摘 要

摘　要：土庫曼斯坦阿姆河右岸高溫、高壓、高含硫氣田的地質結構復雜，具有高壓力、低滲透的特點，且天然氣中普遍含有H2S、CO2等腐蝕性氣體，在測試作業過程中發生過井下測試管柱不

摘　要：土庫曼斯坦阿姆河右岸高溫、高壓、高含硫氣田的地質結構復雜，具有高壓力、低滲透的特點，且天然氣中普遍含有H2S、CO2等腐蝕性氣體，在測試作業過程中發生過井下測試管柱不密封、油管腐蝕損壞、壓力泄露等問題，從而影響施工進度和人員、設備的安全。針對此類問題，從工藝和安全角度出發，本著簡單實用的原則，通過對現用的4種DST管柱結構的應用特點及工藝進行分析，優化出一套適用于該區塊的DST測試管柱(即射孔—測試—酸化—測試—擠壓井管柱)，其結構為：TCP管串+RTTS封隔器+安全接頭+RD循環閥+RD安全循環閥+OMNl多功能循環閥(不帶球)+校深短節+采油樹。如果測試后直接投產，則可使用永久式插管封隔器來代替RTTS封隔器，即轉換為射孔—酸化—測試—完井管柱。該優化后的管柱設計方案已經成功應用于5口井的測試作業，對指導高溫、高壓、高含硫井的測試施工設計，有效預防安全質量事故的發生，確保取全、取準地層數據和資料提供了技術支撐。

關鍵詞：土庫曼斯坦  阿姆河右岸區塊  高溫  高壓  高含硫  氣田  中途測試  測試管柱  優化  設計

An optimal design of a DST string for high temperature，high pressure and sour gas fields on the Right Bank of the Amu Darya River，Turkmenistan

Abstract：The high temperature，high pressure and sour gas fields on the Right Bank of the Amu Darya River，Turkmenistan，are featured by complex geological structures and low permeability．Natural gas there generally contains corrosive gases such as H2S．CO2．Many accidents occur in block testing，for example，unsealed downhole test string，corrosion and damage to tubings and pressure resulted leakage，thus affecting the construction schedule and the safety of personnel and equipment．In order to Drevent these accidents，from the perspective of process and safety，following the principle of“being simple and practical”，we analyzed the application characteristics and technology of the existing four DST string structures to work out an optimal design of a drill stem test (DST)string(i．e．，perforation testing acidification-testing bullheading string)for this block．The string is conlposed of a TCP string+a RTTS packer+a safety joint+a RD circulation valve+a RD safety circulation valve+an OMNI muhifunction circulation valve(no ball)+a marker sub+a christmas tree．If the well is put into production after testin9，a permanent bayonet tube packer can be used to replace RTTS packer，converting to perforation-acidification-testing-completion string．The optimized string design has been successfully applied to the testing operations of five wells，providing a technical support for guiding the testing design of high temperature，high pressure and sour wells，effectively preventing incidents，and accurately acquiring all formation data．

Keywords：Turkmenistan，Ainu Darya River Right Bank，high temperature，high pressure，high sour gas field．drill stem test(DST)，test string，optimal design

高溫、高壓井測試期間，測試管柱內流體性質、溫度、壓力、地層應力的大范圍變化給測試工作帶來很大的難度。對于高溫高壓DST測試設計而言，在施工設計和工藝選擇上，會產生很大的困難(例如：測試井下管柱、測試壓差、開關井制度的選擇等問題)^[1-7]。同時，在安全問題上可能導致很多事故的發生(例如：油套安全、管柱刺漏、遇卡、工具失效等問題)。

筆者從工藝和安全角度出發，針對土庫曼斯坦阿姆河右岸氣田某區塊高溫、高壓、高含硫油氣井的特性，對DST測試過程中所面臨的問題進行研究分析，找出導致這些情況發生的原因，并通過合理結合施工工藝和管柱設計，找出避免這些問題產生的方法。研究的內容對高溫高壓高含硫井的DST測試施工設計具有參考價值，對防止事故的發生及出現事故時及時采取有效措施具有指導意義。

