Research and Practice of Down Hole Testing Technology for Open Hole Containing H2S in Offshore Platform Operation

Qibin Zhao, Zhenjiang Liu, Xiaoke Sun, Haina Zhang, Lu CuiExploration Department, CNOOC Ltd., Beijing

2Production Logging Center, China Petroleum Group Logging Co.Ltd., Xi’an Shaanxi

3Nο.2 Mud Logging Company, Bοhai Drilling Engineering Co.Ltd., Renqiu Hebei

4International Drilling & Production Materials Supply Company, Bohai Drilling Engineering Co.Ltd., Tianjin

Abstract

Keywords

1.引言

隨著海上油田勘探進(jìn)程的不斷加快，礦區(qū)勘探程度日益提高。渤海油田作為中海油勘探開發(fā)的主力軍，在尋找大中型油氣田的同時(shí)，也在積極開拓勘探的新領(lǐng)域，中深層潛山便是其中之一。渤海潛山地層多為元古界花崗巖裂縫儲(chǔ)層或古生界碳酸巖儲(chǔ)層，一般為常壓地層。鑒于常規(guī)套管完井在時(shí)間和工藝上都會(huì)對(duì)裂縫型儲(chǔ)層造成比較大的損害，潛山裂縫性儲(chǔ)層一般采用裸眼完井方式。同時(shí)，潛山復(fù)雜的油氣成因使得油氣中含H2S等有毒、有害氣體的幾率變大，作業(yè)過程中的H2S安全防護(hù)成為關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于井下工藝而言，重點(diǎn)在于管柱選材及測(cè)試期間井下安全控制。單一的裸眼測(cè)試[1]或者含H2S流體測(cè)試[2]已經(jīng)建立了比較成熟的井下工藝，兩者合二為一在海油測(cè)試作業(yè)還屬首次，存在諸多風(fēng)險(xiǎn)。為此，筆者對(duì)海上測(cè)試井下工藝進(jìn)行了針對(duì)性的改良，并在海上含H2S裸眼井進(jìn)行了測(cè)試實(shí)踐，出色地完成了作業(yè)。

2.海上測(cè)試作業(yè)井下工藝現(xiàn)狀

海上測(cè)試作業(yè)由于時(shí)間成本高，對(duì)作業(yè)的時(shí)效要求高。陸地油田常用的裸眼膨脹式封隔器、MFE測(cè)試器等井下工具，由于其性能不穩(wěn)定、成功率低等原因不適用于海上作業(yè)。海上裸眼測(cè)試出于安全性考慮一般使用APR (annulus pressure response)工具，采用坐套測(cè)裸方式進(jìn)行。對(duì)于含H2S地層流體測(cè)試，由于APR工具在井下測(cè)試環(huán)境下自身具有抗H2S腐蝕的能力，因此測(cè)試工藝只需要根據(jù)預(yù)測(cè)的H2S濃度選擇合適規(guī)格的油管即可，可參考相關(guān)執(zhí)行行標(biāo)[3]或者API標(biāo)準(zhǔn)。常用的測(cè)試管串如圖1所示。

3.含H2S裸眼測(cè)試存在的困難

一旦裸眼測(cè)試的地層流體中含有H2S，就不再是裸眼測(cè)試與含H2S地層流體測(cè)試的簡(jiǎn)單疊加，測(cè)試的難度將直線上升，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)測(cè)試管柱坐封前需具備循環(huán)功能。出于安全方面的考慮，含H2S地層流體測(cè)試要求測(cè)試(泥漿)液維持堿性，pH值 ≥ 10，以保證測(cè)試液中不含H2S。而對(duì)于裸眼測(cè)試來說，出于儲(chǔ)層保護(hù)的目的，測(cè)試液密度不能過高，滿足井控要求即可。常規(guī)測(cè)試作業(yè)一般需要持續(xù)3～5 d，一旦井筒中測(cè)試液受H2S侵入，勢(shì)必對(duì)測(cè)試管柱造成傷害。因此，含H2S的裸眼測(cè)試最好能在管柱坐封之前，對(duì)井筒測(cè)試液進(jìn)行性能調(diào)整(封隔器坐封之后作為屏障可以隔絕裸眼中H2S侵入封隔器之上的井筒內(nèi))，以保證其pH值在規(guī)定范圍內(nèi)，消除H2S對(duì)上部管柱的潛在危害。出于對(duì)海上作業(yè)的高安全保障考慮，測(cè)試人員提出了井下管柱在開井測(cè)試之前需具備井筒循環(huán)的功能設(shè)計(jì)，意味著測(cè)試管柱就位后生產(chǎn)通道要保持暢通，與常規(guī)測(cè)試管柱下井后生產(chǎn)通道處于隔斷狀態(tài)(隔斷閥上部通過誘噴液墊制造誘流壓差)正好相反，給井下工藝設(shè)計(jì)提出了顛覆性的挑戰(zhàn)。

