含硫氣井環(huán)空異常帶壓安全生產(chǎn)技術(shù)研究及應(yīng)用

蘇 鏢李 珍曾 誠(chéng)

（1.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 四川 德陽(yáng) 618000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000；3.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646001）

0 引言

從國(guó)內(nèi)外氣井開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，油套環(huán)空帶壓現(xiàn)象極具普遍性，特別近年在國(guó)內(nèi)多個(gè)氣田開(kāi)發(fā)中，油套環(huán)空起壓井比例均在50%以上。對(duì)于高含硫氣田，由于H2S的腐蝕性及劇毒性，一旦油套環(huán)空帶壓后，井控、氣井安全面臨巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)含硫氣井多種環(huán)空帶壓方式進(jìn)行治理技術(shù)研究，形成含硫氣井環(huán)空異常帶壓治理技術(shù)，可以保證氣井運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，為同類(lèi)含硫氣井生產(chǎn)期間的安全控制提供經(jīng)驗(yàn)。

1 異常帶壓的風(fēng)險(xiǎn)判斷

1.1 環(huán)空帶壓的分類(lèi)

含硫氣井完井投產(chǎn)管柱中的“井下安全閥＋油管＋永久式封隔器”，以及“尾管套管＋固井水泥環(huán)”構(gòu)成了生產(chǎn)氣井的一級(jí)安全屏障。一旦以上安全屏障的可靠性不能保證，需要對(duì)其處理，維護(hù)二級(jí)安全屏障的可靠性，即“生產(chǎn)套管＋固井水泥環(huán)＋套管頭＋采氣樹(shù)”，實(shí)現(xiàn)氣井的安全可控。特別在含有腐蝕性氣體的生產(chǎn)井中，二級(jí)安全屏障的維護(hù)至關(guān)重要。

環(huán)空帶壓從井身結(jié)構(gòu)可分油套環(huán)空帶壓（A環(huán)空）、其他環(huán)空帶壓（B環(huán)空）。環(huán)空帶壓可分為正常帶壓和異常帶壓［1-2］（表1）。正常帶壓由于物理因素或者溶解氣引起，經(jīng)過(guò)泄壓／壓恢曲線(xiàn)、取樣方式綜合判斷，通過(guò)泄壓進(jìn)行處理，在不超過(guò)最大環(huán)空允許壓力的情況下，不影響氣井的正常生產(chǎn)。異常帶壓一般由于井筒某一道屏障的失效引起。又由其危害性，可以分為含硫化氫和不含硫化氫兩種情況。完井工程主要關(guān)注A環(huán)空帶壓且含有硫化氫的情況，因?yàn)樗奈：π院惋L(fēng)險(xiǎn)性更大，處理難度和成本也更大。

表1 環(huán)空帶壓來(lái)源辨識(shí)表

1.2 含硫氣井環(huán)空異常帶壓風(fēng)險(xiǎn)的判斷

1.2.1 B-B test診斷流程

根據(jù)多口井的作業(yè)總結(jié)，元壩氣田對(duì)環(huán)空帶壓診斷流程進(jìn)行了優(yōu)化。及時(shí)進(jìn)行環(huán)空流體成分分析：環(huán)空卸壓流體不含硫化氫，在允許環(huán)空帶壓的最大壓力值的安全范圍內(nèi)，不進(jìn)行處置。泄壓時(shí)環(huán)空壓力控制：控制環(huán)空壓力，禁止泄壓到0，避免造成環(huán)空吸入氧氣加劇腐蝕。推薦先將環(huán)空壓力降低到10 MPa以下，后關(guān)閉環(huán)空后觀察24 h，避免“疏通”滲漏通道［3］。