1　面臨的主要問題及原因分析

阿姆河右岸氣田某區塊區井深在3150～4000m之間，壓力系數在1.5～1.8，儲層平均滲透率為0.066mD，屬于低孔一特低滲透儲層，天然氣中硫化氫含量介于600～4000mg／L等，屬于高含硫氣田。

在該區塊進行高溫高壓高含硫井DST測試作業時，要安全、優質地完成測試作業，并取全、取準所需地質資料，就需要做到“下得去、坐得住、測得成、起得出”。工藝和安全方面的要求提出了諸多挑戰。

1．1　工藝方面

1．1．1面臨的問題

面臨的問題為：①井下管柱的結構能否滿足地質目的和施工工藝的需要；②測試工具性能能否滿足整體設計的需要；③工具的材質能否滿足測試設計的要求。

1．1．2原因分析

分析其原因有：①管柱結構不合理，功能不健全；②工具的功能和性能達不到要求；③工具的材質不防腐，致使工具操作不成功或是損壞。

1．2　安全方面

1．2．1面臨的問題

面臨的問題有：①油套管損壞，存在擠毀、壓癟的風險；②測試管柱損壞、刺漏；③井下工具失控；④管柱遇卡。

1．2．2原因分析

1．2．2．1壓力影響

油套管和井下測試管柱承受的壓差超過了油套管或者井下管柱的工作壓力、抗外擠、抗內壓的極限，導致油套管和管柱出現安全問題；同時，壓力大范圍、快速地變化，會使油管及封隔器以下的油層套管在短時間內承受很大的交變應力^[8-9]。

1．2．2．2溫度影響

高溫的影響將會對井下工具及其密封件的要求很高，密封件的失效會導致管柱刺漏，進而發生油套管和測試管柱的超壓問題。另外，高溫也會對鉆井液的性能產生很大的影響，比如鉆井液的穩定性、壓力的傳導性能等，這會導致管柱遇卡或是壓控操作的工具失效等問題。

1．2．2．3硫化氫的影響^[10-13]

1)硫化氫對金屬材料的腐蝕

硫化氫溶于水形成弱酸，對金屬的腐蝕形式有電化學失重腐蝕、氫脆和硫化物應力腐蝕開裂，這以后兩種腐蝕為主，一般統稱為氫脆破壞。氫脆破壞往往造成井下管柱的突然斷落、地面管匯和儀表的爆破、井口裝置的破壞，甚至發生嚴重的井噴失控或著火事故。

2)硫化氫能加速非金屬材料的老化

在地面設備、井口裝置、井下工具中，有橡膠、浸油石黑、石棉等非金屬材料制作的密封件。它們在硫化氫環境中使用一定時間后，橡膠會產生鼓泡脹大、失去彈性，浸油石墨及石棉繩上的油被溶解而導致密封件的失效。

2　DST測試管柱優化設計

在高溫高壓井測試作業過程中，為了解決或避免上述面臨的問題，可以根據不同的管柱結構配合以不同的施工工藝，在滿足安全作業的同時達到測試目的。

2．1　測試管柱設計的原則

原則為：①安全、簡單、町靠；②滿足功能；③工藝設計合理。

2．2　主要內容

2．2．1安全設計

井下管柱的安全設計就是為了保證管柱不會出現被拉斷、擠毀和壓壞，不會出現滲漏和串漏，能夠安全地完成測試施工。需要考慮：①管柱的密封性，選擇合適的扣型、扭矩、密封脂、密封元件等；②進行測試油管柱分析，包括油管選材、井下工具選擇、氣密封可靠性分析和其他配套工具；③套管的安全性能分析。

