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        四川盆地通南巴地區(qū)高壓試氣工藝技術研究及應用

        2022-11-30 05:42:42李金洪
        斷塊油氣田 2022年6期
        關鍵詞:施工

        李金洪

        (中國石化中原油田分公司采油氣工程服務中心,河南 濮陽 457001)

        0 引言

        試氣是利用一套專用的設備和方法,對井下油、氣、水層進行直接測試,并取得有關地下油、氣、水層產能、壓力、溫度和油、氣、水樣物性資料的工藝過程[1-8]。氣井試氣與油井試油目的相同,都是為了獲得生產和地質資料,判斷地質總特征和氣層有無工業(yè)開采價值,同時也為氣田開發(fā)提供重要依據[9-15]。

        常規(guī)氣井試氣工藝應取得以下試氣成果:1)直接測出地層靜壓、溫度、流壓和產氣層的生產能力,或者測出氣井井口最大關井壓力,計算地層靜壓;2)求得產氣方程式;3)求出氣井的絕對無阻流量;4)取樣分析油、氣、水的物理化學性質(此處的油是指從氣體中產生的凝析油);5)計算地層滲透率、表皮系數、井筒儲存系數、儲層性質參數、邊界性質和距離等參數,判斷氣藏儲層類型,計算單井控制儲量,為計算氣田儲量和編制開發(fā)方案提供依據,并為新區(qū)勘探指導方向[16-22];6)根據試氣結果,確定合理的生產制度。

        通南巴地區(qū)位于四川省通江縣、南江縣、巴中市區(qū)域,構造帶屬于四川盆地中生代坳陷北翼,為四川盆地第2大構造,從北東至南西依次有黑池梁、馬路背、邱家坪、新場壩、母家梁、河壩場、南陽場等7個較大高點分布。根據“十三五”資源評價,通南巴地區(qū)天然氣資源量為3 385×108m3,截至2020年底,累計探明儲量191.56×108m3,資源探明率僅為5.7%,勘探程度較低。

        1 高壓試氣工藝實施難點

        1.1 高壓試氣施工技術難點

        通南巴地區(qū)高壓試氣施工是中原油田首次涉及高壓試氣施工技術領域,無相關配套技術經驗支持。目前,試氣施工區(qū)域主要為涪陽壩構造帶馬路背構造和母家梁構造,以陸相層系的雷口坡組、須家河組、自流井組試氣為主,氣藏埋深一般在1 800~3 500 m,壓力系數達1.5~1.8,屬異常高壓氣藏。高壓施工環(huán)境使井控風險大幅增加,同時對油管、測試工具的材質和密封性也具有更高要求。

        1.2 450修井機及平臺的山地適應性

        1)設備搬遷問題。四川盆地以山地為主,山路崎嶇狹小,通南巴地區(qū)井位多處于半山腰,試氣施工采用的450修井機井架較長,山路通過性較差,搬遷難度大。同時,中原油田本部地處平原,修井機駕車司機無山地駕駛搬遷經驗。

        2)修井機及平臺適應性。試氣井井口較高,井口安裝防噴器組及倒流三通后,現(xiàn)有二層平臺高度不足,無法進行安裝,同時操作平臺也需相應升高。由于試氣井井口方井坑的存在,船形底座支撐能力不足,需對底座支撐能力進行優(yōu)化設計。

        1.3 大套管內鉆水泥塞難題

        鉆水泥塞是前期井筒處理比較常見的工序,受四川盆地施工環(huán)境和修井機載荷限制,大多采用螺桿鉆具鉆水泥塞。通南巴地區(qū)氣井多采用φ193.7 mm(壁厚12.7 mm,內徑168.3 mm)生產套管,封層方式為多段連續(xù)注水泥塞。因此,優(yōu)化管柱組合、提高鉆進速度是確保試氣工作高效進行需要解決的問題。

        1.4 鉆塞后套管內壁水泥殘環(huán)處理難題

        由于水泥塞與套管壁膠結緊密,鉆塞施工不能完全處理干凈套管內水泥塞。鉆塞后,在原水泥塞處將產生非連續(xù)性掛壁水泥環(huán),如不徹底清除,可能出現(xiàn)通井卡鉆或對后續(xù)下封隔器施工造成不良影響。

