地下儲氣庫注采氣完井管柱的設計與應用

賀夢琦

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院 （遼寧 盤錦 124010）

雙6 區(qū)塊位于盤錦市雙臺子河下游西岸， 歡喜嶺油田東部，自1978 年8 月該區(qū)第一口井-雙6 井投產以來累計產油氣當量687×104t，為遼河油田原油穩(wěn)產做出了巨大的貢獻。目前該區(qū)塊油氣已停采，屬于枯竭油氣田。地層壓力由原始的24.6 MPa 下降到5 MPa 左右。 考慮雙6 區(qū)塊具有如下優(yōu)點：①油藏類型定義為含邊水帶少量油環(huán)的凝析油氣藏，平均孔隙度達到17%以上， 平均滲透率也在200×10-3μm2左右，屬于高孔高滲的優(yōu)質儲層；②具有封閉的邊界斷層，原始條件下密封性較好。秦皇島—沈陽天然氣輸氣線投產運行后，隨著沈陽、錦州、遼河油田等沿線用戶用氣量日益增大， 用氣不均衡問題日漸顯著，季節(jié)用氣差變大的問題，需在遼河地區(qū)建設地下儲氣庫。 而針對儲氣庫除了繁冗復雜的地面工程系統(tǒng)之外，連接地面與地下的關鍵控制元素，即注采氣完井管柱，針對儲層壓力變化頻繁，井位區(qū)域敏感等因素， 都對注采氣完井管柱的設計與應用提出了很多挑戰(zhàn)。

1 雙6 儲氣庫注采氣完井管柱設計面臨的挑戰(zhàn)

1.1 注入、采出產量波動大

雙6 儲氣庫設計最大庫容量為36.0×108m3，要求日調峰1 500×104m3， 設計單井平均采氣能力為（30～120）×104m3/d；單井平均注氣能力為（50～93）×104m3/d。 由于儲氣庫進行注采氣運行，地層流體壓力短時間內將呈現周期性增減， 對注采高壓天然氣井井筒提出了更高的抵抗沖蝕與注采交變應力強度的要求。

1.2 儲氣庫注采氣井的使用壽命要求高

眾所周知，地下儲氣庫需要長期使用，設計壽命較長，一般大于30 年[1]。 但遼東地區(qū)四季分明，井場所處環(huán)境晝夜溫度變化明顯， 有記載曾經最低溫度達到過-30 ℃以下的極地溫度， 對于氣井由于氣體受溫度影響較大， 溫度的周期性變化將直接導致壓力波動，進而產生交變應力，嚴重影響生產完井管柱的壽命。

1.3 安全性能要求高

作為東北地區(qū)第一座儲氣庫， 雙6 儲氣庫位于國家生態(tài)濕地保護區(qū)的雙臺子河區(qū)域， 野生物種種類繁多，臨近水源，因此現場的井下作業(yè)風險等級較高。在儲氣庫強注強采期間針對高壓氣體容易泄漏，易引發(fā)火災的危險， 注采氣井要求在長期安全生產的同時，可以實現自動化的安全控制，即在發(fā)生諸如井口著火、泄漏等危險情況時，能緊急關井，并防止環(huán)境污染，在設計中應充分的考慮安全。

1.4 儲層壓力低

雙6 區(qū)塊自1980 年投產以來，依靠天然氣驅能量開采， 未進行人工注水， 地層壓力由原始的24.6 MPa 下降到5 MPa 左右，油區(qū)與氣頂區(qū)部分已出現水侵。如何減少作業(yè)時造成近井地帶污染損害，是完井管柱設計中應考慮的問題。

1.5 管柱腐蝕嚴重

來氣組分含有一定量的腐蝕性氣體，CO2含量約為2.7%，地層水Cl-質量濃度在1 200 mg/L 左右。且儲氣庫投產初期，邊底水較活躍，采氣時會有一定含水，對管柱的腐蝕將比較嚴重。

2 注采氣井工藝管柱設計的特點

2.1 油管優(yōu)化設計

生產管柱的油管的優(yōu)化主要涵蓋4 個部分，即內徑尺寸、螺紋密封類型和腐蝕選材等。根據地質提供的單井注采氣量要求，油管不應發(fā)生沖蝕，且不能出現井底積液，即生產氣量應高于卸載流量。此外生產管柱及配套工具的管體強度應滿足抗內壓、外擠、拉伸、剪切等三軸應力要求，螺紋類型滿足氣密封生產要求。