2．2．2功能設計

在保證安全的情況下，需要進一步考慮管柱能臺滿足功能，達到測試目的，取全取準各項地質參數的需要。包括：①管柱結構要滿足地質目的和測試工藝的需要；②井下工具的性能、功能要滿足設計的需要；③能夠滿足特殊預案的需要。

2．3　高溫、高壓井測試管柱的組合形式

2．3．1超高溫、高壓井測試管柱

2．3．1．1管柱結構

導向引鞋+射孔槍+點火頭+篩管+永久式插管封隔器+壓力計托筒+RD安全循環閥+油管+采油樹(圖1)。

 

2．3．1．2工藝原理及工序

包括：①預先處理井筒測試液；②入封隔器坐封管柱、校深和坐封封隔器、起出坐封管柱；③下入測試管柱；④安裝井口；⑤射孔、流動；⑥打開RD安全循環閥實施循環和井下一次關井、起出測試管柱至井口。

2．3．1．3工藝特點

該管柱適用于超高溫、高壓井測試作業。特點為：①管柱結構簡單，風險小；②滿足獲得地層資料的基本要求；③插管封隔器的選用雖然增加了操作的程序，施工結束提出管柱后封隔器自身可以封閉底層，直接由測試轉為生產管柱；④加強型RD循環閥的使用，能夠避免氣室被擠毀的風險。

2．3．2高溫、高壓井測試管柱

2．3．2．1管柱結構

導向引鞋+射孔槍+點火頭+篩管+RTTS封隔器+安全接頭+液壓旁通閥+震擊器+壓力計托筒+LPR-N閥+放樣閥+RD安全循環閥+RD循環閥+校深短節+油管+采油樹(或井口控制頭)(圖2)。

 

2．3．2．2工藝原理及工序

下管柱前預先用測試液頂替井筒鉆井液。工序為：①下鉆，過程巾管柱內灌入符合要求的液墊；②校深和調整管柱，坐封；③安裝井口設備；④環空打壓打開LPR N閥、射孔；⑤井下測試閥實現多次開關井操作，實現流動控制；⑥施工結束通過RI)安全循環閥及RD循環閥實現壓井循環。

2．3．2．3工藝特點

此管柱為標準測試管柱，具有以下特點：①實現射孔測試聯作，能實現負壓差射孔；②管柱中使用LPRN測試閥和RD安全循環閥，實現井下雙重切斷，最大限度地保證施工安全；③井下開關井，利于取全取準地質資料。

2．3．3高溫、高壓氣井測試及擠壓井管拄

2．3．3．1管柱結構

導向引鞋+射孔槍+點火頭+篩管+油管+篩管+RTTS封隔器+安全接頭+液壓旁通+震擊器+RD循環閥+壓力計托筒+LPRN閥+放樣閥+RD安全循環閥+校深短節+油管+采油樹(圖3)。

 

2．3．3．2工藝原理及工序

工序為：①下管柱前預先用測試液頂替井筒鉆井液；②下鉆過程中管柱內灌入符合要求的液墊；③校深和調整管柱、坐封、安裝井口設備；④環空打壓打開LPRN閥、射孔；⑤施工結束通過打開上部的RD安全循環閥或RD循環閥實現壓井循環；⑥下部的RD循環閥一方面用于將測試封隔器以下大段的地層流體擠入地層，同時平衡封隔器內外壓差。

2．3．3．3工藝特點

針對底部套管、尾管因尺寸等原因無法下人測試工具的情形，測試工具距離油氣層較遠，測試后如采用常規循環工藝壓井，下部油氣無法徹底洗凈。采用本管柱可有效解決這一問題，尤其適用于高含硫化氫氣井和氣井。

2．3．4高溫、高壓井測試及酸化管柱

2．3．4．1管柱結構

油管掛+油管+OMNl循環閥+RD安全循環閥+LPRN閥+壓力計托筒+射孔上旁通接頭+RTTS封隔器+射孔下旁通接頭+油管+壓力起爆器+射孔槍(圖4)。

 

