呼圖壁儲氣庫完井管柱井下工具設(shè)計優(yōu)選

薛承文，張國紅，高 涵，池 明，郭 玲，蒙永立

(新疆油田公司工程技術(shù)研究院 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

呼圖壁儲氣庫設(shè)計庫容107×108m3，目前為全國最大的儲氣庫，是在原呼圖壁氣田基礎(chǔ)上建設(shè)起來的枯竭氣藏型地下儲氣庫。儲氣庫氣藏中部深度3 585 m，溫度92.7 ℃，地層壓力33.96 MPa，建庫前地層壓力系數(shù)0.46。凝析油密度0.780 0 g/cm3，石蠟含量2.34%，凝固點-14 ℃，初餾點97 ℃。儲層地層水Cl-含量2 758～9 974 mg/L，總礦化度12 834～16 188 mg/L，水型為Na2SO4型。注入天然氣二氧化碳含量小于2%，最大分壓為0.68 MPa，不含硫化氫。在進行儲氣庫完井管柱和井下工具設(shè)計時，除了要考慮這些因素外，還要考慮氣井的完井工藝、儲層保護等內(nèi)容，方能達到注采井和監(jiān)測井的設(shè)計目標[1-2]。

1 完井管柱結(jié)構(gòu)與工具設(shè)計優(yōu)選

1.1 設(shè)計原則

為保證呼圖壁儲氣庫長期正常運行，要求注采井和監(jiān)測井完井管柱結(jié)構(gòu)及井下工具遵循安全可靠、經(jīng)久耐用、技術(shù)先進、監(jiān)控方便、力求簡單、兼顧經(jīng)濟的原則。

1.2 鉆井完井井身結(jié)構(gòu)

呼圖壁儲氣庫絕大部分的注采井和全部監(jiān)測井設(shè)計為直井，采用四開井身結(jié)構(gòu)，一開下入Φ508 mm套管，二開下入Φ339.7 mm技術(shù)套管，三開下入Φ244.5 mm技術(shù)套管，四開下入Φ177.8 mm油層尾管，懸掛器位置選擇在三開技術(shù)套管鞋以上200 m，完井回接Φ177.8 mm套管至井口，回接套管固井水泥漿返至地面。

儲氣庫設(shè)計1口注采水平井，水平井一開、二開、三開同注采直井，四開下入Φ177.8mm+Φ139.7mm復合油層尾管，懸掛器位置選擇在三開技術(shù)套管鞋以上200 m，完井回接Φ193.7 mm+Φ177.8 mm套管至井口，回接套管固井水泥漿返至地面。

1.3 完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于像呼圖壁儲氣庫這樣由枯竭性氣藏改建的儲氣庫，需要考慮建庫時的較低地層壓力系數(shù)，優(yōu)化設(shè)計管柱結(jié)構(gòu)，以縮短完井過程中的作業(yè)周期，減小地層污染，保證儲氣庫達到設(shè)計注采能力，并為后期長期穩(wěn)定可靠生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

1.3.1 注采直井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在呼圖壁儲氣庫中，注采直井是主力生產(chǎn)井，要盡量減少作業(yè)過程中壓井液、射孔液、環(huán)空保護液等入井液對地層的污染，釋放地層產(chǎn)能，因此，對注采直井設(shè)計了一趟管柱完井作業(yè)工藝?；咀鳂I(yè)過程為：在井筒準備完成后，依次下入射孔槍串、永久式封隔器、井下安全閥等井下工具，待整個管柱入井后，坐油管掛并安裝采氣樹；再由套管反替射孔液和環(huán)空保護液，坐封封隔器并試壓合格；最后用連續(xù)油管造負壓后，投棒點火，氣井自噴后馬上轉(zhuǎn)入試氣程序。

為保證一趟管柱完井作業(yè)工藝順利實施，注采直井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計為：射孔槍串+打孔管+氣密封油管+坐落短節(jié)+永久式封隔器+校深短節(jié)+氣密封油管+井下安全閥+氣密封油管+油管掛。管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示[3-6]。

圖1 注采直井完井管柱1、3、7-氣密封油管；2-井下安全閥；4-校深短節(jié)；5-永久式封隔器；6-坐落短節(jié)； 8-打孔管；9-射孔槍串；10-Φ508 mm表層套管；11-Φ177.8 mm套管回接；12-Φ339.7 mm技術(shù)套管；13-尾管懸掛器3180 m；14-Φ244.5 mm技術(shù)套管；15-Φ177.8 mm油層套管。

1.3.2 注采井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

注采水平井同樣采用套管固井方式完井，如果采用注采直井的一趟管柱完井工藝，將槍留在水平井段，則施工安全風險高，后期提槍作業(yè)技術(shù)難度大，且不利于釋放水平井產(chǎn)能，因此，采用兩趟管柱完井作業(yè)工藝?；咀鳂I(yè)過程為：在井筒準備完成后，用作業(yè)油管造負壓，下入第一趟射孔管柱，點火射孔并試氣，試氣結(jié)束后，替入暫堵型壓井液壓井，提出射孔管柱；再下入第二趟完井管柱(包括封隔器、井下安全閥等井下工具)，坐油管掛，安裝采氣樹，由套管反替入環(huán)空保護液，坐封封隔器并試壓合格。

