摘要：普光氣田由于高含硫化氫和二氧化碳，對(duì)采氣工藝提出了更高要求。從氣田投產(chǎn)方式、材質(zhì)的選擇、井口裝置、管柱結(jié)構(gòu)以及防腐措施等方面對(duì)該氣田的采氣工藝技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，提出了高含硫氣田的投產(chǎn)作業(yè)方式，即：酸壓(酸化壓裂)生產(chǎn)一體化方式，酸化生產(chǎn)一體化方式和射孔后直接投產(chǎn)方式。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，氣井生產(chǎn)管柱優(yōu)選了G3或同等級(jí)的高鎳基合金鋼材料，井下工具選擇718高鎳基合金鋼材料；氣井井口裝置優(yōu)選抗硫材質(zhì)，并配置井下安全閥和井口安全閥；氣井采用生產(chǎn)封隔器永久完井管柱。該技術(shù)思路對(duì)國(guó)內(nèi)酸性氣田的開(kāi)發(fā)具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：普光氣田；采氣；油管；硫化氫；井口裝置；優(yōu)選

    普光氣田由于流體中富含H₂S，如不采取合適的防腐措施，將會(huì)影響氣井生產(chǎn)壽命，引發(fā)氣體泄漏，造成管柱斷裂等，其安全生產(chǎn)隱患大^[1]。目前，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有成功的同類氣藏開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)^[2]。

    在氣田開(kāi)發(fā)中，常用的投產(chǎn)方式有簡(jiǎn)單投產(chǎn)方式和聯(lián)作投產(chǎn)方式^[3]。普光氣田試采資料表明，酸壓改造(酸化壓裂)可以有效解除地層污染，恢復(fù)或提高氣井產(chǎn)能，所以大部分井在投產(chǎn)前進(jìn)行酸壓儲(chǔ)層改造；施工壓井會(huì)對(duì)地層造成嚴(yán)重污染，酸壓后壓井甚至能引發(fā)井漏，所以投產(chǎn)方式應(yīng)盡量避免壓井施工，特別是酸壓后壓井；因此，考慮普光氣田為高壓、高含硫氣田，為有效控制井噴造成的有毒氣體泄漏，提高生產(chǎn)的安全性，投產(chǎn)方式應(yīng)盡量采取起下作業(yè)次數(shù)少的聯(lián)作方式。研究認(rèn)為，對(duì)于產(chǎn)能需要酸壓恢復(fù)的氣井，采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式；對(duì)于采用篩管完井的水平井，應(yīng)采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式；對(duì)于高產(chǎn)井可考慮射孔后直接投產(chǎn)方式。

    通過(guò)對(duì)各種投產(chǎn)方式研究結(jié)果，普光氣田的生產(chǎn)管柱均采用為酸壓生產(chǎn)一體化完井管柱。因此管柱設(shè)計(jì)除考慮滿足長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的需要，還應(yīng)充分考慮酸壓施工對(duì)井下管柱的影響^[1，4]。①普光氣田為高壓高含硫氣藏，為預(yù)防井噴失控、保證氣井在緊急狀況下安全可靠關(guān)閉，管柱應(yīng)配套抗H₂S、CO₂腐蝕的井下安全閥，并在上下應(yīng)用流動(dòng)短節(jié)，以防止由于安全閥通徑變化引發(fā)的沖蝕問(wèn)題。②為保護(hù)套管免遭H₂S、CO₂的腐蝕和承受較高的壓力，管柱應(yīng)配套密封性、抗腐蝕性能好、耐高壓、高溫的永久性封器。封隔器下部設(shè)計(jì)使用坐落短節(jié)，作為坐封封隔器、管柱試壓、不壓井作業(yè)，壓力監(jiān)測(cè)等備用。③為便于封隔器坐封后頂替環(huán)空或油管中的鉆、完井液，反排酸液，或在緊急情況下進(jìn)行循環(huán)壓井，管柱應(yīng)在封隔器上部配套滑套。④管柱最下部提供了剪切球座，底部為引鞋設(shè)計(jì)，使得過(guò)油管繩纜作業(yè)順利，剪切后的球及球座落入井底。⑤伸縮節(jié)用以補(bǔ)償油管因溫度和壓力變化引起的管柱伸長(zhǎng)或收縮，可使封隔器處于最低的拉力或推力范圍。該工具的特點(diǎn)決定此處是引起管柱漏失的薄弱點(diǎn)，使用應(yīng)盡可能謹(jǐn)慎。經(jīng)過(guò)管柱受力計(jì)算，證明在酸壓、生產(chǎn)、封隔器座封等狀況下，管柱均在安全受力范圍內(nèi)，所以管柱不配套伸縮節(jié)。⑥其他井下工具如井下壓力、溫度測(cè)試系統(tǒng)、井下加藥設(shè)備等，可根據(jù)生產(chǎn)需要優(yōu)化、配套。