2．3．4．2工藝流程

OMNI閥的循環孔在人井時處于關閉位置。當管柱坐封后，首先環空加壓打開LPRN閥，隨后繼續加壓引爆射孔槍。此時，即可進行常規的APR開關井測試，OMNl閥尚未發揮作用。初次測試完成后需要對地層進行酸化改造時，即可通過環空多次加壓、卸壓打開0MNl閥的循環孔，然后正替酸，再通過環空多次加壓、卸壓關閉循環孔后，加壓開啟LPRN閥并保持環空壓力，進行酸化后即可再次進行測試。

2．3．4．3工藝特點

該工藝對于一些錄井和電測解釋不好、地層情況不明、無法確定是否需要進行酸化改造的儲層非常便利。首先，與超正壓射孔一酸化一測試聯作工藝技術不同，該工藝采用的是環空負壓射孔，可先完成射孔、測試作業，取得地層流體性質和產量資料，若需要對產層進一步酸化，則利用原測試管柱直接對測試層進行酸化作業，然后再測試，取得準確的參數。其次，酸化前后兩次測試對比，可以更準確、直接地了解酸化效果，便于進行更為精確地評價。實踐證明，這種工藝避免了射孔后直接酸化造成的底水壓開或水層進一步溝通的發生。

2．3．4．4應用優點

主要表現在：①整個作業只需一趟管柱，就可完成射孔、測試、酸化、再測試和試井工作，節約了大量的作業時間及費用；②根據地層壓力系數可采用環空加壓或井口加壓兩種方式完成負壓射孔，有助于誘噴排液；③避免了多次壓井對地層的傷害，更好地保護了產層；④達到了對儲層認識的目的，也滿足了對儲層進一步酸化改造的要求，酸化前后兩次測試對比，可以準確、直接了解酸化效果；⑤采用井下關井，降低了高壓對測試管柱和井口帶來的安全風險。

2．4　高溫、高壓井DST測試管柱性能比較

性能比較如表1所示。

 

3　井下工具的選擇和使用原則

3．1　測試工具選擇的原則

由于高溫高壓井測試自身的特點，對井下測試工具的壓力級別、防硫化氫等級等要求也極為嚴格。其原則為：①井下DST測試工具的額定工作壓力應不小于最高預測井底關井壓力的1.1倍；②對于含硫化氫地層的測試，根據地層H2S含量確定工具的防硫級別，井下設備的選擇應符合NACE MR-0175標準的要求。

3．2　關鍵工具的使用

根據工具的功能和特點，結合上述4種管柱結構，可以選擇不同工具組合的管柱。

3．2．1RD循環閥的使用

1)用在RD安全循環閥上部，見管柱2、管柱3、管柱4，有如下功能：①可以作為安全循環閥的備用，起循環壓井作用；②壓井時如果需要加大排量，可以同時打開2只循環閥。

2)用在RD安全循環閥或測試閥下部，見管柱1、管柱3、管柱4，有如下功能：①起壓井閥的作用，可以把球閥下部的流體擠入地層，利于充分壓井；②起到旁通閥的作用，連通油、套管，平衡地層壓力。

3．2．2 RD安全循環閥的單獨使用(見管柱1)

1)優點：①關井時，可以保持一定的套壓，有利于封隔器密封；②開井時，不需要保持環空壓力，減小高壓對井下管柱的影響。

2)缺點：只能進行一次井下開關井，需要靠井口開關井來彌補。

3．2．3LPRN閥的使用(見管柱2、管柱3、管柱4)

