韓 成，魏安超，黃凱文，羅 鳴，張 超

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

南海鶯瓊盆地是世界三大高溫高壓地區(qū)之一，中深部?jī)?chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜，具有高溫、高壓、高CO2含量等特點(diǎn)[1]。超高溫高壓氣井測(cè)試管柱難以同時(shí)滿足測(cè)試功能要求及測(cè)試安全要求；高密度測(cè)試液高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間靜置極易發(fā)生沉降，封隔器解封困難[2]；同時(shí)，由于高密度測(cè)試液易受CO2污染變稠，導(dǎo)致射孔失效及APR測(cè)試工具開(kāi)關(guān)困難，超高溫高壓氣井測(cè)試對(duì)高密度測(cè)試液沉降穩(wěn)定性及抗CO2性能提出了極高的要求；超高溫高壓氣井測(cè)試工況復(fù)雜，管柱及封隔器井下載荷大[3-5]，且高溫高壓條件下管柱伸縮量難以確定，管柱密封性難以保障[6-9]。這些都給鶯瓊盆地高溫高壓氣井測(cè)試作業(yè)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。通過(guò)多年的技術(shù)研究與測(cè)試作業(yè)實(shí)踐，形成了海上超高溫高壓氣井測(cè)試技術(shù)，并在鶯瓊盆地3口超高溫高壓氣井測(cè)試作業(yè)中成功進(jìn)行了應(yīng)用，為海上超高溫高壓氣井安全測(cè)試提供了技術(shù)支持。

1 超高溫高壓氣井測(cè)試技術(shù)對(duì)策

1.1 測(cè)試管柱整體設(shè)計(jì)

超高溫高壓氣井測(cè)試作業(yè)在滿足測(cè)試工藝安全及基本地質(zhì)要求的前提下，應(yīng)最大程度地簡(jiǎn)化測(cè)試管柱的結(jié)構(gòu)[10-11]。為降低管柱泄露及封隔器被卡的風(fēng)險(xiǎn)，海上高溫高壓測(cè)試多選擇插入式封隔器，但管柱密封性檢驗(yàn)與管柱插入之間存在矛盾。同時(shí)，常規(guī)APR-N測(cè)試閥打開(kāi)需要環(huán)空保持一定壓力，但高溫高壓氣井測(cè)試期間伴隨地層流體帶來(lái)的溫度效應(yīng)對(duì)環(huán)空壓力影響明顯，易造成APR-N測(cè)試閥突然關(guān)閉；另一方面，APR-N測(cè)試閥易由于長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)井，無(wú)法響應(yīng)環(huán)空壓力變化而導(dǎo)致無(wú)法關(guān)井[12-13]。為解決上述難題，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐摸索，海上超高溫高壓氣井測(cè)試主體管柱設(shè)計(jì)為高壓流動(dòng)頭+2個(gè)RD循環(huán)閥(有球)+選擇性測(cè)試閥+RD旁通試壓閥+永久性封隔器插入密封+射孔槍(圖1)。由圖1可知，該測(cè)試管柱適用于插入式封隔器，在雙RD循環(huán)閥下面設(shè)置一個(gè)選擇性測(cè)試閥，可安全有效地實(shí)現(xiàn)超高溫高壓氣井井下測(cè)試閥的開(kāi)關(guān)操作；在選擇性測(cè)試閥下面設(shè)置2個(gè)壓力計(jì)托筒，關(guān)井時(shí)可錄取地層溫度和壓力恢復(fù)情況；測(cè)試作業(yè)結(jié)束后，雙RD循環(huán)閥設(shè)計(jì)可達(dá)到超高溫高壓井下關(guān)井及循環(huán)壓井同時(shí)進(jìn)行的目的，該測(cè)試管柱既滿足了測(cè)試工藝安全方面的要求，又能滿足測(cè)試地質(zhì)方面的要求。