        目前,針對套管內壁水泥環(huán)的處理,最常用的是使用銑錐處理。銑錐是常見的一種修井工具,技術成熟,應用廣泛。但是在現(xiàn)場應用中,銑錐持續(xù)磨損套管壁,易造成開窗,且效率低。特別是對老井施工,其風險將進一步增大。因此,為了安全妥善解決水泥鉆塞后的水泥殘環(huán)處理問題,需要設計一種高效專用的鉆塞后擴眼工具。

        2 高壓試氣施工技術

        2.1 高壓試氣配套技術

        根據通南巴地區(qū)地質特點,以及對川東北試氣標準的優(yōu)化借鑒,經過2 a多的高壓試氣實踐,形成了一套滿足川東北高壓試氣要求的設備系統(tǒng),建立了完整的井下作業(yè)工程配套體系。

        2.1.1 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)

        鉆井液循環(huán)罐是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的主要組成部位,由多個獨立鉆井液儲罐組合形成的一套完整體系,可實現(xiàn)配漿、攪拌、加重、循環(huán)、灌漿等?,F(xiàn)場配制的鉆井液儲罐容積應大于井筒容積2倍以上,每個儲罐配備3個攪拌器,攪拌器應適用于密度小于等于2.4 g/cm3的鉆井液攪拌,有獨立的灌漿計量罐。

        通南巴地區(qū)老井生產套管普遍采用φ193.7 mm大套管,普通撬裝泵由于缸套(直徑90~100 mm)較小,施工排量無法達到要求。因此,需配套選擇大缸套鉆井液泵,如F-800型鉆井液泵,缸套(直徑100~170 mm)可調,最大承壓34.5 MPa,最大排量41.51 L/s,配有剪切安全閥,能夠在保證鉆井液穩(wěn)定循環(huán)的同時,滿足開展驗封、驗套等小型試壓工作。循環(huán)系統(tǒng)的路徑與建立以正循環(huán)為主。

        2.1.2 鉆井液固控系統(tǒng)

        正確、有效地進行固控可以降低鉆進扭矩和摩阻,減小環(huán)空抽汲的壓力波動,減少壓差卡鉆的可能性,減輕設備磨損,降低鉆井液費用。

        根據通南巴地區(qū)試氣施工要求,采用振動篩、除砂器/除泥器、低速離心機組成的三級固控(見表1),用于控制鉆井液內固相含量。

        表1 固控設備分級

        2.1.3 提升系統(tǒng)

        對前期通南巴地區(qū)多口試氣井施工資料、試氣施工標準進行分析研究,綜合考慮四川盆地地質特點,建議采用 450,550,650等修井機。

        2.1.4 放噴測試系統(tǒng)

        1)ESD控制閥。在氣井測試作業(yè)過程中,ESD系統(tǒng)可以迅速、準確地實現(xiàn)緊急情況的非自然關井,是安全放噴測試的保障。放噴流程管線結構示意見圖1。

        圖1 放噴流程管線結構示意

        2)二級節(jié)流降壓控制系統(tǒng)。為保證測試流體的穩(wěn)定性,首先要保證測試流體通過節(jié)流能夠達到臨界流動,也就是下流壓力與上流壓力的比值要大于等于0.546,還要盡量保證降壓平穩(wěn),減少壓力激動,避免生成水合物,以及要考慮一級節(jié)流管匯可兼有節(jié)流和臨時井口的作用。針對通南巴地區(qū)氣層壓力特點及預防產出氣體中含硫化氫的風險,均采用EE級70 MPa一、二級節(jié)流管匯。二級降壓模式下,每一級降壓范圍小,可保證測試流體平穩(wěn)降壓,對設備沖蝕小。此外,每一級節(jié)流溫度損耗較少,可緩解水合物產生。二級節(jié)流設計可保證在40 MPa下測試流體,通過節(jié)流后壓力控制在10 MPa以下,能夠較好地確保測試流體穩(wěn)定,保障下游設備正常工作。