為保證兩趟管柱完井作業(yè)工藝順利實施，注采水平井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計為：喇叭口+坐落短節(jié)+永久式封隔器+氣密油管+井下安全閥+氣密油管+雙公油管短節(jié)+油管掛。管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.3 監(jiān)測井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

為掌握呼圖壁儲氣庫生產(chǎn)過程中注采氣生產(chǎn)動態(tài)，分析氣井及井下設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)儲氣庫科學管理，設(shè)計了雙層監(jiān)測井和單層監(jiān)測井完井管柱結(jié)構(gòu)，實時監(jiān)測地層壓力和溫度。為避免射孔槍射孔時損壞溫壓監(jiān)測儀，并考慮雙層監(jiān)測井需要對兩個地層獨立監(jiān)測，因此，監(jiān)測井采用兩趟管柱完井作業(yè)工藝?；咀鳂I(yè)過程同注采水平井。

監(jiān)測井完井管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計為：喇叭口+氣密封油管+(雙層監(jiān)測井結(jié)構(gòu)：溫壓測試托筒+氣密封油管+坐落短節(jié)+氣密封油管+)可取式封隔器+氣密封油管+溫壓測試托筒+氣密封油管+可取式封隔器+校深短節(jié)+氣密封油管+井下安全閥+氣密油管+油管掛。管柱如圖3所示。

圖2 注采水平井完井管柱1、3-氣密封油管；2-井下安全閥；4-永久式封隔器；5-坐落短節(jié)； 6-喇叭口；7-Φ177.8 mm尾管+Φ139.7 mm尾管；8-Φ508 mm表層套管；9-回接Φ193.7 mm+Φ177.8 mm套管；10-Φ339.7 mm技術(shù)套管；11-尾管懸掛器3 180 m；12-Φ244.5 mm技術(shù)套管。

圖3 監(jiān)測井完井管柱方案1、3-氣密封油管；2-井下安全閥；4-校深短節(jié)；5、8-可取式封隔器；6、9-坐落短節(jié)； 7、10-溫壓測試托筒；11-喇叭口。

1.4 井下工具設(shè)計優(yōu)選

為實現(xiàn)儲氣庫氣井上述完井管柱功能，滿足現(xiàn)場作業(yè)工藝，要求所有井下工具與油管連接的螺紋全部采用與油管相同的氣密封螺紋，工具金屬材質(zhì)的抗腐蝕性能不低于所用油管的抗腐蝕性能并與之匹配，所有井下工具的抗拉強度不低于所用油管的抗拉強度，性能應滿足井筒溫度場長期工作需要，且在現(xiàn)有鉆完井結(jié)構(gòu)下，盡可能實現(xiàn)井下工具較大的內(nèi)徑尺寸[7]。

1.4.1 封隔器設(shè)計優(yōu)選

封隔器作為儲氣庫氣井完井管柱中重要的井下工具，在保證注采井安全生產(chǎn)，監(jiān)測井可靠工作中起著非常重要的作用。對于注采井，封隔器安裝于產(chǎn)層上部，封隔油套環(huán)形空間，保護上部套管不受高壓、腐蝕破壞；對于監(jiān)測井，特別是雙層監(jiān)測井，不但要封隔油套環(huán)形空間，保護上部套管，同時還要隔開兩個產(chǎn)層，實現(xiàn)獨立監(jiān)測兩個產(chǎn)層溫度和壓力的功能。

在進行儲氣庫注采井完井管柱設(shè)計時，主要考慮管柱在注采生產(chǎn)中的可靠性和穩(wěn)定性，并能滿足長期生產(chǎn)需要，因此，永久式封隔器成為呼圖壁儲氣庫注采井的首選。永久式封隔器上部配合錨定密封插管與油管連接，上部管柱可通過正轉(zhuǎn)上提脫手，回接時直接回插即可。封隔器下部的坐落短節(jié)與堵塞器配合，可實現(xiàn)不動上部管柱時的不壓井作業(yè)，有利于產(chǎn)層的保護。必要時還可在座落接頭內(nèi)投入堵塞器，實現(xiàn)井下封堵，實現(xiàn)不壓井作業(yè)修井。該封隔器采用液壓坐封，無上提解封回收功能，如需解封上提管柱，需要鉆銑釋放鎖塊[8]。

