臨興致密氣區(qū)塊水平井套管優(yōu)選的研究與應(yīng)用

賈 佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457)

臨興致密氣區(qū)塊位于山西省臨縣和興縣境內(nèi)，屬于黃土高原地貌，地形以殘塬溝壑為主，地勢起伏較大。構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶西北緣，沉積條件復(fù)雜、儲層非均質(zhì)性強、連續(xù)性差，具有低孔、低溫、低滲、低壓、自然產(chǎn)能低或基本無產(chǎn)能的特點[1-2]。該區(qū)塊地層發(fā)育齊全，自上而下依次發(fā)育第四系黃土；三疊系延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組；二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組；石炭系本溪組以及奧陶系馬家溝組[3]。巖性以巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖為主，孔隙度主要分布區(qū)間為2.0%～14.0%，滲透率主要分布區(qū)間為0.01～1 mD，屬于低孔低滲儲層。區(qū)塊內(nèi)壓力梯度約0.96 MPa/100 m ，溫度梯度約3.04 ℃/100 m，屬于正常溫壓系統(tǒng)，井底溫度為40～60 ℃，井底最大壓力為18～20 MPa。目前，致密氣開發(fā)常用的井型有直井、定向井、水平井，其中，水平井由于特殊開發(fā)效果，受到越來越廣泛應(yīng)用[4]。對于水平井，采用下入生產(chǎn)套管固井的完井方式，一般采用三開的井身結(jié)構(gòu)：φ311.15 mm×φ244.5 mm+φ222.25 mm×φ177.8 mm+φ165.1 mm×φ114.3 mm。

1 套管優(yōu)選研究

1.1 套管防腐研究

1.1.1CO2腐蝕

在油氣田開發(fā)過程中，油氣井產(chǎn)出物中的二氧化碳和硫化氫是2種最主要的腐蝕介質(zhì)，他們通過與水作用對油套管發(fā)生腐蝕。CO2腐蝕主要是由于產(chǎn)出物中的CO2遇水生成碳酸而引起金屬的電化學(xué)反應(yīng)，有點腐蝕、局部腐蝕和均勻腐蝕等，主要受CO2分壓、溫度、流速等因素的影響，其中，CO2分壓是影響腐蝕的主要因素。根據(jù)CO2分壓的大小確定是否存在腐蝕：分壓超過0.21 MPa，有腐蝕；當(dāng)分壓低于0.021 MPa時，腐蝕可以忽略；當(dāng)分壓為0.021～0.21 MPa時，腐蝕可能發(fā)生。CO2分壓越高，普通碳鋼的腐蝕越嚴(yán)重。同時，CO2腐蝕具有溫度敏感性，一般認(rèn)為在60 ℃以下主要發(fā)生均勻腐蝕；60～110 ℃均勻腐蝕出現(xiàn)峰值且局部腐蝕嚴(yán)重；150 ℃左右以上腐蝕速率反而大大降低[5-7]。

1.1.2H2S腐蝕

通常普通碳鋼和低合金鋼在H2S環(huán)境中出現(xiàn)3類腐蝕：硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、氫脆開裂(HIC)和電化學(xué)腐蝕。影響H2S腐蝕的主要因素有H2S分壓、pH、溫度、流速、腐蝕產(chǎn)物膜等[8-9]。截止目前，臨興致密氣區(qū)塊沒有H2S，所以不存在H2S腐蝕的情況。

1.2 套管強度研究

常見套管強度設(shè)計方法包括最大載荷法、等安全系數(shù)法、邊界載荷法等[10-11]，其中，最大載荷法是根據(jù)實際條件下套管柱所受的有效載荷再考慮一定安全系數(shù)來設(shè)計套管柱，其步驟是先按有效內(nèi)壓，然后再依據(jù)有效外壓及拉力進行設(shè)計，并考慮雙軸應(yīng)力和三軸應(yīng)力對抗擠強度的影響。該設(shè)計方法最大的特點是外載計算考慮細(xì)致，外載條件和計算方法根據(jù)套管類型分別考慮和選擇，在設(shè)計中將實際載荷充分顯現(xiàn)出來。