1.2.2 B-B test風(fēng)險(xiǎn)診斷

泄壓流程安裝針型閥，用于控制卸壓。根據(jù)壓力—時(shí)間曲線(xiàn)變化趨勢(shì)判別是“物理效應(yīng)”引起的環(huán)空帶壓還是泄漏及鄰近環(huán)空的壓力反竄：① 如果壓力“卸不掉”，說(shuō)明油套環(huán)空有較大的泄漏點(diǎn)，如圖1a所示。② 如果緩慢卸壓，壓力不降低或降低十分緩慢，或者泄壓后，連續(xù)升壓，與油管建立平衡，或者油壓和套壓有明顯聯(lián)動(dòng)性，說(shuō)明是較大滲漏引起的環(huán)空帶壓，如圖1b所示。③ 如果在一周內(nèi)壓力有回升，且十分緩慢，并穩(wěn)定在某一允許值，說(shuō)明在油管或封隔器有微小滲漏，如圖1c所示。④如果24 h內(nèi)壓力沒(méi)有回升，考慮為井筒“物理效應(yīng)”，即由于受到井筒溫度、壓力、產(chǎn)量的影響導(dǎo)致環(huán)空帶壓，如圖1d所示。

圖1 放壓-壓恢曲線(xiàn)判斷圖

2 含硫氣井環(huán)空安全控制配備方案

含硫氣井由于其高風(fēng)險(xiǎn)，在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)提前配備相應(yīng)方案及設(shè)備，確保氣井的安全生產(chǎn)。

2.1 環(huán)空液面監(jiān)測(cè)

對(duì)于環(huán)空異常帶壓氣井，環(huán)空液面檢測(cè)探測(cè)氣液界面，通過(guò)油套壓力平衡計(jì)算，有助于漏點(diǎn)位置的準(zhǔn)確計(jì)算。同時(shí)，通過(guò)對(duì)液面的測(cè)量，能夠更直觀地判斷環(huán)空泄露形式。測(cè)試原理為采用氣體瞬間壓差產(chǎn)生聲源、高精度微音器監(jiān)測(cè)液面反射波，最后對(duì)液面波形曲線(xiàn)進(jìn)行降噪濾波處理及解釋得到液面深度。在對(duì)YB1-1H井（元壩氣田的一口裸眼水平井）進(jìn)行環(huán)空保護(hù)液液面深度測(cè)試中，根據(jù)測(cè)試時(shí)套壓8.98 MPa、環(huán)空氣體相對(duì)密度0.598 0、井口溫度60.26℃，計(jì)算可得環(huán)空聲速為451.13 m／s，再根據(jù)液面波形開(kāi)始反射時(shí)間約為3.55 s，計(jì)算可得液面深度約為806 m。后通過(guò)加注環(huán)空保護(hù)液后的環(huán)空壓力變化，判斷液面深度基本符合。

2.2 最大環(huán)空壓力控制

最大環(huán)空壓力控制需要根據(jù)生產(chǎn)期間油套壓的變化［4］以及生產(chǎn)時(shí)間和地層流體對(duì)井口和油管腐蝕速率的預(yù)測(cè)進(jìn)行調(diào)整。API.RP90規(guī)范對(duì)最大允許環(huán)空壓力確定為：

式中，pSCP為井口允許最大帶壓值，MPa；Pbcur為待評(píng)價(jià)環(huán)空套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Pcout為上一層（外面）套管的抗擠強(qiáng)度，MPa；Pcin為下一層（里面）套管的抗擠強(qiáng)度，MPa。

規(guī)范中的最大環(huán)空壓力值未考慮管串的沖蝕、腐蝕、磨損、封隔器耐壓差等影響，若存在磨損、腐蝕時(shí)，則需要通過(guò)剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)來(lái)確定合理的MAWOP值，因此需對(duì)API.RP90規(guī)范MAWOP值進(jìn)行修正。

根據(jù)元壩含硫氣井井身結(jié)構(gòu)及流體腐蝕速率，修正后的A環(huán)空MAWOP值確定如下：

式中，pmouth為井口額定工作壓力，MPa；ppipeline為生產(chǎn)油管抗外擠強(qiáng)度，MPa；ppacker為考慮封隔器耐壓差環(huán)空允許最大壓力，MPa；α為剩余強(qiáng)度系數(shù)；p耐壓差為封隔器耐壓差，MPa；p流壓為封隔器位置處油管流壓，MPa；p環(huán)空液柱壓力為環(huán)空液柱壓力，MPa。

2.3 地面泄壓／回注流程設(shè)計(jì)