儲氣庫監(jiān)測井因無注采氣在管柱內(nèi)流動，管柱受力較小，在進行完井管柱設(shè)計時主要考慮井下溫壓監(jiān)測儀的壽命和檢修方便性，兼顧可靠性和穩(wěn)定性，因此，選擇可取式封隔器作為呼圖壁儲氣庫監(jiān)測井的封隔器。對于雙層監(jiān)測井，需要兩套可取式封隔器，上封隔器上部與油管連接，下封隔器上下各連接一支溫壓監(jiān)測儀工作托筒，坐封于兩產(chǎn)層之間，隔開產(chǎn)層。溫壓監(jiān)測儀要把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過電纜上傳到地面，因此，可取式封隔器要能實現(xiàn)電纜穿越。儲氣庫封隔器設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 呼圖壁儲氣庫封隔器設(shè)計參數(shù)

1.4.2 井下安全閥設(shè)計優(yōu)選

井下安全閥是儲氣庫氣井完井管柱中又一重要的井下工具，通過地面液控管線與內(nèi)部執(zhí)行裝置相連，可在緊急情況下實現(xiàn)井下關(guān)井，切斷氣源。目前，井下安全閥閥瓣一般采用金屬-金屬密封,具備閥瓣自平衡系統(tǒng)，能耐高壓，且使用壽命較長。

呼圖壁儲氣庫在注采井和監(jiān)測井中設(shè)計了井下安全閥，設(shè)計深度為井下100 m。井下安全閥通過液壓管線與地面安全控制系統(tǒng)相連，在井口壓力低于設(shè)定點，單井發(fā)生火災易熔塞熔斷，按下關(guān)井按鈕或收到集注總站控制室的關(guān)斷指令等情況下，地面安全控制系統(tǒng)啟動關(guān)閉井下安全閥操作。呼圖壁儲氣庫注采井和監(jiān)測井中井下安全閥參數(shù)見表2。

表2 呼圖壁儲氣庫井下安全閥設(shè)計參數(shù)

1.4.3 其他井下工具設(shè)計優(yōu)選

在普通氣井中，有時會用到循環(huán)滑套和伸縮短節(jié)等井下工具，但在進行呼圖壁儲氣庫完井管柱設(shè)計中沒有采用。

在儲氣庫氣井中，循環(huán)滑套的主要作用有兩個：一是在環(huán)空保護失效后打開循環(huán)滑套，從套管閥門替入新的環(huán)空保護液到油套環(huán)空；二是在氣井修井時，可實現(xiàn)氣井壓井，提出井筒內(nèi)完井管柱。呼圖壁儲氣庫采用油基長效環(huán)空保護液，在短時間內(nèi)不需要更換，如有消耗也可從環(huán)空擠入補充；另外，氣井在進行一段較長時間的生產(chǎn)后，如果需要修井，也可采取其他方式溝通油套空間，因此，對呼圖壁儲氣庫來說，設(shè)計循環(huán)滑套的意義不大。然而，設(shè)計循環(huán)滑套的氣井完井管柱在長期生產(chǎn)之后，如果循環(huán)滑套質(zhì)量性能欠佳，在需要進行循環(huán)作業(yè)時反而不一定能順利打開，卻又增加了一個管柱漏失點，為解決主要矛盾，不采用循環(huán)滑套。

對完井管柱力學分析的結(jié)果顯示，完井管柱在生產(chǎn)過程當中，整個管串的伸縮距離或拉壓載荷在安全范圍內(nèi)，為減少管柱的潛在漏失點，呼圖壁儲氣庫氣井完井管柱不設(shè)計伸縮短節(jié)[9]。

2 現(xiàn)場應用情況

截至2019年3月，呼圖壁儲氣庫共完成30口注采井(包括29口直井和1口水平井)和3口監(jiān)測井的完井投產(chǎn)，正常注采運行4個周期，累計注氣100.08×108m3，累計采氣63.33×108m3。按照該技術(shù)設(shè)計的完井管柱和井下工具能夠圓滿實現(xiàn)管柱入井、環(huán)空保護液替入、封隔器坐封、射孔點火等一系列工藝作業(yè)，施工成功率100%，現(xiàn)場試氣和注采生產(chǎn)運行結(jié)果說明呼圖壁儲氣庫完井管柱和井下工具設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，安全可靠。

3 結(jié) 論

1)呼圖壁儲氣庫注采井和監(jiān)測井完井管柱和井下工具依據(jù)鉆完井井身結(jié)構(gòu)和完井投產(chǎn)工藝設(shè)計，可滿足儲氣庫單井大氣量注采要求。

2)優(yōu)化設(shè)計了注采井、監(jiān)測井的井身結(jié)構(gòu)和井下工具，去除了循環(huán)滑套和伸縮短節(jié)，減少了管柱的潛在漏失點，提高了管柱的可靠性。

3)呼圖壁儲氣庫建設(shè)事實和4個注采周期的安全生產(chǎn)實踐證明，完井管柱結(jié)構(gòu)及井下工具設(shè)計符合安全可靠、經(jīng)久耐用、技術(shù)先進、監(jiān)控方便、力求簡單、兼顧經(jīng)濟的管柱設(shè)計原則。