1.1.1 RD旁通試壓閥

國(guó)內(nèi)外高溫高壓氣井測(cè)試一般使用插入式永久封隔器工藝，若將測(cè)試閥設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)入井，插入式密封在插入過(guò)程中將壓縮密閉空間中的測(cè)試液，影響測(cè)試管柱的正常插入；如果將測(cè)試閥設(shè)定為開(kāi)啟狀態(tài)入井，測(cè)試管柱則無(wú)法通過(guò)灌入液墊設(shè)置生產(chǎn)壓差。

超高溫高壓氣井測(cè)試試管柱在永久性封隔器插入密封上面設(shè)計(jì)一個(gè)RD旁通試壓閥，該閥主要由球閥、連桿、芯軸、破裂盒、旁通孔等組成(圖2)。入井時(shí)，上部球閥關(guān)閉，可對(duì)球閥之上的整個(gè)管柱密封性進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)，下部旁通孔開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)外連通，插入式密封短節(jié)順利插入；開(kāi)井時(shí)，通過(guò)環(huán)空壓力的作用，擊碎破裂盤(pán)，環(huán)空壓力作用于芯軸截面，并推動(dòng)芯軸上移，通過(guò)連桿，側(cè)向開(kāi)孔的球閥翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)部連通，同時(shí)，兩端密封圈上移，關(guān)閉旁通孔，實(shí)現(xiàn)測(cè)試管柱與環(huán)空的隔絕，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。RD旁通試壓閥有效地解決了管柱插入與管柱密封性檢驗(yàn)之間的矛盾。

圖1 鶯瓊盆地超高溫高壓氣井測(cè)試測(cè)試管柱設(shè)計(jì)

圖2RD旁通試壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 選擇性測(cè)試閥

使用常規(guī)測(cè)試閥進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，在開(kāi)井時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間保持一定環(huán)空壓力，測(cè)試工具長(zhǎng)時(shí)間在高溫受壓狀態(tài)下易損壞。常規(guī)測(cè)試閥球閥開(kāi)啟壓力為35 MPa，超高溫高壓井測(cè)試過(guò)程中，環(huán)空壓差極易超過(guò)開(kāi)啟壓差，球閥難以開(kāi)啟。選擇性測(cè)試閥可通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)空壓力將球閥鎖定于開(kāi)啟狀態(tài)，鎖定后則不再需要維持環(huán)空壓力，避免了測(cè)試管柱中的流體所導(dǎo)致的環(huán)空和管柱溫度上升對(duì)測(cè)試閥產(chǎn)生的影響，且開(kāi)啟壓差可達(dá)到70 MPa，更適用于高溫高壓井測(cè)試作業(yè)。

選擇性測(cè)試閥由球閥部分、動(dòng)力部分和計(jì)量部分組成，核心部件為動(dòng)力部分(圖3)。

選擇性測(cè)試閥通過(guò)施加于操作芯軸上的環(huán)空壓力來(lái)控制球閥開(kāi)關(guān)。操作芯軸同時(shí)承受環(huán)空壓力及來(lái)自于氮?dú)馐业牡獨(dú)鈮毫?。測(cè)試工具在下井過(guò)程中，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，環(huán)空液體進(jìn)入氮?dú)馐?，使操作芯軸上的氮?dú)鈮毫εc環(huán)空靜液柱壓力保持平衡，從而不觸發(fā)球閥的開(kāi)啟動(dòng)作。封隔器坐封后，由泥漿泵向環(huán)空增壓，環(huán)空壓力克服氮?dú)鈮毫?，使操作芯軸下移，帶動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)打開(kāi)。同時(shí)，選擇器中的換位鎖定裝置啟動(dòng)，在環(huán)空壓力釋放的狀況下，球閥仍一直處于打開(kāi)狀態(tài)，可在開(kāi)井狀態(tài)下無(wú)需維持環(huán)空壓力，有效避免了測(cè)試管柱中超高溫高壓流體對(duì)環(huán)空壓力的影響。測(cè)試作業(yè)結(jié)束時(shí)，向環(huán)空施加壓力，解除換位鎖定裝置鎖定作業(yè)，快速泄壓后，球閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)井下關(guān)井。