整個(gè)流程具備泄壓、長(zhǎng)明火、加注、放噴點(diǎn)火功能（圖2）。另外，設(shè)計(jì)中主要考慮以下因素：①鑒于油套竄壓有含硫化氫的可能性，采用抗H2S腐蝕材質(zhì)，井口至泄壓管匯臺(tái)防硫級(jí)別為EE級(jí)，整個(gè)流程考慮抗硫性能，以確保整個(gè)泄壓流程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。② 采用從采氣樹(shù)非生產(chǎn)翼端接出各級(jí)壓力，經(jīng)過(guò)泄壓管匯臺(tái)、針閥節(jié)流后至燃燒筒燃燒。為保證套管放噴氣安全燃燒，在燃燒筒附近設(shè)置有長(zhǎng)明燈，并且每次完成泄壓放空后，用燃料氣進(jìn)行吹掃。③ 泄壓／回注管匯臺(tái)應(yīng)考慮最大關(guān)井壓力和地面采氣樹(shù)型號(hào)等因素。以元壩海相為例，考慮其井口最大關(guān)井壓力不超過(guò)52 MPa、地層溫度為148℃左右以及產(chǎn)量40×104m3／d等因素，采用70 MPa、EE級(jí)、PSL2、PR1、P.U.的撬裝式管匯臺(tái)，同時(shí)配備測(cè)溫測(cè)壓套，主體采用法蘭／絲扣連接。

圖2 泄壓／回注流程示意圖

2.4 腐蝕掛片檢測(cè)

在理論分析的基礎(chǔ)上采用腐蝕掛片檢測(cè)，是一種直觀有效的監(jiān)控方式。YB1-1H井在環(huán)空帶壓后，通過(guò)腐蝕掛片檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)估腐蝕速率（表2），經(jīng)檢測(cè)表明該井得到有效控制，可以長(zhǎng)期安全生產(chǎn)。

表2 腐蝕掛片檢測(cè)情況表

3 油套環(huán)空異常帶壓治理方案研究及應(yīng)用

3.1 環(huán)空保護(hù)液加注

對(duì)于微滲氣井，通過(guò)環(huán)空加注環(huán)空保護(hù)液進(jìn)行腐蝕控制，確保長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)安全。通過(guò)腐蝕機(jī)理研究及實(shí)驗(yàn)表明：pH值不高于6時(shí)，硫化物應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重；pH值為6～9時(shí)，硫化物應(yīng)力腐蝕敏感性開(kāi)始顯著下降，但達(dá)到斷裂的時(shí)間仍然很短；pH值高于9時(shí)，很少發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕破壞［5］。

通過(guò)腐蝕試驗(yàn)，即使在被污染的環(huán)空保護(hù)液中，套管的腐蝕速率比氣田產(chǎn)出環(huán)境要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠滿(mǎn)足較長(zhǎng)時(shí)間的安全生產(chǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表3），模擬元壩氣田生產(chǎn)環(huán)境，在動(dòng)態(tài)條件下（掛片在高溫高壓釜的中部，此時(shí)元素硫的狀態(tài)為溶解在其中），160℃時(shí)腐蝕速率為5.469 mm／a，140℃時(shí)腐蝕速率為6.982 mm／a。在被污染的環(huán)空保護(hù)液環(huán)境中，110SS材質(zhì)高腐蝕速率可達(dá)0.2166 mm／a，但比氣田產(chǎn)出環(huán)境要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 污染的環(huán)空保護(hù)液中（模擬）110SS材質(zhì)腐蝕評(píng)價(jià)表

3.2 井口密封不嚴(yán)治理

3.2.1 難點(diǎn)分析

如果出現(xiàn)油管懸掛器密封失效導(dǎo)致油套壓聯(lián)通，或者采氣樹(shù)1號(hào)主閥失效、采氣樹(shù)需要更換1號(hào)主閥或采氣樹(shù)整體作業(yè)，該種情況施工復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)大。常規(guī)采氣樹(shù)更換作業(yè)需要進(jìn)行壓井。壓井作業(yè)不僅時(shí)間長(zhǎng)、耗資大，而且作業(yè)后容易造成地層污染，導(dǎo)致氣井減產(chǎn)、停產(chǎn)。