2)全管柱試壓。常規(guī)測(cè)試管柱可以在下鉆過程中，通過灌入誘噴液墊后對(duì)管柱進(jìn)行試壓，以確保測(cè)試管柱的密封性。管柱試壓需要管柱中設(shè)有隔斷閥(通常為測(cè)試閥或者試壓閥)，而這又與管柱到位后需要保持全通徑相矛盾。

3)正替誘噴液墊。一旦測(cè)試管柱需要在坐封之前循環(huán)井筒測(cè)試液，就需要在開井前將管柱內(nèi)的測(cè)試液替換成誘流液墊，之后隔絕管柱與環(huán)空的通道，以保證測(cè)試期間管柱的密封性，要求測(cè)試管柱具備溝通環(huán)空的通道，且在需要時(shí)能夠有效關(guān)閉。

4)現(xiàn)有工具組合的弊端。常規(guī)的APR工具中OMNI閥從理論上可以實(shí)現(xiàn)管柱與環(huán)空的自由開啟、閉合，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)測(cè)試液并替換誘噴液墊的功能。但是，在之前的OMNI閥實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于其內(nèi)部換位過程極其復(fù)雜(15個(gè)功能位置)，且對(duì)環(huán)空操作壓力要求較高，經(jīng)常導(dǎo)致操作不到位，無法保障作業(yè)成功率。而循環(huán)測(cè)試液并替換誘噴液墊均屬于正式測(cè)試之前進(jìn)行的準(zhǔn)備工作，一旦工具功能失效，整個(gè)測(cè)試作業(yè)將半途而廢。

鑒于上述原因，現(xiàn)有的井下測(cè)試工藝不能解決含H2S裸眼地層測(cè)試所帶來的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行改良，以滿足作業(yè)條件，保障該類井測(cè)試作業(yè)安全進(jìn)行。

4.井下測(cè)試工藝改良

通過對(duì)現(xiàn)有工藝及測(cè)試新工具的綜合分析，測(cè)試人員對(duì)現(xiàn)有的海上測(cè)試井下工藝進(jìn)行了改進(jìn)，增加了RD旁通試壓閥、RD-TST閥，用選擇性測(cè)試閥替代LPR-N測(cè)試閥，具體管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Figure 2.The structural diagram of tubing string after the improvement圖2.改進(jìn)后的管柱結(jié)構(gòu)圖

4.1.RD旁通試壓閥

RD旁通試壓閥是利用RD循環(huán)閥的原理進(jìn)行的改良產(chǎn)品，其原理與循環(huán)閥正好相反，工具入井時(shí)，旁通孔開啟，球閥關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Figure 3.The diagrammatic sketch of RD bypass test valve圖3.RD旁通試壓閥示意圖

RD旁通試壓閥的主要功能為：① 上部球閥作為試壓閥完成上部管柱的試壓；② 下部旁通孔實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)外聯(lián)通，可以泄流球閥下部由于管柱坐封(插入)形成的封閉壓力，完成旁通功能；③ 完成試壓、旁通功能后，通過環(huán)空壓力操作擊碎破裂盤，心軸下移關(guān)閉旁通孔，實(shí)現(xiàn)測(cè)試管柱與環(huán)空的隔絕；同時(shí)球閥開啟，實(shí)現(xiàn)管柱通徑，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。

4.2.RD-TST閥

RD-TST閥同樣是通過環(huán)空壓力響應(yīng)進(jìn)行操控的一款產(chǎn)品，工具中設(shè)置一個(gè)單向閥板作為試壓隔斷，實(shí)現(xiàn)試壓功能。與常規(guī)TST閥相比，RD-TST閥通過環(huán)空壓力控制來實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)變，消除了常規(guī)TST閥在一些管柱內(nèi)外無法建立壓差的特殊情況下閥板無法鎖定的功能隱患。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

Figure 4.The diagrammatic sketch of RD-TST valve圖4.RD-TST閥示意圖

RD-TST閥的主要特點(diǎn)有：① 自動(dòng)灌漿是指在下鉆過程中，閥板在下部液柱壓力的作用下自動(dòng)開啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿功能；② 全通徑是指當(dāng)全部試壓工作完成之后，通過環(huán)空壓力操作，擊破破裂盤，心軸上移開啟閥板并鎖定，實(shí)現(xiàn)管柱通徑。

4.3.選擇性測(cè)試閥

選擇性測(cè)試閥是哈里伯頓公司在APR測(cè)試工具中的又一力作，該工具除了具備常規(guī)測(cè)試閥的多次開關(guān)井的功能之外，還具備鎖定功能。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

Figure 5.The diagrammatic sketch of selective test valve structure圖5.選擇性測(cè)試閥結(jié)構(gòu)示意圖

相對(duì)常規(guī)的LPR-N測(cè)試閥，選擇性測(cè)試閥有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)具有鎖定功能，通過環(huán)空施加一定值的操作壓力，可以將球閥鎖定于開啟和關(guān)閉狀態(tài)，一旦鎖定后則不再需要維持環(huán)空壓力。解除鎖定狀態(tài)只需通過環(huán)空施加解鎖壓力即可。其操作原理如圖6所示。