圖3選擇性測(cè)試閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 提高高密度測(cè)試液沉降穩(wěn)定性

表1 LD102-B井高密度測(cè)試液性能測(cè)量結(jié)果

1.3 封隔器受力分析及管柱伸縮量計(jì)算

1.3.1 封隔器受力分析

超高溫高壓測(cè)試需詳細(xì)分析射孔瞬間管柱及分封隔器受力情況[17-19]，避免射孔引起的瞬間沖擊力導(dǎo)致管柱破壞及封隔器失效。以鶯瓊盆地超高溫高壓氣井LD101-A井為例，使用Φ88.9 mm油管將測(cè)試-射孔聯(lián)作管柱下至射孔段(Φ177.8 mm套管)，測(cè)試液密度為2.33 g/cm3，封隔器坐封深度為4 006 m，射孔段深度為4 052～4 070 m，選用抗溫能力強(qiáng)的HNS射孔彈。編制專業(yè)軟件計(jì)算了測(cè)試油管及封隔器在射孔瞬間的受力情況。計(jì)算結(jié)果顯示，射孔瞬間封隔器以下油管承受的最大沖擊力為110 kN，封隔器所承受的最大壓差為27.0 MPa，瞬間承受的最大沖擊力為450 kN，同時(shí)，井底溫度達(dá)到194 ℃，這已經(jīng)超出常規(guī)丁腈和氫化丁腈封隔器膠筒的抗溫及抗壓極限。根據(jù)溫度及受力分析結(jié)果，決定選用新型永久性封隔器，該封隔器密封元件采用Aflas材質(zhì)，抗溫能力達(dá)到204 ℃，在井下高溫條件下承受絕對(duì)壓力達(dá)到103.4 MPa，承受最大壓差達(dá)55.0 MPa，可滿足測(cè)試要求。

1.3.2 管柱伸縮量計(jì)算

測(cè)試期間工況的變化常引起管柱溫度、環(huán)空壓力等頻繁變化，從而導(dǎo)致管柱的伸縮量頻繁變化[20]。測(cè)試管柱下端密封插管可以相對(duì)永久性封隔器自由滑動(dòng)，當(dāng)測(cè)試管柱軸向縮短時(shí)，插入密封上移，過(guò)量的變形會(huì)導(dǎo)致密封失效；當(dāng)測(cè)試管柱軸向伸長(zhǎng)時(shí)，插入密封下移，過(guò)量的變形會(huì)引起管柱與封隔器相互擠壓，造成管柱永久性變形或井下封隔器失效等事故。因此，精確計(jì)算超高溫高壓測(cè)試測(cè)試管柱在不同工況下的伸縮量十分必要。以LD101-A井為例，在詳細(xì)考慮溫度效應(yīng)、活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)及彎曲效應(yīng)的情況，精確計(jì)算了射孔、關(guān)井、開(kāi)井等工況下的管柱伸縮量(表2)。由表2可知，日產(chǎn)氣量為100×104m3/d時(shí)，管柱最大伸長(zhǎng)量為2.553 m，關(guān)井井口泄壓為0.00 MPa時(shí)，管柱最大縮短量為1.471 m。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，插入式密封筒總長(zhǎng)度為9.9 m，密封短節(jié)插入深度為7.0 m，可滿足測(cè)試過(guò)程中各工況下管柱密封。