根據注采氣時期的地層壓力波動情況，計算在多種氣量及工況下，各種尺寸油管的采氣期的極限卸載產量和最高發(fā)生沖蝕時的流速。 設計井測深約2 700 m，垂深約2 600 m；氣體比重約0.85；地層溫度梯度約3.1 ℃/100 m， 壓力波動區(qū)間約10～26 MPa。 計算結果見表1、表2。

根據計算結果，Φ73 mm 與Φ88.9 mm 油管在運行壓力24 MPa 時， 最大極限沖蝕流量不能滿足配產120×104m3/d，各尺寸油管不會發(fā)生卸載，因此對雙6 注采氣井生產完井油管選擇Φ 114.3 mm 尺寸。 此外，對于儲氣庫的高壓氣井，為了保障長時間的注采氣生產，油管連接必須選擇氣密封扣型，通過與國內外油藏的綜合比對， 選擇了VAM 系列扣型油管。

表1 不同地層壓力下的卸載流量預測表 [2-3]

表2 不同地層壓力下的沖蝕流量預測表

2.2 油管材質優(yōu)化設計

材質優(yōu)化必須從井內流體本身的腐蝕性進行研究， 并結合高壓注采氣井完井工藝本身要求等因素進行綜合考慮。 由于遼河油田雙6 區(qū)塊的氣頂開發(fā)已經接近末期，地層能量衰竭，地層邊底水侵入現象非常嚴重， 部分現有氣井已經出現了高含水躺井現象。 因此，在雙6 儲氣庫注采氣的初期，采氣井不可避免會帶出相當一部分的水，氣組分中的CO2等腐蝕性氣體在含水的工況下， 必定會產生對于油管及套管的電化學性腐蝕[4]，因此需要采取氣井管柱的抗腐蝕分析。

2.2.1 CO2分壓的影響

CO2分壓是影響甜腐蝕的主要誘因。 Cron[5]等人的研究表明：當CO2氣體在系統(tǒng)中的分壓PCO2低于0.021 MPa 時，腐蝕可以忽略掉；PCO2為0.021～0.21 MPa 時，可能發(fā)生腐蝕；PCO2大于0.21 MPa 時，一定發(fā)生腐蝕。

2.2.2 溫度的影響

溫度是CO2腐蝕的重要影響因素。 Ikeda 等人[6]的研究結果表明，當井筒內溫度低于38 ℃時CO2腐蝕速率幾乎為0，但當溫度逐漸升高，至93 ℃附近時，腐蝕速率增長極快，并在93 ℃左右達到最大值，當溫度超過93 ℃時腐蝕速率將下降。 因此對于含CO2注采氣井的局部腐蝕受溫度影響常常選擇性的發(fā)生在井的某一深處。

2.2.3 防腐蝕優(yōu)化

通過綜合分析， 儲氣庫高壓氣井的腐蝕因素比較復雜，對腐蝕工況很難給出定量結果。對于遼河油田雙6 儲氣庫，根據計算，井口與井底的腐蝕工況條件分別為：井口PCO2為0.19 MPa（28 psi），井底PCO2為0.24 MPa（35 psi）。 因此，儲氣庫的腐蝕總體趨勢，應該是主要出現在油管鞋位置，接近地層。 因此管柱的材質推薦采用抗腐蝕能力較強的13Cr[7]，綜合考慮受力，雙6 儲氣庫最終確定使用L-80 13Cr、VAM-TOP 氣密封螺紋油管[8-10]。

2.3 井下工具的優(yōu)化設計

2.3.1 安全閥設計

井下安全閥[11]是確保儲氣庫高壓氣井的重要井下安全控制工具， 一般設置于井口150 m 左右，通過地面安全系統(tǒng)控制其開關。正常生產時，安全閥關斷閥板處于打開狀態(tài)，若發(fā)生危險情況，將自動卸載液壓作用，并關閉，完成井下安全控制。

2.3.2 循環(huán)滑套設計

在氣井作業(yè)過程中可能存在躺井工況， 可通過鋼絲作業(yè)打開滑套，即完成負壓氣舉掏空誘噴作業(yè)。此外滑套在進行環(huán)空保護液的替換補充、 洗壓井等作業(yè)中也具有重要的作用。 儲氣庫高壓氣井設計了價格便宜、現場使用量多、技術成熟的鋼絲開關滑套工具，可以保證多次開關后，金屬密封的密封性能可靠。

