摘要：普光氣田由于高含硫化氫和二氧化碳，對(duì)采氣工藝提出了更高要求。從氣田投產(chǎn)方式、材質(zhì)的選擇、井口裝置、管柱結(jié)構(gòu)以及防腐措施等方面對(duì)該氣田的采氣工藝技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，提出了高含硫氣田的投產(chǎn)作業(yè)方式，即：酸壓(酸化壓裂)生產(chǎn)一體化方式，酸化生產(chǎn)一體化方式和射孔后直接投產(chǎn)方式。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，氣井生產(chǎn)管柱優(yōu)選了G3或同等級(jí)的高鎳基合金鋼材料，井下工具選擇718高鎳基合金鋼材料；氣井井口裝置優(yōu)選抗硫材質(zhì)，并配置井下安全閥和井口安全閥；氣井采用生產(chǎn)封隔器永久完井管柱。該技術(shù)思路對(duì)國(guó)內(nèi)酸性氣田的開發(fā)具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：普光氣田；采氣；油管；硫化氫；井口裝置；優(yōu)選

    普光氣田由于流體中富含H₂S，如不采取合適的防腐措施，將會(huì)影響氣井生產(chǎn)壽命，引發(fā)氣體泄漏，造成管柱斷裂等，其安全生產(chǎn)隱患大^[1]。目前，國(guó)內(nèi)尚沒有成功的同類氣藏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)^[2]。

    在氣田開發(fā)中，常用的投產(chǎn)方式有簡(jiǎn)單投產(chǎn)方式和聯(lián)作投產(chǎn)方式^[3]。普光氣田試采資料表明，酸壓改造(酸化壓裂)可以有效解除地層污染，恢復(fù)或提高氣井產(chǎn)能，所以大部分井在投產(chǎn)前進(jìn)行酸壓儲(chǔ)層改造；施工壓井會(huì)對(duì)地層造成嚴(yán)重污染，酸壓后壓井甚至能引發(fā)井漏，所以投產(chǎn)方式應(yīng)盡量避免壓井施工，特別是酸壓后壓井；因此，考慮普光氣田為高壓、高含硫氣田，為有效控制井噴造成的有毒氣體泄漏，提高生產(chǎn)的安全性，投產(chǎn)方式應(yīng)盡量采取起下作業(yè)次數(shù)少的聯(lián)作方式。研究認(rèn)為，對(duì)于產(chǎn)能需要酸壓恢復(fù)的氣井，采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式；對(duì)于采用篩管完井的水平井，應(yīng)采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式；對(duì)于高產(chǎn)井可考慮射孔后直接投產(chǎn)方式。

    通過對(duì)各種投產(chǎn)方式研究結(jié)果，普光氣田的生產(chǎn)管柱均采用為酸壓生產(chǎn)一體化完井管柱。因此管柱設(shè)計(jì)除考慮滿足長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的需要，還應(yīng)充分考慮酸壓施工對(duì)井下管柱的影響^[1，4]。①普光氣田為高壓高含硫氣藏，為預(yù)防井噴失控、保證氣井在緊急狀況下安全可靠關(guān)閉，管柱應(yīng)配套抗H₂S、CO₂腐蝕的井下安全閥，并在上下應(yīng)用流動(dòng)短節(jié)，以防止由于安全閥通徑變化引發(fā)的沖蝕問題。②為保護(hù)套管免遭H₂S、CO₂的腐蝕和承受較高的壓力，管柱應(yīng)配套密封性、抗腐蝕性能好、耐高壓、高溫的永久性封器。封隔器下部設(shè)計(jì)使用坐落短節(jié)，作為坐封封隔器、管柱試壓、不壓井作業(yè)，壓力監(jiān)測(cè)等備用。③為便于封隔器坐封后頂替環(huán)空或油管中的鉆、完井液，反排酸液，或在緊急情況下進(jìn)行循環(huán)壓井，管柱應(yīng)在封隔器上部配套滑套。④管柱最下部提供了剪切球座，底部為引鞋設(shè)計(jì)，使得過油管繩纜作業(yè)順利，剪切后的球及球座落入井底。⑤伸縮節(jié)用以補(bǔ)償油管因溫度和壓力變化引起的管柱伸長(zhǎng)或收縮，可使封隔器處于最低的拉力或推力范圍。該工具的特點(diǎn)決定此處是引起管柱漏失的薄弱點(diǎn)，使用應(yīng)盡可能謹(jǐn)慎。經(jīng)過管柱受力計(jì)算，證明在酸壓、生產(chǎn)、封隔器座封等狀況下，管柱均在安全受力范圍內(nèi)，所以管柱不配套伸縮節(jié)。⑥其他井下工具如井下壓力、溫度測(cè)試系統(tǒng)、井下加藥設(shè)備等，可根據(jù)生產(chǎn)需要優(yōu)化、配套。