1.2.1 外部壓力載荷

生產(chǎn)套管下入井筒后，固井過程中，套管受到固井水泥漿和鉆井液的液柱壓力[12-13]。固井過程中外部壓力剖面如圖1所示。

圖1 固井過程中外部壓力剖面

外部壓力計算式為：

式中：p為外部壓力；h為垂深；γm為鉆井液的壓力梯度；γcem為水泥漿與地層水混合壓力梯度；htoc為水泥環(huán)頂界的垂深。

1.2.2 內(nèi)部壓力載荷

(1)氣侵情況下內(nèi)壓：該載荷采用的內(nèi)壓力剖面是司鉆法排出氣侵氣體時套管承受的最大壓力的包絡(luò)線，其表明當(dāng)鉆更深的井段時，當(dāng)前套管所能遇到的最惡劣氣侵情況。該工況假定套管在下一井段鉆至設(shè)計深度時發(fā)生氣侵[14-15]。氣侵會引起套管鞋處的壓力超過破裂壓力。這種情況需要采用循環(huán)的辦法將大量氣體排出井筒。溢流量應(yīng)控制在壓井作業(yè)中套管鞋處的壓力低于地層破裂壓力，如圖2所示。

圖2 氣侵工況下內(nèi)部壓力剖面

(2)循環(huán)漏失下的內(nèi)壓：該載荷用于模擬發(fā)生鉆井液漏失時井筒壓力剖面(如圖3所示)，該壓力剖面表示套管鞋處的破裂壓力，為清水的壓力梯度加上井口壓力：

p(h)=pfrac+γwater(h-hshoe)h

(3)

采用淡水壓力梯度是假設(shè)儲備的重漿和加重材料在井控過程中已全部用完。一般情況下，在套管抗內(nèi)壓設(shè)計中，該載荷比氣侵載荷更為重要，尤其針對技術(shù)套管[16]。該載荷適用于所有氣井和流體性質(zhì)不明確的探井，必要時可采用專家評議方式確定是否選取該載荷。

圖3 循環(huán)漏失情況下內(nèi)部壓力剖面

(3)套管試壓下的內(nèi)壓：該載荷用于模擬在鉆井液壓力梯度上部施加井口壓力的剖面。其計算式為：

p(h)=ps+γmh

(4)

試驗壓力一般根據(jù)由其他因素選擇的內(nèi)壓載荷并考慮一定的安全余量后得到的最大預(yù)測值。對于生產(chǎn)套管，試驗壓力應(yīng)以預(yù)測期的關(guān)井油管壓力為依據(jù)，試壓值選取與井筒中的試壓介質(zhì)(鉆井液)密度有關(guān)，該載荷適用于所有需要試壓的套管柱，如圖4所示。

圖4 套管試壓情況下內(nèi)部壓力剖面

(4)生產(chǎn)套管壓裂時內(nèi)壓：該載荷模擬施加于靜液柱之上的井口壓力，如圖5所示，通常適用于環(huán)空高壓注入條件的油氣井生產(chǎn)套管，其計算式為：

p(h)=ps+γmh

(5)

式中：ps為施加的井口壓力。

圖5 生產(chǎn)套管壓裂時內(nèi)部壓力剖面

1.2.3 抗擠載荷

(1)固井時外擠載荷：該載荷描述注水泥作業(yè)中碰壓后泄掉井口壓力，有外擠力作用在套管上時的外部和內(nèi)部壓力剖面，如圖6所示。外部壓力為鉆井液靜液柱壓力與不同密度的水泥領(lǐng)漿和尾漿壓力之和，內(nèi)部壓力由頂替液體的壓力梯度所決定，若頂替液密度較低，則固井將產(chǎn)生較大的外擠載荷[17]。該載荷適用于所有需要固井作業(yè)的套管柱。

圖6 固井時外擠壓力剖面

(2)鉆井液循環(huán)漏失時外擠載荷：該載荷模擬部分掏空或由于鉆井液靜液柱與循環(huán)漏失層孔隙壓力相平衡時所產(chǎn)生的鉆井液液位下降時的內(nèi)部壓力剖面，如圖7所示。其計算式為：

其中：pf為循環(huán)漏失層深度為hlc的孔隙壓力。鉆井液液位下降為：

hmd=hlc-pf/γm

(8)