        3)地面數據采集系統(tǒng)。設計配備地面數據信息化采集系統(tǒng),實時采集壓力、溫度數據,自動生成數據曲線,具有數據異常報警、數據永久保存等功能。配備視頻監(jiān)控,值班人員可在現(xiàn)場對放噴測試流程全程監(jiān)控。通過信息化及視頻監(jiān)控技術應用,強化生產安全動態(tài)監(jiān)測,有效增強井控安全管理,提升突發(fā)狀況下應急反應水平。

        4)氣液分離器。氣液分離器用于測試流體氣液分離,選型滿足100 m3/d產氣量的處理要求,采用抗酸性腐蝕材質,配套安全閥。實際設計采用臥式兩相氣液分離器,設計壓力15.6MPa,液處理量1 000 m3/d,氣體處理量250×104m3/d,滿足酸性環(huán)境使用要求。

        5)計量罐。試氣過程中,除用分離器計量油、氣、水產量外,非自噴井仍需采用儲液罐計量油、氣、水產量。

        6)燃燒筒。放噴出口使用燃燒筒起放噴緩沖作用,同時配套自動、手動點火裝置及長明火,確保見氣后第一時間點燃氣體。

        7)氣樣、水樣化驗。配備氣樣、水樣采集工具,現(xiàn)場需配制氣樣袋、高壓氣樣瓶、水樣瓶及相關簡易化驗儀器,具備檢測液體pH值、黏度、氯離子、密度及可燃性氣體、二氧化硫、硫化氫等能力。

        2.1.5 井控裝備

        1)防噴器組合。根據四川盆地陸相地層壓力特點,采用70 MPa液壓防噴器組合,即2FZ28-70液壓防噴器(自下而上全封+剪切)+FZ28-70液壓防噴器(半封)+扶正法蘭+井口循環(huán)三通。同時,配套控制對象不少于4組的液壓遠程控制臺,在正常不沖壓狀態(tài)下至少可實現(xiàn)1次開關井。

        2)內防噴工具?,F(xiàn)場配備70 MPa旋塞閥(88.9 mm EU)及 70 MPa止回閥(88.9 mmEU),旋塞閥和止回閥的個數均不少于2個。

        3)節(jié)流壓井管匯。節(jié)流壓井管匯壓力級別大于等于35 MPa,用于緊急狀態(tài)下的非自然關井。

        4)泥氣分離器。用于循環(huán)洗、壓井時對鉆井液進行脫氣,防止鉆井液受氣侵影響,使得有毒有害氣體分離燃燒,確保現(xiàn)場人員安全。

        通南巴地區(qū)高壓試氣井口采氣樹設計示意如圖2所示,防噴器組合結構示意如圖3所示。

        圖2 通南巴地區(qū)高壓試氣井口采氣樹設計示意

        圖3 通南巴地區(qū)高壓試氣井口防噴器組合結構示意

        2.2 450修井機及其附件改造

        通南巴地區(qū)氣井單井設計井深在5 000 m以上,采用550和650修井機施工更為合適。但中原油田現(xiàn)有設備序列僅有450修井機,考慮現(xiàn)階段為陸相地層試氣,實際施工井深3 500 m左右,經論證對450修井機及其附件進行改造可以滿足施工要求。因此,采用450修井機改造方案,改造方案包括3個方面。

        1)中原油田本部地處平原,而通南巴地區(qū)環(huán)境復雜。現(xiàn)有450修井機使用年限較長,動力保障可能存在不足,因此需更換450修井機的發(fā)動機,對全車進行保養(yǎng)維修。

        2)450修井機井架長,試氣井區(qū)山路崎嶇狹小,井架搬遷難度大。為解決井架搬遷難題,需將井架拆開,分批運輸,到達預定井位后再進行組裝。

        3)由于試氣井井口處于深達5 m的方井坑內,經對底座支撐能力進行計算評估,將支撐架設計為可調式,滿足2 m范圍。同時,由于井口較高,井口安裝完防噴器組及倒流三通后,原二層平臺高度不夠,因此結合實測數據優(yōu)化計算,對二層平臺及操作平臺的高度進行了改造。

