高含硫氣田井底落魚井安全生產技術探討

梁馨月 梁紅嬌 王彥鵬 曾順鵬 高強

(1.中石油中原油田普光分公司采氣廠，四川 達州 636156;2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331;3.中石油川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司定向井公司，陜西 榆林 718500)

普光氣田具有高溫、高壓、高含硫等特點，其開發(fā)井存在腐蝕嚴重、易噴易漏、安全風險高等生產難題。有部分作業(yè)井在完井過程中，由于操作失誤導致作業(yè)工具掉入井下而形成井底落魚。落魚打撈成本高，難度大，滯留井底易產生腐蝕顆粒。腐蝕顆粒脫離落魚本體后，在高速氣流帶動下被攜帶至地面，可在途經的生產流程中造成沖蝕或堵塞，損壞設備，嚴重的甚至導致硫化氫泄漏并停產。

PG-1井為普光主體的一口開發(fā)井，完鉆井深6 016.00 m，日產液4.07 m3/d。2009年3月30日在該井射孔完成后上提射孔管柱時遇卡，在洗井、倒扣及對扣震擊打撈無效的情況下，保留口袋，下入完井工具，形成井底落魚(材質為TP110SS)。落魚魚頂深度達5 508.83 m，總長 301.58 m，落魚基本覆蓋整個生產井段。落魚在井底高溫(135℃)、高壓(55 MPa)、含殘余作業(yè)液和酸氣的條件下，與大量H2S、CO2、Cl-等腐蝕成分發(fā)生反應，生成 Fe2O3·(H2O)x、FeSx、Fe2CO3等腐蝕顆粒，顆粒大小不均勻。如果氣流速度較大，腐蝕顆粒將會被帶出地面，沖蝕生產流程;如果氣流速度過低，又會造成井筒積液和硫堵［1］。針對以上現象，為了維持氣井的安全生產，本次研究擬建立臨界沖蝕流量、臨界攜硫顆粒流量及臨界攜液流量模型，優(yōu)化氣井產量，探討可行的安全生產配套工藝。

1 落魚腐蝕特征分析

井下落魚在生產中受多種腐蝕因素的影響，主要影響因素包括H2S/CO2分壓、礦化度、溫度、單質硫、氣體流速等，腐蝕機理復雜。

1.1 井底腐蝕特征

(1)H2S與CO2分壓的影響。PG-1井中，pH2S=7.0，pCO2/pH2S=0.56。根據碳鋼腐蝕規(guī)律，屬于H2S腐蝕，腐蝕產物致密，顆粒小且不易脫離本體。

(2)礦化度的影響。隨著生產的持續(xù)進行，殘酸反排導致Cl-濃度逐漸降低，腐蝕速度先升后降，當氯離子濃度為50 000 mg/L時電化學腐蝕性最強，但不會發(fā)生應力開裂及氫致開裂。

(3)溫度的影響。根據該井生產環(huán)境分析，氣井開井初期溫度變化不大(井底溫度135℃)，高于腐蝕開裂最低限值，不會發(fā)生應力開裂［2］，溫度對落魚腐蝕程度的影響不大。

(4)單質硫的影響。單質硫的腐蝕速度大于氫原子滲入金屬內部形成氫鼓泡的速度，在大量單質硫存在的條件下，碳鋼材料來不及形成裂紋源即被快速腐蝕掉［1］。因此，單質硫的存在極大地增加了碳鋼的腐蝕速率，主要腐蝕形式仍然為電化學腐蝕。

在井下復雜環(huán)境中，PG-1井落魚腐蝕主要表現為電化學腐蝕引起的腐蝕失重;同時，在生產過程中，氣體流速對落魚腐蝕速度的影響更加突出。

1.2 氣體流速的影響

氣體流速的大小對落魚的腐蝕速度影響很大，也很復雜。流速與腐蝕速度的關系如圖1所示，圖中vc為臨界流速。若流體流速大于臨界流速，流體會攜帶走附著在基體上的腐蝕產物，對生產設備造成沖蝕損壞;反之，若流體流速小于臨界流速vc，則流體則很難帶走附著在落魚上的腐蝕產物［3］。因此，在臨界流速以下計算得到合理的流速，可以減緩落魚腐蝕速度，并防止腐蝕物沖蝕設備。

圖1 流速與腐蝕的關系示意圖

2 氣井產能優(yōu)化措施

為了防止氣井落魚腐蝕產物被攜帶至地面，對生產流程造成損害，同時也為了滿足氣井的配產要求，需要對氣井產量進行優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化原則