鉆下一井段時如采用高密度鉆井液來平衡孔隙壓力導(dǎo)致鉆井液液位下降更多。因此，通?？杉僭O(shè)循環(huán)漏失層在下一井段的底部，且該漏層為正常的壓力梯度。實際作業(yè)中，漏失導(dǎo)致的液面下降很少超過1 500 m，通?？杉俣ㄣ@井液液位下降為裸眼段總井深的某一百分比。該載荷適用于可能發(fā)生井漏的條件[18]。

圖7 生產(chǎn)套管壓裂時內(nèi)部壓力剖面

(3)全掏空時外擠載荷：在采用氣體泡沫鉆井技術(shù)、氣舉采油及套管采氣衰竭開發(fā)工藝時，要考慮全掏空的情況。同時，鉆遇淺層氣時，導(dǎo)管和表層套管也應(yīng)考慮全掏空載荷，該載荷代表所有鉆井液在地層橋塞鉆開之前被全部替換出來的情況，如圖8所示。

圖8 固井時外擠壓力剖面

1.2.4 軸向載荷

(1)下入套管。該載荷模擬在套管下入井中時套管柱的任何部分所承受的最大軸向載荷。影響因素包括：①自重；②套管末端和每個截面改變處的浮力；③井斜；④在井斜段施加的彎曲載荷；⑤摩擦阻力；⑥由最高下入速度忽然減速而產(chǎn)生的振動載荷，最大速度一般假定比平均下入速度高50%，平均速度一般為 0.5～1.5 m/s。一般情況下，套管柱上的任一接箍所承受的最大軸向載荷是管柱旋緊后接箍從卡瓦中提起時的負(fù)載[19]。

(2)套管柱解卡。該載荷模擬套管柱下到任一深度處遇卡時解卡所需要的上提力。影響因素包括：①自重；②套管末端和每個截面改變處的浮力；③井斜；④在井斜段施加的彎曲載荷；⑤摩擦阻力；⑥所施加的上提力。

(3)固井碰壓載荷。該載荷模擬在固井過程中膠塞相碰撞時作用于井口的壓力。由于水泥漿仍為液態(tài)，施加的壓力將在浮箍上產(chǎn)生活塞力，產(chǎn)生較大的井口軸向載荷。影響因素包括：①自重；②套管末端和變截面處的浮力；③井斜；④在井斜段施加的彎曲載荷；⑤摩擦阻力；⑥由浮箍上下壓差引起的活塞力[20]。

2 應(yīng)用案例

針對臨興區(qū)塊目前井深最深的一口水平井1H井為例，對套管優(yōu)選過程進行分析。

2.1 1H井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1H井位于山西省呂梁市興縣，構(gòu)造上屬于小灣子背斜構(gòu)造西翼，設(shè)計井深3 550 m，主要目的層為太原組的太2段，采用套管固井的完井方式。本井所在區(qū)域?qū)儆诔爻合到y(tǒng)，井底壓力約18.0 MPa，井底溫度約56 ℃。該井采用三靶點進行軌跡設(shè)計，軌跡數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求遵循鉆井設(shè)計的基本原則，依據(jù)已知的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料設(shè)計套管的下入深度和層次，結(jié)合后續(xù)完井工藝的要求，確定井身結(jié)構(gòu)。根據(jù)本區(qū)塊地層壓力數(shù)據(jù)、地質(zhì)設(shè)計、已鉆井情況，一開311.15 mm井眼鉆入基巖至少20 m中完，下入244.5 mm表層套管；二開鉆222.25 mm井眼至著陸井深，下入177.8 mm技術(shù)套管；三開155.6 mm井眼鉆至設(shè)計完鉆井深，下入114.3 mm生產(chǎn)套管。具體井身結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表1 1H井軌跡數(shù)據(jù)

圖9 1H井井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 套管防腐設(shè)計

圖10 套管選材防腐結(jié)果示意圖

根據(jù)臨興區(qū)塊地層CO2體積分?jǐn)?shù)和分壓，如表2所示，結(jié)合中海油防腐圖版，判斷出各目的層中僅太原組位于1Cr下限(如圖10所示)，其他層位無需考慮防腐，鑒于致密氣井開發(fā)年限且考慮CO2分壓較低，因此，臨興區(qū)塊致密氣開發(fā)井均不需采用防腐管材，使用N80普通碳鋼材質(zhì)即可滿足開發(fā)生產(chǎn)要求。

