出水時(shí)間，通過(guò)優(yōu)化、調(diào)整氣井工作制度以控制水侵速度，延長(zhǎng)氣井的無(wú)水采氣期。

5）應(yīng)用氣井產(chǎn)水層位識(shí)別技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別了4口氣井的產(chǎn)水層位，且與各井的產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果一致。

6）集成“井下永置式壓力計(jì)＋繩纜輸送＋井口變流量”測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣井產(chǎn)能測(cè)試全覆蓋，同時(shí)建立了基于硫化氫濃度動(dòng)態(tài)變化的井底壓力計(jì)算模型和考慮地層硫析出傷害的試井解釋模型以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣井產(chǎn)能。

7）設(shè)計(jì)了繩纜式超高壓氣密封多級(jí)防泄漏控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)氣密封壓力達(dá)50 MPa，同時(shí)研發(fā)了防噴裝置余氣處置工藝，實(shí)現(xiàn)了普光氣田143井次的測(cè)試作業(yè)“零泄漏、零污染”。