首先，氣體流速不能過大，以防止落魚產生的腐蝕物對生產流程造成沖蝕;其次，流速不能過小，以避免高含硫氣藏在開采過程中存在的硫顆粒不能被攜帶出井口而導致的井筒內硫沉積;最后，流速必須滿足氣井的攜液需求，防止井筒積液。

2.2 優(yōu)化步驟

(1)計算臨界沖蝕流量。當氣井產氣量大于沖蝕流量時，落魚腐蝕產生的腐蝕顆粒會對管柱產生沖蝕力，沖蝕速度通過式(1)計算［4］:

式中:vs—臨界沖蝕流速，m/s;

ρm— 氣固混合物密度，kg/m3。

鑒于高含硫氣井生產為連續(xù)過程，則c取100，沖蝕流量公式為:

式中:ρm— 氣固混合物密度，kg/m3;

Qcs—高含硫氣井臨界沖蝕流量，104m3/d;

A—生產管柱橫截面積，m2;

p—管柱內流動壓力，MPa;

Z—氣體壓縮系數;

T— 氣體溫度，K。

計算出，該井臨界沖蝕流量為32.15×104m3/d，因此配產應小于32.15×104m3/d。

(2)計算臨界攜硫顆粒流量。為了避免硫沉積堵塞氣體流動通道，應保證配產大于臨界攜硫顆粒流量。根據氣-固兩相流動理論［5-6］，可得到氣體攜帶硫顆粒臨界流量計算模型:

式中:vp—臨界攜硫顆粒流速，m/s;

Qp—高含硫氣井臨界攜硫顆粒流量，104m3/d;

ds— 硫顆粒直徑，m;

ρs— 硫顆粒密度，kg/m3;

ρg— 天然氣密度，kg/m3;

Cd—阻力系數。

計算該井臨界攜硫顆粒流量為15.216×104m3/d，配產應該大于15.216×104m3/d。

(3)計算臨界攜液流量。該井日產液4.07 m3/d，為了確保氣井能夠正常攜液生產，防止井筒積液現象的發(fā)生，氣井配產氣量應高于臨界攜液流量。目前，常用Turner公式計算氣井的臨界攜液流量［7］:

式中:Qcτ— 臨界攜液流量，104m3/d;

vcτ— 臨界攜液流速，m/s;

σ—氣液表面張力，N/m;

ρl— 液體密度，kg/m3。

該井臨界攜液流量為11.38×104m3/d，配產應大于11.38 ×104m3/d。

綜合分析，井底落魚氣井配產應大于氣井臨界攜液量及臨界攜硫顆粒流量，小于臨界沖蝕流量，PG-1井配產為30×104m3/d。

3 安全生產配套工藝及現場應用

為了降低落魚腐蝕顆粒對生產流程的沖蝕力，控制可能產生的設備損壞、氣體泄漏等風險，需要對生產工藝流程進行改進。

(1)加裝采氣樹備用測試閥門。若井下落魚產生的腐蝕殘渣被氣流攜帶至采氣樹測試閥門，氣流方向有可能發(fā)生90°角變動，沖蝕測試閥門而導致井口氣體泄漏。為了避免此類情況發(fā)生，應在原采氣樹測試閥門之上再加裝備用測試閥門。

(2)增加井口分離器。投產之前，在井口集氣流程中增加分離器。當井下氣流經過采氣樹節(jié)流后進入分酸分離器，分離出液體及固體雜質之后再進入下一級集氣處理工藝程序。

(3)安裝套管壓井泄壓裝置。為了保證發(fā)生井筒沖蝕損害時可以立刻實施壓井或放噴，在該井安裝套管壓井泄壓裝置。

PG-1井于2011年5月23日投產，日產氣量為30×104m3/d，到目前累計產氣量已過億方。氣井套管壓力和油套取樣數據顯示正常，氣井油套密封性較好。氣井產出液總鐵含量穩(wěn)定在正常值4 mg/L左右，未出現總鐵含量異常放大的現象。取液樣時，在液樣中未發(fā)現腐蝕殘渣，井底落魚腐蝕狀況穩(wěn)定，采氣樹壁厚檢測未見異常，氣井沖蝕情況正常可控。

4 結語

針對高含硫氣田井底落魚現象，本次研究建立起臨界沖蝕流量、臨界攜硫顆粒流量以及臨界攜液流量模型，對氣井產量進行優(yōu)化，探討可行的安全生產配套工藝。認為落魚腐蝕主要表現為電化學腐蝕引起的腐蝕失重，氣體流速對腐蝕速率的影響也很大。井底落魚井配產應大于氣井臨界攜液量及臨界攜硫顆粒流量，小于臨界沖蝕流量，PG-1井配產30×104m3/d比較合理。

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