四川盆地通南巴地區(qū)高壓試氣工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

李金洪

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

0 引言

試氣是利用一套專用的設(shè)備和方法，對井下油、氣、水層進行直接測試，并取得有關(guān)地下油、氣、水層產(chǎn)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(chǎn)和地質(zhì)資料，判斷地質(zhì)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(jù)［9-15］。

常規(guī)氣井試氣工藝應(yīng)取得以下試氣成果：1）直接測出地層靜壓、溫度、流壓和產(chǎn)氣層的生產(chǎn)能力，或者測出氣井井口最大關(guān)井壓力，計算地層靜壓；2）求得產(chǎn)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(xué)性質(zhì)（此處的油是指從氣體中產(chǎn)生的凝析油）；5）計算地層滲透率、表皮系數(shù)、井筒儲存系數(shù)、儲層性質(zhì)參數(shù)、邊界性質(zhì)和距離等參數(shù)，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(jù)，并為新區(qū)勘探指導(dǎo)方向［16-22］；6）根據(jù)試氣結(jié)果，確定合理的生產(chǎn)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(gòu)造帶屬于四川盆地中生代坳陷北翼，為四川盆地第2大構(gòu)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(jù)“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(shù)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(shù)領(lǐng)域，無相關(guān)配套技術(shù)經(jīng)驗支持。目前，試氣施工區(qū)域主要為涪陽壩構(gòu)造帶馬路背構(gòu)造和母家梁構(gòu)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(shù)達1.5～1.8，屬異常高壓氣藏。高壓施工環(huán)境使井控風(fēng)險大幅增加，同時對油管、測試工具的材質(zhì)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(yīng)性

1）設(shè)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(jīng)驗。

2）修井機及平臺適應(yīng)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(yīng)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(shè)計。

1.3 大套管內(nèi)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(nèi)徑168.3 mm）生產(chǎn)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(nèi)壁水泥殘環(huán)處理難題

由于水泥塞與套管壁膠結(jié)緊密，鉆塞施工不能完全處理干凈套管內(nèi)水泥塞。鉆塞后，在原水泥塞處將產(chǎn)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?qū)罄m(xù)下封隔器施工造成不良影響。

目前，針對套管內(nèi)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(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。但是在現(xiàn)場應(yīng)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(fēng)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(shè)計一種高效專用的鉆塞后擴眼工具。

2 高壓試氣施工技術(shù)

2.1 高壓試氣配套技術(shù)

根據(jù)通南巴地區(qū)地質(zhì)特點，以及對川東北試氣標準的優(yōu)化借鑒，經(jīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)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(diào)，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(shè)備磨損，降低鉆井液費用。

根據(jù)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(nèi)固相含量。

表1 固控設(shè)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(zhì)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(guān)井，是安全放噴測試的保障。放噴流程管線結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 放噴流程管線結(jié)構(gòu)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(yù)防產(chǎn)出氣體中含硫化氫的風(fēng)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(shè)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(chǎn)生。二級節(jié)流設(shè)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(shè)備正常工作。

3）地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。設(shè)計配備地面數(shù)據(jù)信息化采集系統(tǒng)，實時采集壓力、溫度數(shù)據(jù)，自動生成數(shù)據(jù)曲線，具有數(shù)據(jù)異常報警、數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用，強化生產(chǎn)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(yīng)急反應(yīng)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(chǎn)氣量的處理要求，采用抗酸性腐蝕材質(zhì)，配套安全閥。實際設(shè)計采用臥式兩相氣液分離器，設(shè)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(chǎn)量外，非自噴井仍需采用儲液罐計量油、氣、水產(chǎn)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(guān)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(jù)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(guān)井。

2）內(nèi)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(shù)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(guān)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?，F(xiàn)場人員安全。

通南巴地區(qū)高壓試氣井口采氣樹設(shè)計示意如圖2所示，防噴器組合結(jié)構(gòu)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(shè)計示意

圖3 通南巴地區(qū)高壓試氣井口防噴器組合結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(jīng)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(fù)雜?，F(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(yù)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(nèi)，經(jīng)對底座支撐能力進行計算評估，將支撐架設(shè)計為可調(diào)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(jié)合實測數(shù)據(jù)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(shù)

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

3）調(diào)整施工參數(shù)。根據(jù)螺桿鉆具基本參數(shù)調(diào)整施工參數(shù)，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(jù)鉆時、鉆速、泵壓監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，對比優(yōu)選出最合理的參數(shù)值。

2.4 鉆塞專用擴眼工具研制

結(jié)合水泥環(huán)刮削應(yīng)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(shè)計結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 鉆塞專用偏心套銑頭設(shè)計結(jié)構(gòu)示意

2.5 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用

采用智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力、溫度、產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)秒點記錄以及曲線自動生成、異常數(shù)據(jù)報警，為試井分析提供可靠數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用在射孔、壓裂、試氣求產(chǎn)計算中。

3 現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)用，滿足施工技術(shù)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(gòu)造帶母家梁斷背斜的1口預(yù)探井，完鉆井深為4 447 m，采用φ168.3 mm生產(chǎn)套管，井內(nèi)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(jié)束語

通南巴地區(qū)高壓試氣工藝技術(shù)的研究及應(yīng)用，彌補了中原油田在高壓試氣工藝實踐方面的技術(shù)空白，形成了相關(guān)技術(shù)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(dǎo)下步氣田規(guī)模化建產(chǎn)具有重要意義。