2.3.3 永久式井下封隔器設計

對于儲氣庫高壓注采氣井， 為延長其單井生產完井管柱及配套工具的壽命， 防止油層套管受地層高溫高壓影響，配套了永久式封隔器。該類型的封隔器使用液壓打壓坐封， 坐封時與管柱下端堵塞器坐落短節(jié)配合使用， 還可實現不壓井情況下對封隔器上部管柱進行更換等優(yōu)點，同時配備磨銑延伸筒，便于大修作業(yè)時對封隔器進行打撈。

2.3.4 坐落短節(jié)設計

在管柱設計中，配套了兩個坐落短節(jié)，上坐落短節(jié)主要用來坐堵塞器，以實現上下兩段管柱的隔離，可以在封隔器坐封后，實現不動管柱封隔地層，并防止修井作業(yè)液對地層產生損害。 下部坐落短節(jié)的設計是為了更好地坐放井下電子壓力計， 滿足生產同時測量溫度與壓力的要求。

綜上，注采管柱最終確定采用L-80 13Cr、VAM-TOP 氣密封螺紋油管，并配合抗沖蝕流動短節(jié)、安全閥、鋼絲滑套、封隔器、堵塞器短節(jié)與測試短節(jié)工具，詳細結構圖見圖1，管柱尺寸數據見表3。優(yōu)化設計后儲氣庫高壓注采氣管柱具備如下功能： ①完成高壓注采氣井的在線關井自動控制； ②完成后期的不動封隔器下管柱，不壓井井作業(yè)；③完成鋼絲開關滑套聯通油套，以利于大修更換管柱作業(yè)；④完成生產的同時，在線監(jiān)測地質溫度、壓力等參數。

圖1 高壓注采氣水平井管柱示意圖

表3 井下工具明細表

3 采氣井口及系統(tǒng)安全控制優(yōu)化設計

3.1 采氣井口優(yōu)化設計

根據油藏地質條件， 雙6 儲氣庫井口的最高壓力為注氣末期時的井口壓力，約24.61 MPa，根據現行井口裝置標準[12]，要優(yōu)選高壓高溫氣密封井口，因此設計壓力級別為35 MPa 的井口裝置。 考慮CO2分壓0.24 MPa，選用防腐蝕等級FF 級，并根據井場溫度條件設計L-U 閥組耐溫等級（-46～121 ℃）。 要求閘閥、 油管懸掛采用氣密封性能良好的金屬對金屬密封。出廠前，要進行水下采氣樹整體高壓氣密封試驗，現場要求氮氣車以15 MPa 打壓10 min，壓力不降以確保質量。

3.2 系統(tǒng)安全控制優(yōu)化設計

系統(tǒng)安全控制[13]是指在發(fā)生井噴、著火等特殊事故時，井口及井下可以應急自動關井，并進行相應的安全控制。 考慮雙6 儲氣庫地處國家級濕地自然保護區(qū)， 如果發(fā)生天然氣泄漏等事故， 后果不堪設想。 因此地面安全控制系統(tǒng)主要從以下危險事故考慮：地面泄漏、流程憋壓、井口著火，采氣樹損壞等。設計要求控制動力系統(tǒng)簡單、可靠；單井安全控制系統(tǒng)既能自動控制，也能夠手動控制，并可進行遠程控制及監(jiān)測。 因此設計了由地面安全閥、井下安全閥、易熔塞、監(jiān)測設備等組成的安全控制系統(tǒng)，其主要功能見表4。

表4 注采氣井主要安全事故控制措施

4 結論

1）雙6 儲氣庫已經成功下入多口注采氣高壓氣井管柱，多功能生產完井管柱成功入井，各種現場試驗均達到設計要求，施工成功率100%，證明了這套管柱的可靠性， 為今后儲氣庫注采氣井的設計提供了重要的參考。

2）各種工具油管及地面設備試壓均滿足要求，儲氣庫井投產以來，井口無明顯異常套壓，進一步佐證了高壓氣密封完井管柱具有優(yōu)良的氣密性能。 此外，井下安全閥現場試驗關閉良好，達到了儲氣庫的安全設計要求。

3）安全控制系統(tǒng)的設計不僅能夠滿足特殊危險情況的需要，更具有簡單、實用、可靠等特點，為以后高危地區(qū)實施注采氣井提供了安全保障， 同時該技術的應用及時解決了困擾儲氣庫開發(fā)的難題， 提高了油田開發(fā)水平，具有良好的社會效益。