設(shè)計(jì)后的管柱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，油管用合金鋼防腐管，井下工具能滿足抗硫化氫腐蝕需要，耐溫150℃，耐壓70MPa，油管絲扣為金屬氣密封VAM TOP。圖1-a是不帶加藥閥和井下壓力計(jì)的生產(chǎn)管柱，一般在斜井和產(chǎn)量較高的井中使用；圖1-b是采用毛細(xì)管組成的能加注溶硫劑的生產(chǎn)管柱，在產(chǎn)量較低易產(chǎn)生硫沉積的氣井中使用；圖1-c是可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底溫度和壓力的生產(chǎn)管柱，在井下又安裝了壓力、溫度傳感器，一般只在直井中采用。

 

    普光氣田井口各部件必須滿足API 6A 19^th和NACE MR 0175標(biāo)準(zhǔn)的抗H₂S、抗CO₂要求，且具備遠(yuǎn)程控制功能。由于地層破裂壓力高，考慮到酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)，采氣井口裝置壓力等級(jí)選用70、105MPa。普光氣田采氣樹(shù)采用雙翼雙閥十字井口，材料級(jí)別為HH級(jí)，內(nèi)襯625鎳基合金，在主通徑上安裝1個(gè)安全閥，生產(chǎn)翼和油管頭一側(cè)翼裝儀表法蘭，生產(chǎn)翼上安裝籠套式節(jié)流閥。采用井口和井下兩級(jí)安全閥控制系統(tǒng)，可對(duì)異常壓力、著火、氣體泄露、下游事故信號(hào)實(shí)現(xiàn)井口緊急關(guān)斷。地面安全控制系統(tǒng)(ESD)能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)平臺(tái)的單井關(guān)斷和所有氣井的同時(shí)關(guān)斷，并根據(jù)關(guān)斷邏輯設(shè)置關(guān)斷地面安全閥(SSV)或(和)井下安全閥(SCSSV)。ESD與SCADA系統(tǒng)相連，采氣樹(shù)溫度壓力、油管頭側(cè)溫度壓力、輸送管線壓力、地面安全閥SSV的閥位、易熔塞壓力等信號(hào)可遠(yuǎn)傳至站控系統(tǒng)SCS。ESD根據(jù)站控系統(tǒng)SCS指令關(guān)斷井上安全閥SSV和井下安全閥SCSSV。控制系統(tǒng)關(guān)斷后，開(kāi)啟安全閥必須是現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)復(fù)位。安全閥的開(kāi)啟順序?yàn)橄乳_(kāi)井下安全閥，后開(kāi)地面安全閥。

    高含硫氣井生產(chǎn)管柱的選材，除了滿足強(qiáng)度要求條件下，還應(yīng)根據(jù)H₂S、CO₂的分壓和地層溫度來(lái)選擇。根據(jù)管材選用流程及分析圖(圖2)，結(jié)合普光氣田主體流體性質(zhì)和生產(chǎn)條件，管材需要采用含鉻20%以上、鎳40%以上、鉬3%以上的高鎳基合金鋼材料，硬度(HRC)小于40。

 

    通過(guò)室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)高抗硫鋼和高鎳基合金鋼耐腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、2。

    注：加速實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3%NaCl+0.5%HAc+飽和H₂S和CO₂，不加速實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為3%NaCl+飽和H₂S和CO₂，1psi=6.89476MPa。

材料	應(yīng)力開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)				單質(zhì)硫環(huán)境下腐蝕實(shí)驗(yàn)
	屈服強(qiáng)度(MPa)	洛氏硬度	時(shí)間(d)	應(yīng)力開(kāi)裂	腐蝕速率(mm/a)
SM2535	868	32	42	無(wú)	0.035
INCONEL 718	827	30	42	無(wú)	0.031
INCOLOY 825	952	30	42	無(wú)	0.028
INCOLOY 925	786	38	42	無(wú)	0.028
INCOLOYG3	920	33	120	無(wú)	0.014
C-276	1342	43.5	15	無(wú)	0.005