表2 不同工況下的管柱伸縮量計(jì)算結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該系列技術(shù)在鶯瓊盆地3口超高溫高壓氣井測(cè)試作業(yè)中進(jìn)行了應(yīng)用，封隔器均采用抗高溫的永久性封隔器，測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)均為同位素校深短接 + 2個(gè)RD循環(huán)閥 + 選擇性測(cè)試閥 + 2個(gè)壓力計(jì)托筒 + RD旁通試壓閥 + 永久性封隔器插入密封 + 射孔槍，3口超高溫高壓井測(cè)試作業(yè)情況如表3所示。由表3可知，3口井井底溫度達(dá)到194 ℃，壓力系數(shù)最高達(dá)2.32，使用的測(cè)試液密度最高達(dá)2.33 g/cm3，地層產(chǎn)出氣CO2濃度最高達(dá)69%，測(cè)試液井下靜置時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)7.5 d。測(cè)試作業(yè)過(guò)程中，3口井測(cè)試液性能穩(wěn)定，封隔器均順利解封，無(wú)復(fù)雜情況發(fā)生，同時(shí)均取得了代表地層壓力、物性和產(chǎn)能的資料，圓滿完成測(cè)試任務(wù)，有力地支撐了鶯瓊盆地超高溫高壓儲(chǔ)層勘探評(píng)價(jià)工作。

表3 鶯瓊盆地3口超高溫高壓井測(cè)試作業(yè)情況

以LD101-A井為例，測(cè)試井段深度為4 052～4 070 m，前期MDT測(cè)試顯示產(chǎn)出氣CO2含量為23%。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工序如下，下入刮管鉆具，對(duì)設(shè)計(jì)封隔器坐封位置進(jìn)行清刮后，替入密度為2.33 g/cm3水基測(cè)試液；下入永久性封隔器，封隔器坐封后，調(diào)整測(cè)試液性能；組合下入測(cè)試-射孔聯(lián)作管柱；正加壓射孔，進(jìn)行開(kāi)關(guān)井測(cè)試作業(yè)。取得全部地層資料后，此時(shí)測(cè)試液已靜置5.5 d，上提管柱解封封隔器。LD101-A井壓力計(jì)垂深為4 001 m，測(cè)試期間壓力計(jì)實(shí)測(cè)溫度壓力曲線如圖4所示。由圖4可知。實(shí)測(cè)壓力計(jì)處的溫度達(dá)到191 ℃，推算測(cè)試井段溫度已達(dá)194 ℃；實(shí)測(cè)壓力計(jì)處壓力恢復(fù)最高達(dá)91.4 MPa，推算得到壓力系數(shù)為2.32。壓力計(jì)記錄的井底溫度壓力曲線清晰完整，說(shuō)明井底封隔器高溫高壓密封性良好，測(cè)試閥開(kāi)、關(guān)作業(yè)操作正常。最終該井獲得了5個(gè)油嘴的穩(wěn)定產(chǎn)能數(shù)據(jù)，錄取了井下壓力數(shù)據(jù)，取得了合格的常規(guī)油、氣樣和工業(yè)油、氣樣，求得了儲(chǔ)層原始?jí)毫?、邊界、滲透率、邊水距離和無(wú)阻流量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，測(cè)試成功。

圖4LD101-A井井下壓力計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié) 論

(1) 超高溫高壓測(cè)試技術(shù)綜合利用RD旁通試壓閥、選擇性測(cè)試閥、高密度測(cè)試液等技術(shù)有效克服了常規(guī)測(cè)試管柱設(shè)計(jì)復(fù)雜、高密度測(cè)試液易沉降、測(cè)試管柱及封隔器受力復(fù)雜、測(cè)試管柱失效風(fēng)險(xiǎn)高等難題，為海上超高溫高壓氣井的安全測(cè)試提供了技術(shù)支持。

(2) 實(shí)例應(yīng)用表明，超高溫高壓測(cè)試技術(shù)可滿足超高溫高壓井測(cè)試功能要求和測(cè)試安全要求，可成功獲取必要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

(3) 在地層資料準(zhǔn)確錄取及測(cè)試施工安全的提前下，超高溫高壓井測(cè)試技術(shù)下步還應(yīng)在測(cè)試工作制度、開(kāi)關(guān)井時(shí)間、壓井方案、儲(chǔ)層保護(hù)等方面進(jìn)一步研究。