        2.3 大套管水泥鉆塞技術

        1)管柱組合選配。選擇φ162 mmPDC鉆頭+φ127 mm螺桿鉆具+φ122 mm鉆鋌+管柱的組合。PDC鉆頭鉆進速度快,可以提高機械鉆速,降低成本,且使用壽命長,可減少起下鉆次數及輔助施工時間,降低勞動強度。此外,PDC鉆頭鉆井巖屑小,便于鉆井液攜帶,有利于保持井底潔凈。

        2)泵入設備。計算不同泵沖下的實際排量和摩阻,驗證泵入設備是否滿足施工需要。

        3)調整施工參數。根據螺桿鉆具基本參數調整施工參數,確保不同排量下的鉆壓處于合理范圍(不能超過螺桿鉆具允許的最大鉆壓),并根據鉆時、鉆速、泵壓監(jiān)測數據變化情況,對比優(yōu)選出最合理的參數值。

        2.4 鉆塞專用擴眼工具研制

        結合水泥環(huán)刮削應用環(huán)境,研究人員借鑒偏心鉆頭原理研制了鉆塞專用擴眼工具(偏心套銑頭)。其工作原理是,在套銑過程中,通過偏心套銑頭不規(guī)則甩動,其處理半徑將略大于本體外徑,在長井段擴眼時非持續(xù)性接觸套管壁,具有對套管壁損傷小的優(yōu)勢。鉆塞專用偏心套銑頭設計結構示意如圖4所示。

        圖4 鉆塞專用偏心套銑頭設計結構示意

        2.5 智能數據采集系統(tǒng)應用

        采用智能數據采集系統(tǒng),能夠實現(xiàn)壓力、溫度、產氣量等數據秒點記錄以及曲線自動生成、異常數據報警,為試井分析提供可靠數據,廣泛應用在射孔、壓裂、試氣求產計算中。

        3 現(xiàn)場應用

        高壓試氣工藝已在通南巴地區(qū)馬深1井、母家1井、馬1井等進行了現(xiàn)場應用,滿足施工技術要求,極大推進了通南巴地區(qū)試氣評價進度。

        以母家1井為例。該井是通南巴地區(qū)涪陽壩構造帶母家梁斷背斜的1口預探井,完鉆井深為4 447 m,采用φ168.3 mm生產套管,井內注灰井段分別為958~1 256,1 264~1 502,1 683~1 882,3 542~3 900,3 937~4 254,4 326~4 421 m,水泥塞以上鉆井液密度為1.75~2.20 g/cm3。施工中,第1試氣層段為中三疊統(tǒng)雷口坡組(2 358~2 378 m),第 2 試氣層段為須家河組(1 868~1 878 m)。

        1)鉆水泥塞施工。2019年8月21日至31日采用管柱組合(自下而上):φ162 mmPDC鉆頭+φ127 mm螺桿鉆具總成+φ88.9 mmN80EU短節(jié)+φ122 mm鉆鋌6根+φ88.9 mmN80EU油管。鉆塞進尺井段分別為950~1 503,1 675~1 888 m,累計進尺為 767 m,施工連續(xù)平穩(wěn),未見異常,超計劃周期6 d完工。

        2)擴銑施工。2019年9月2日至4日采用管柱組合(自下而上):φ165 mm鉆塞專用擴眼工具(偏心套銑頭)+φ127 mm螺桿鉆具總成+φ88.9 mmN80EU短節(jié)+φ127 mm安全接頭+φ88.9 mmN80EU油管。采用密度為1.67 g/cm3、黏度為84 mPa·s、pH值為13的鉆井液正循環(huán)鉆沖擴銑,鉆沖井段分別為948~1 505,1 675~1 889 m,累計進尺為770 m,超計劃周期4 d完工。施工中返出灰色片狀水泥碎屑,最大水泥碎屑長99 mm,寬67 mm,厚5.5 mm。在后續(xù)通井、刮削、射孔以及酸壓一體化管柱施工中,工具及槍身入井順利,擴銑效果顯著。

        4 結束語

        通南巴地區(qū)高壓試氣工藝技術的研究及應用,彌補了中原油田在高壓試氣工藝實踐方面的技術空白,形成了相關技術標準。同時,也為中原油田加快通南巴地區(qū)精確試氣評價,指導下步氣田規(guī)模化建產具有重要意義。

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