Figure 6.The diagrammatic sketch of commutator structure圖6.換位器結(jié)構(gòu)示意圖

2)如果需要，可以在選擇測(cè)試閥以下設(shè)置循環(huán)閥，使反循環(huán)點(diǎn)位置較常規(guī)更低，節(jié)約壓井時(shí)間，降低成本，在高溫、高壓井和高含氣井測(cè)試中該優(yōu)點(diǎn)更為突出。

3)在一些特殊井作業(yè)中可以在鎖開狀態(tài)下取代RD旁通試壓閥，解決插入或起出測(cè)試管柱時(shí)封閉空間的影響，從而簡(jiǎn)化管柱設(shè)計(jì)。

4)壓井過程中利用其鎖開功能，可以回?cái)D管柱內(nèi)地層流體，縮短壓井時(shí)間，減少井控風(fēng)險(xiǎn)。

5.應(yīng)用實(shí)例

改進(jìn)后的工藝在中海油天津分公司某井中得到實(shí)踐應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了所有預(yù)定功能，保障了井下作業(yè)的安全進(jìn)行。

1)下鉆過程中RD-TST閥的自動(dòng)灌漿功能，大大減少了球閥試壓閥帶來的灌漿時(shí)間，也有利于減少裸眼浸泡時(shí)間，縮短作業(yè)周期。在下鉆過程中，每500 m進(jìn)行一次管柱試壓，有利于及時(shí)檢測(cè)測(cè)試管柱的密封性，為測(cè)試作業(yè)提供安全保障。當(dāng)測(cè)試管柱下鉆至預(yù)定位置完成全管柱試壓后，RD-TST閥任務(wù)完成，通過環(huán)空壓力操作可以將其鎖定，實(shí)現(xiàn)RD旁通試壓閥之上管柱的全通徑。

2)RD旁通試壓閥的倒置使用是該次工藝改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)。通過倒置將該閥原有的旁通功能改為循環(huán)功能，成功解決了由于常規(guī)測(cè)試管柱下井或坐封之后的管柱密閉性導(dǎo)致無法建立循環(huán)的問題，完成了對(duì)RD旁通試壓閥之上環(huán)空測(cè)試液的循環(huán)調(diào)整，使測(cè)試液性能在封隔器坐封之前達(dá)到了最佳狀態(tài)，極大程度消除了H2S以及測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)試液性能變化而帶來的一系列風(fēng)險(xiǎn)。完成測(cè)試液調(diào)整后，通過正替方式用柴油將測(cè)試液替出測(cè)試管柱，下部關(guān)閉的球閥作為隔斷，與封隔器一起封閉上部測(cè)試管柱與下部裸眼井段的連通，使測(cè)試之前鎖定RD-TST閥及控制RD 旁通閥進(jìn)行環(huán)空壓力操作成為可能，避免了下部裸眼段與上部壓力操作的相互影響。替液完成后，通過環(huán)空操作關(guān)閉循環(huán)孔，開啟下部球閥，整個(gè)管串進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。

3)選擇性測(cè)試閥的鎖定開井狀態(tài)消除了常規(guī)測(cè)試管串中的測(cè)試閥隔斷，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試作業(yè)前的管柱通徑；同時(shí)消除了測(cè)試過程中井筒溫度升高所帶來的環(huán)空效應(yīng)，保障了開井作業(yè)過程中測(cè)試管柱和井控設(shè)備的安全。

4)優(yōu)化后的井下工藝，僅通過在 APR工具操作上增加兩個(gè)環(huán)節(jié)，就實(shí)現(xiàn)了之前無法解決的幾個(gè)關(guān)鍵性問題。優(yōu)化后井下各功能閥的操作壓力最高為3800 psi (1 psi = 6.895 kPa)，相比常規(guī)測(cè)試管柱只增加了500 psi，完全滿足套管的承壓能力。具體環(huán)空操作壓力見表1。

Table 1.The table of operation pressure for the tested annulus表1.測(cè)試環(huán)空操作壓力表

6.結(jié)語

為了解決含H2S裸眼測(cè)試工藝中存在的諸多難題，通過工藝改進(jìn)，使其更加安全、有效，有利于測(cè)試工程的實(shí)施。改進(jìn)后的工藝基本保持了原井下測(cè)試工藝的功能，滿足了海洋石油測(cè)試作業(yè)要求，成功保障了海上平臺(tái)含H2S氣體測(cè)試作業(yè)的井下安全，達(dá)到測(cè)試的地質(zhì)目的，為勘探開發(fā)提供了充足、可靠的儲(chǔ)層和地層流體數(shù)據(jù)支持，為以后海上平臺(tái)的含H2S油氣藏勘探、開發(fā)作業(yè)積累了實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，該次工藝改進(jìn)，為測(cè)試期間井下替液提供了一個(gè)安全快捷的解決方案，使得測(cè)試井下工具組合更加靈活多變，有利于更好地發(fā)揮測(cè)試作業(yè)在勘探開發(fā)中的作用。