設(shè)計(jì)后的管柱結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，油管用合金鋼防腐管，井下工具能滿足抗硫化氫腐蝕需要，耐溫150℃，耐壓70MPa，油管絲扣為金屬氣密封VAM TOP。圖1-a是不帶加藥閥和井下壓力計(jì)的生產(chǎn)管柱，一般在斜井和產(chǎn)量較高的井中使用；圖1-b是采用毛細(xì)管組成的能加注溶硫劑的生產(chǎn)管柱，在產(chǎn)量較低易產(chǎn)生硫沉積的氣井中使用；圖1-c是可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底溫度和壓力的生產(chǎn)管柱，在井下又安裝了壓力、溫度傳感器，一般只在直井中采用。

 

    普光氣田井口各部件必須滿足API 6A 19^th和NACE MR 0175標(biāo)準(zhǔn)的抗H₂S、抗CO₂要求，且具備遠(yuǎn)程控制功能。由于地層破裂壓力高，考慮到酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)，采氣井口裝置壓力等級(jí)選用70、105MPa。普光氣田采氣樹采用雙翼雙閥十字井口，材料級(jí)別為HH級(jí)，內(nèi)襯625鎳基合金，在主通徑上安裝1個(gè)安全閥，生產(chǎn)翼和油管頭一側(cè)翼裝儀表法蘭，生產(chǎn)翼上安裝籠套式節(jié)流閥。采用井口和井下兩級(jí)安全閥控制系統(tǒng)，可對(duì)異常壓力、著火、氣體泄露、下游事故信號(hào)實(shí)現(xiàn)井口緊急關(guān)斷。地面安全控制系統(tǒng)(ESD)能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)平臺(tái)的單井關(guān)斷和所有氣井的同時(shí)關(guān)斷，并根據(jù)關(guān)斷邏輯設(shè)置關(guān)斷地面安全閥(SSV)或(和)井下安全閥(SCSSV)。ESD與SCADA系統(tǒng)相連，采氣樹溫度壓力、油管頭側(cè)溫度壓力、輸送管線壓力、地面安全閥SSV的閥位、易熔塞壓力等信號(hào)可遠(yuǎn)傳至站控系統(tǒng)SCS。ESD根據(jù)站控系統(tǒng)SCS指令關(guān)斷井上安全閥SSV和井下安全閥SCSSV。控制系統(tǒng)關(guān)斷后，開啟安全閥必須是現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)復(fù)位。安全閥的開啟順序?yàn)橄乳_井下安全閥，后開地面安全閥。

    高含硫氣井生產(chǎn)管柱的選材，除了滿足強(qiáng)度要求條件下，還應(yīng)根據(jù)H₂S、CO₂的分壓和地層溫度來選擇。根據(jù)管材選用流程及分析圖(圖2)，結(jié)合普光氣田主體流體性質(zhì)和生產(chǎn)條件，管材需要采用含鉻20%以上、鎳40%以上、鉬3%以上的高鎳基合金鋼材料，硬度(HRC)小于40。

 

    通過室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)高抗硫鋼和高鎳基合金鋼耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

    注：加速實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3%NaCl+0.5%HAc+飽和H₂S和CO₂，不加速實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3%NaCl+飽和H₂S和CO₂，1psi=6.89476MPa。

材料	應(yīng)力開裂實(shí)驗(yàn)				單質(zhì)硫環(huán)境下腐蝕實(shí)驗(yàn)
	屈服強(qiáng)度(MPa)	洛氏硬度	時(shí)間(d)	應(yīng)力開裂	腐蝕速率(mm/a)
SM2535	868	32	42	無	0.035
INCONEL 718	827	30	42	無	0.031
INCOLOY 825	952	30	42	無	0.028
INCOLOY 925	786	38	42	無	0.028
INCOLOYG3	920	33	120	無	0.014
C-276	1342	43.5	15	無	0.005