1)優點：①可以通過液墊的壓力來控制測試壓差，便于誘噴；②可以進行多次井下開關井，利于快速取得真實的地層資料。

2)缺點：①開井時，需要施加環空壓力操作，上壓差增加，封隔器卡瓦負荷增加；②關井時，不需要保持套壓，下壓差增加，封隔器水力錨承受的負荷增加；③圈閉在兩球閥之間的高壓在工具起到地面以后釋放困難；④測試過程中，由于鉆井液性能等因素的影響，操作起來比較困難。

3．2．4OMNI閥的使用(見管柱4)

OMNI閥具有以下作用：①酸化作業后，可以操作OMNI閥實施替酸作業；②排液的作用。

4　管柱結構優化

針對阿姆河右岸氣田的地質特性以及酸壓增產的需求，結合以上4種典型的高溫高壓井測試管柱的技術特點，本著簡單實用的原則，進行優化設計。得出以下管柱優化方案——優化管柱：射孔—測試—酸化—測試—擠壓井管柱(圖5)。

 

4．1　管柱結構

TCP管串+RTTS封隔器+安全接頭+RD循環閥+RD安全循環閥+OMNI多功能循環閥(不帶球)+校深短節+采油樹。

4．2　作業流程

基本與射孔—測試—酸化—測試技術操作流程相同，壓井的時候打開RD循環閥，將RD安全循環閥下部管柱內流體及封隔器下部流體擠壓至地層。

4.3　工藝特點

特點為：①管柱結構簡單，安全適用，尤其是對于高溫高壓高產高含硫化氫的井況。②一趟管柱完成射孔、測試、酸化作業，同時能進行擠壓井作業，最大限度滿足安全需要。可采用投棒射孔或者管柱內加壓延時射孔的方式。③利于酸化前后效果對比。④可以進行地面開關井，終關井采用井下關井，利于取得真實反映地層情況的壓力恢復曲線。

需要說明一點，如果測試后直接投產，則可使用永久式插管封隔器來代替RTTS封隔器，即轉換為射孔—酸化—測試—完井管柱。

5　應用情況

該優化后的管柱設計方案已經成功應用于阿姆河右岸氣田5口井的測試作業。這5口井均成功實現了射孔—測試—酸化—測試作業，管柱中使用RD循環閥作為擠壓井閥，測試結束后，可以打開RD安全循環閥，井下關井，同時反循環壓井；然后打開反擠壓井閥，通過地面反擠，可以將球閥以下內、外油氣同時擠入地層，而不需要解封。

在測試中，最長關井時間超過600h，最高壓力系數大于1.7，最高溫度超過150℃，在不同產量、不同濃度H2S、CO2條件下，該套工藝均能圓滿完成施工設計(表2，圖6)。

 

 

6　結論和建議

以上幾口井在測試作業過程中，DST管柱的各項功能均能順利實現，取全、取準了各項地質資料，保證了試油作業取得圓滿成功。由此認為：

1)高溫高壓高含硫測試時，在保證安全并滿足功能的前提下，井下管柱結構越簡單越好。

2)合理的施工工藝和井下管柱選擇是測試成功的關鍵。

3)優化后的測試井下測試管柱、工藝適用范圍廣，滿足不同井況條件下的作業，可應用于阿姆河右岸氣田管柱結構復雜、高溫、高壓與高腐蝕環境。

4)實例表明，該套工藝所錄取的數據完整可靠，可以確定測試井的流常陛質，計算獲取儲層和流體參數，客觀地評價酸化效果，準確地確定測試井的產能大小，為下步落實該構造儲量規模提供依據，為后續氣藏開發方案編制提供了基礎數據。

5)雖然優化管柱在現場得到成功應用，但考慮到施工質量控制和資料錄取的質量控制，還應在井筒保護、井下管柱校核、測試壓差設計、工作制度的選取、開關井時間、壓井方案等方面進一步進行研究。

 

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本文作者：程維恒  王立軍  李光輝  王彥武  丁啟光

作者單位：中國石油(土庫曼斯坦)阿姆河天然氣公司

  中國石油長城鉆探工程公司