針對(duì)含硫高壓氣井，帶壓更換采氣樹(shù)不僅要確保堵塞滿(mǎn)足高壓下安全可靠的要求，還需要考慮硫化氫的劇毒性，在施工中保證硫化氫氣體不能泄露。

3.2.2 判斷方式

對(duì)于高含硫氣井，油套壓之間采用三道密封實(shí)現(xiàn)之間的壓力分隔。可以通過(guò)油套壓的相關(guān)性來(lái)判斷油套壓是否聯(lián)通。如果不能準(zhǔn)確判斷，在可能存在微滲通道的情況下，可通過(guò)注脂驗(yàn)證或?qū)τ凸茴^上的兩個(gè)試壓孔進(jìn)行壓力判斷是否起壓，若兩個(gè)試壓孔同時(shí)起壓井口就可能存在泄漏。

3.2.3 作業(yè)方案

1）井口封堵方式

按照規(guī)范要求，高含硫氣井投產(chǎn)均安裝井下安全閥，在緊急情況下，通過(guò)閥板井下關(guān)井。但是閥板上的錐面與密封座之間的密封方式密封面較窄，可能存在一定量的泄露。而且考慮井口安全不能只有一層安全屏障，因此需要在井口設(shè)置另外一套安全屏障。利用與采氣樹(shù)配套的帶壓送取工具將背壓閥擰入油管懸掛器內(nèi)的背壓閥座面，封堵油管。

2）安全保障措施

首先需要檢測(cè)井下安全閥密封性，即在換裝采氣樹(shù)施工之前，保持井下安全閥關(guān)閉狀態(tài)，敞井觀察不少于24 h，放噴口點(diǎn)長(zhǎng)明火，若無(wú)氣體外漏方可進(jìn)行作業(yè)。另外，作業(yè)前將井下安全閥以上全部填充為乙二醇，確保上部無(wú)硫化氫氣體。安裝時(shí)先只安裝1號(hào)手動(dòng)平板閥，將井口1號(hào)主閥關(guān)閉后，再安裝采氣樹(shù)剩余部分，以降低井控風(fēng)險(xiǎn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果與應(yīng)用

YB1-1H井是元壩氣田的一口裸眼水平井，完鉆井深7 629 m，采用“鎳基合金油管＋永久式封隔器”進(jìn)行完井投產(chǎn)。在產(chǎn)層中部6 842 m（垂深）處流動(dòng)壓力55.8 MPa情況下獲得天然氣產(chǎn)量90.53×104m3／d，其中H2S含量為6.21%，屬于高溫、高壓、高產(chǎn)、高含硫氣井。

本井投產(chǎn)4個(gè)月后發(fā)現(xiàn)油套環(huán)空壓力異常上漲，從對(duì)環(huán)空和油管內(nèi)氣樣進(jìn)行對(duì)比分析，氣樣特征基本一致。

經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為YB1-1H井屬于微小滲漏引起異常帶壓，通過(guò)環(huán)空加注保護(hù)液控制。先通過(guò)泄壓流程將套壓泄壓至29 MPa，觀察出口點(diǎn)長(zhǎng)明火，后進(jìn)行加注。在加注環(huán)空保護(hù)液過(guò)程中，排量不高于0.1 m3／min，啟動(dòng)泵車(chē)加注環(huán)空保護(hù)液，壓力低于限壓值1 MPa時(shí)停泵，通過(guò)泄壓流程將套壓泄壓至29 MPa后或者放噴見(jiàn)液再打壓加注環(huán)空保護(hù)液，如此循環(huán)直至油套充滿(mǎn)環(huán)空保護(hù)液。

目前該井控制套壓在10 MPa左右，保持安全生產(chǎn)，自2014年12月10日投產(chǎn)以來(lái)累產(chǎn)氣量達(dá)36 749.663 4×104m3。

5 結(jié)論

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)API.RP90規(guī)范及BBtest流程進(jìn)行完善，建立了一套適合含硫氣井的環(huán)空帶壓診斷流程。

2）通過(guò)分析含硫氣井長(zhǎng)期生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，建立一套含硫氣井常備控壓方案，如環(huán)空液面監(jiān)測(cè)、最大環(huán)空壓力控制、地面泄壓／回注流程設(shè)計(jì)、腐蝕掛片檢測(cè)方案等，有效保證了含硫氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)。

3）對(duì)環(huán)空帶壓的判斷、方案配備、治理方案進(jìn)行了綜合論述總結(jié)，為解決類(lèi)似氣田在安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)間的矛盾提供了經(jīng)驗(yàn)。

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