    由表1數(shù)據(jù)可看出，高抗硫鋼在不加速和加速實(shí)驗(yàn)條件下，平均腐蝕速率為0.22～5.99mm/a，是部頒標(biāo)準(zhǔn)的2.9～78.8倍，腐蝕十分嚴(yán)重。從室內(nèi)腐蝕速率的角度來看，在井下溫度80℃時(shí)，流體對(duì)套管腐蝕最嚴(yán)重，而且高抗硫鋼管不能滿足普光氣田生產(chǎn)需要。另外，表1顯示國(guó)外高抗硫管材耐硫化物應(yīng)力腐蝕破裂性能比國(guó)內(nèi)高抗硫管材穩(wěn)定，臨界應(yīng)力值高，在120℃時(shí)的全浸腐蝕速率小于國(guó)內(nèi)高抗硫鋼。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩種高抗硫管材的耐硫化物應(yīng)力腐蝕破裂臨界應(yīng)力值均低于110×10³psi屈服強(qiáng)度的性能指標(biāo)。全浸腐蝕試驗(yàn)以后，氣、液相試件表面均有腐蝕斑跡，說明實(shí)驗(yàn)過程中試樣已經(jīng)產(chǎn)生了腐蝕。并且兩種高抗硫鋼的腐蝕速率均大大超過了部頒標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕十分嚴(yán)重。綜合考慮全浸腐蝕速率實(shí)驗(yàn)及應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種高抗硫鋼管均不能滿足普光氣田生產(chǎn)需要。

    從表2可看出，在15%NaCl+H₂S(1.38MPa)+CO₂(0.69MPa)+S(1g/L)、溫度232℃的實(shí)驗(yàn)

條件下，SM2535、718、825、925在42d內(nèi)均未發(fā)生應(yīng)力開裂；C276在15d內(nèi)未發(fā)生應(yīng)力開裂，G3在120d內(nèi)未發(fā)生應(yīng)力開裂。SM2535、825、925、718、G3、C276在15%NaCl+H ₂S(1.38MPa)+C0₂(0.69MPa)+S(1g/L)、溫度232℃的實(shí)驗(yàn)條件下，腐蝕速率很小，均低于部頒標(biāo)準(zhǔn)。其中G3和C276的耐腐蝕性能更好。

    根據(jù)管材選擇依據(jù)和高鎳基合金鋼材料的室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合考慮普光氣田生產(chǎn)管柱選擇G3或同等級(jí)的高鎳基合金鋼材料，根據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)，所選管材的HRC需小于40。井下工具應(yīng)選擇718高鎳基合金鋼材料。

    為了防止環(huán)空腐蝕，環(huán)空流體中加注緩蝕劑，使其在管壁上形成一層保護(hù)膜。緩蝕劑對(duì)應(yīng)用環(huán)境的選擇要求很高，針對(duì)性很強(qiáng)。隨著溫度、壓力、流速等的改變，應(yīng)選用不同的緩蝕劑。緩蝕劑的選擇，除了考慮系統(tǒng)中介質(zhì)的組分、運(yùn)行參數(shù)及可能發(fā)生的腐蝕類型，還要了解緩蝕劑的緩蝕性能與處理介質(zhì)及其他添加劑的兼容性等。

    普光氣田采用井下封隔器來防護(hù)油管外壁和套管內(nèi)壁環(huán)形空間的腐蝕，封隔器將油管與套管環(huán)空密封，阻止來自氣層的含H₂S酸性天然氣及地層水進(jìn)入。

    普光氣田開發(fā)推薦采用高鎳基合金鋼防腐方案，材質(zhì)為G3。由于封隔器下入位置在產(chǎn)層以上50～100m處，為了使封隔器可靠坐封，高鎳基合金鋼材質(zhì)套管應(yīng)至少在產(chǎn)層200m處。

    1) 對(duì)普光高含硫碳酸鹽巖氣藏采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式。

    2) 普光氣田氣井采用生產(chǎn)封隔器永久完井管柱，管柱結(jié)構(gòu)在滿足工藝要求的前提下應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。油管選用G3材質(zhì)，井下工具選用Inc718材質(zhì)，油管絲扣為VAM TOP扣。

    3) 普光氣田氣井HH級(jí)采氣井口裝置，并配置井下安全閥和(或)井口安全閥，以便在緊急情況下實(shí)現(xiàn)安全關(guān)井。

    4) 在完井作業(yè)中，采用封隔器完井，避免含硫天然氣接觸上部套管內(nèi)壁和油管外壁，在環(huán)空保護(hù)液中加入緩蝕劑等綜合措施減少腐蝕，延長(zhǎng)氣井壽命。

[1] 陳中一.四川含硫氣井完井工藝技術(shù)探討[J].天然氣工業(yè)，1996，16(4)：43-45.

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[3] 王寧.川東北高含硫氣井完井修井工藝技術(shù)探討[J].鉆采工藝，2003，26(增刊)：75-79.

[4] 尹叢彬，熊繼有，石孝志，等.羅家寨高含硫氣田水平井酸化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向分析[J].天然氣工業(yè)，2005，25(10)：55-57.

 

(本文作者：張慶生^1，2 吳曉東¹ 魏風(fēng)玲² 史曉貞² 宋建虎³ 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院；2.中國(guó)石化中原油田采油工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石化中原油田采油二廠)