表2 臨興區(qū)塊各地層CO2體積分?jǐn)?shù)數(shù)值表

2.4 套管防腐設(shè)計2.4.1 套管強度校核工況

對生產(chǎn)套管進行設(shè)計時，需要考慮在井的全壽命周期過程中，該井套管所經(jīng)歷的最嚴(yán)重的載荷，主要考慮鉆井和生產(chǎn)期間的內(nèi)壓力載荷、外壓力載荷、軸向載荷，在水平井鉆井過程中，需要考慮的工況如下：

抗拉校核工況：考慮解卡過提拉力40 t、下套管速度0.5 m/s、固井碰壓；

抗外擠校核工況：全掏空狀態(tài)(生產(chǎn))、循環(huán)漏失、固井；

抗內(nèi)壓校核工況：套管試壓、固井碰壓、壓裂工況60 MPa。

2.4.2 套管強度校核數(shù)值模擬

利用數(shù)值模擬軟件對鉆井過程中各種極限工況進行模擬分析，將載荷線與套管額定值進行直接對比，計算結(jié)果以安全系數(shù)表示，套管強度額定值/實際載荷≥安全系數(shù)，只有當(dāng)設(shè)計安全系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小安全系數(shù)時，所選的套管強度才能滿足安全作業(yè)要求。1H水平井套管強度校核結(jié)果如表3所示。

表3 1H水平井套管強度校核結(jié)果

由表3中可以看出，結(jié)合致密氣開發(fā)經(jīng)驗，對于一開φ244.5 mm表層套管，選用54 kg/m、J55、LTC扣，可以滿足設(shè)計要求；對于二開φ177.8 mm技術(shù)套管，選用39 kg/m、N80、LTC扣，可以滿足設(shè)計要求；對于φ114.3 mm生產(chǎn)套管，選用17.4 kg/m和18.9 kg/m時，J55和N80材質(zhì)不滿足安全生產(chǎn)要求?？紤]成本因素，17.4 kg/m、P110、LTC扣型套管為最優(yōu)選擇，可以完全滿足安全生產(chǎn)要求。

2.5 套管磨損分析

為了考察套管的磨損情況，對1H井二開177.8 mm套管進行磨損分析計算，結(jié)果如圖11所示。

圖11 套管磨損模擬曲線

由圖11可以看出，二開177.8 mm套管允許最大磨損量小于15%，均小于抗內(nèi)壓極限情況下和抗外擠極限情況下的最大允許磨損量，可以滿足安全作業(yè)要求。

3 結(jié)論

對鉆井中的套管優(yōu)選進行針對性研究，根據(jù)中海油防腐圖板和最大載荷法分別對套管腐蝕和套管強度進行分析和研究，主要結(jié)論如下：

(1)套管強度需要綜合考慮井的全壽命周期過程中，該井套管可能經(jīng)歷的最嚴(yán)重的載荷，包括內(nèi)壓載荷、外壓載荷和抗擠載荷。

(2)內(nèi)壓載荷主要考慮套管試壓、固井碰壓和壓裂時的極端壓力；外壓載荷包括固井碰壓；抗外擠載荷主要考慮全掏空狀態(tài)(生產(chǎn))、循環(huán)漏失、固井過程中的載荷情況；抗拉載荷包括解卡過提拉力、下套管速度、固井碰壓。

(3)套管優(yōu)選時，需要考慮套管腐蝕和套管強度，對于臨興區(qū)塊，由于不存在硫化氫，主要是CO2腐蝕，而且，由于CO2體積分?jǐn)?shù)很低，采用普通碳鋼材質(zhì)管材即可滿足安全生產(chǎn)要求。

(4)根據(jù)理論計算和現(xiàn)場應(yīng)用，臨興區(qū)塊目前的三開水平井：一開選擇選用54 kg/m、J55套管；二開選用39 kg/m、N80套管；三開選用17.4 kg/m、P110套管，完全可以適應(yīng)各種極限工況，可以滿足安全作業(yè)要求。