    由表1數(shù)據(jù)可看出，高抗硫鋼在不加速和加速實(shí)驗(yàn)條件下，平均腐蝕速率為0.22～5.99mm/a，是部頒標(biāo)準(zhǔn)的2.9～78.8倍，腐蝕十分嚴(yán)重。從室內(nèi)腐蝕速率的角度來(lái)看，在井下溫度80℃時(shí)，流體對(duì)套管腐蝕最嚴(yán)重，而且高抗硫鋼管不能滿足普光氣田生產(chǎn)需要。另外，表1顯示國(guó)外高抗硫管材耐硫化物應(yīng)力腐蝕破裂性能比國(guó)內(nèi)高抗硫管材穩(wěn)定，臨界應(yīng)力值高，在120℃時(shí)的全浸腐蝕速率小于國(guó)內(nèi)高抗硫鋼。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩種高抗硫管材的耐硫化物應(yīng)力腐蝕破裂臨界應(yīng)力值均低于110×10³psi屈服強(qiáng)度的性能指標(biāo)。全浸腐蝕試驗(yàn)以后，氣、液相試件表面均有腐蝕斑跡，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣已經(jīng)產(chǎn)生了腐蝕。并且兩種高抗硫鋼的腐蝕速率均大大超過(guò)了部頒標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕十分嚴(yán)重。綜合考慮全浸腐蝕速率實(shí)驗(yàn)及應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種高抗硫鋼管均不能滿足普光氣田生產(chǎn)需要。

    從表2可看出，在15%NaCl+H₂S(1.38MPa)+CO₂(0.69MPa)+S(1g/L)、溫度232℃的實(shí)驗(yàn)

條件下，SM2535、718、825、925在42d內(nèi)均未發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂；C276在15d內(nèi)未發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂，G3在120d內(nèi)未發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂。SM2535、825、925、718、G3、C276在15%NaCl+H ₂S(1.38MPa)+C0₂(0.69MPa)+S(1g/L)、溫度232℃的實(shí)驗(yàn)條件下，腐蝕速率很小，均低于部頒標(biāo)準(zhǔn)。其中G3和C276的耐腐蝕性能更好。

    根據(jù)管材選擇依據(jù)和高鎳基合金鋼材料的室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合考慮普光氣田生產(chǎn)管柱選擇G3或同等級(jí)的高鎳基合金鋼材料，根據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)，所選管材的HRC需小于40。井下工具應(yīng)選擇718高鎳基合金鋼材料。

    為了防止環(huán)空腐蝕，環(huán)空流體中加注緩蝕劑，使其在管壁上形成一層保護(hù)膜。緩蝕劑對(duì)應(yīng)用環(huán)境的選擇要求很高，針對(duì)性很強(qiáng)。隨著溫度、壓力、流速等的改變，應(yīng)選用不同的緩蝕劑。緩蝕劑的選擇，除了考慮系統(tǒng)中介質(zhì)的組分、運(yùn)行參數(shù)及可能發(fā)生的腐蝕類型，還要了解緩蝕劑的緩蝕性能與處理介質(zhì)及其他添加劑的兼容性等。

    普光氣田采用井下封隔器來(lái)防護(hù)油管外壁和套管內(nèi)壁環(huán)形空間的腐蝕，封隔器將油管與套管環(huán)空密封，阻止來(lái)自氣層的含H₂S酸性天然氣及地層水進(jìn)入。

    普光氣田開(kāi)發(fā)推薦采用高鎳基合金鋼防腐方案，材質(zhì)為G3。由于封隔器下入位置在產(chǎn)層以上50～100m處，為了使封隔器可靠坐封，高鎳基合金鋼材質(zhì)套管應(yīng)至少在產(chǎn)層200m處。

    1) 對(duì)普光高含硫碳酸鹽巖氣藏采用酸壓生產(chǎn)一體化投產(chǎn)方式。

    2) 普光氣田氣井采用生產(chǎn)封隔器永久完井管柱，管柱結(jié)構(gòu)在滿足工藝要求的前提下應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。油管選用G3材質(zhì)，井下工具選用Inc718材質(zhì)，油管絲扣為VAM TOP扣。

    3) 普光氣田氣井HH級(jí)采氣井口裝置，并配置井下安全閥和(或)井口安全閥，以便在緊急情況下實(shí)現(xiàn)安全關(guān)井。

    4) 在完井作業(yè)中，采用封隔器完井，避免含硫天然氣接觸上部套管內(nèi)壁和油管外壁，在環(huán)空保護(hù)液中加入緩蝕劑等綜合措施減少腐蝕，延長(zhǎng)氣井壽命。

[1] 陳中一.四川含硫氣井完井工藝技術(shù)探討[J].天然氣工業(yè)，1996，16(4)：43-45.

[2] 楊繼盛.采氣工藝基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1992：44-52.

[3] 王寧.川東北高含硫氣井完井修井工藝技術(shù)探討[J].鉆采工藝，2003，26(增刊)：75-79.

[4] 尹叢彬，熊繼有，石孝志，等.羅家寨高含硫氣田水平井酸化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向分析[J].天然氣工業(yè)，2005，25(10)：55-57.

 

(本文作者：張慶生^1，2 吳曉東¹ 魏風(fēng)玲² 史曉貞² 宋建虎³ 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院；2.中國(guó)石化中原油田采油工程技術(shù)研究院；3.中國(guó)石化中原油田采油二廠)