羅偉 何宏俊 唐鋒 楊繼現(xiàn) 劉振濤 孫濤

1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院；3.中國石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院；4.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司

隨著國內(nèi)高含硫天然氣資源的不斷發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模開發(fā)利用高含硫天然氣資源是我國能源領(lǐng)域目前面臨的重要課題，而大量高含硫氣田在開發(fā)過程中，由于惡劣的井下腐蝕環(huán)境以及復(fù)雜的井況工況，使得完井管柱泄漏(包括油管絲扣/本體泄漏、安全閥泄漏和封隔器泄漏等)常見于其生產(chǎn)過程中，塔里木油田、普光氣田、龍崗氣田以及元壩氣田均存在此類現(xiàn)象，完井管柱泄漏將直接導(dǎo)致油套環(huán)空出現(xiàn)持續(xù)環(huán)空壓力，嚴(yán)重威脅該類氣井的井筒完整性和安全生產(chǎn)［1-3］。同時根據(jù)大量現(xiàn)場漏點檢測資料以及生產(chǎn)情況反映，完井管柱泄漏往往不是以單漏點的形式存在，通常是同時存在多個漏點［4-8］。對于多漏點情形，其環(huán)空壓力上升規(guī)律并不是由某一個漏點單獨決定，而是由所有漏點共同控制，相對于單漏點情形，多漏點泄漏還存在一個顯著的特征，就是在引起環(huán)空壓力上升的同時，油套環(huán)空液面也在不斷降低，這一點已經(jīng)在多口高含硫氣井中得到了證實。一旦環(huán)空液面下降，油套環(huán)空上部抗硫套管將處于無環(huán)空保護液狀態(tài)，將面臨在含H2S、CO2及水汽的復(fù)雜氣相中的嚴(yán)重腐蝕，威脅生產(chǎn)［9-12］。因此開展完井管柱多漏點泄漏規(guī)律分析并提出合理的控制措施對于保障高含硫氣井的安全生產(chǎn)具有重要意義。筆者首先對完井管柱多漏點泄漏模式及每種泄漏模式對應(yīng)的泄漏規(guī)律進行了分析，然后結(jié)合高含硫氣井的實際情況提出了相應(yīng)的控制措施，最后將研究成果進行了現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，為高含硫氣井環(huán)空帶壓管理與井筒風(fēng)險控制提供了一定參考依據(jù)［13-14］。

1 多漏點泄漏規(guī)律分析

對于高含硫氣井，普遍采用帶永久式封隔器的一次性完井管柱，管柱上的風(fēng)險泄漏點包括油管頭、油管絲扣、油管本體穿孔、井下安全閥、循環(huán)滑套和永久式封隔器等。對于所有風(fēng)險泄漏點的泄漏形式可以分為3種：第1種為本體泄漏，泄漏點相對較大，既泄氣又漏液；第2種為絲扣泄漏，泄漏點相對較小，過氣不過液；第3種為封隔器泄漏。根據(jù)泄漏點組合的可能性，將完井管柱多漏點泄漏模式分為3種情形。

1.1 上漏點+下漏點絲扣泄漏

這種多漏點情形對應(yīng)的泄漏過程如圖1所示：剛開始泄漏時兩漏點處的油管流壓pt都大于環(huán)空靜壓pa，兩漏點同時向環(huán)空泄氣，隨著泄漏氣體的進入，環(huán)空壓力逐漸上升，漏點處兩邊的壓差越來越小。當(dāng)環(huán)空壓力pa上升到下漏點對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值p1時，下漏點處油管與環(huán)空兩端的壓力平衡(pt2=pa2)，停止泄氣，而上漏點處的油管流壓還是大于環(huán)空靜壓(pt1＞pa1)，環(huán)空壓力的持續(xù)上升就僅靠上漏點的氣體泄漏來維持。當(dāng)環(huán)空壓力上升到上漏點對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值p2時(p2＞p1)，上漏點處的油管流壓等于環(huán)空靜壓(pt1=pa1)，整個氣體泄漏過程結(jié)束，環(huán)空壓力達到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)環(huán)空壓力在p1和p2之間時，下漏點處的環(huán)空靜壓雖然大于油管流壓(pt2＜pa2)，但是由于下漏點為絲扣泄漏，過氣不過液，所以不會出現(xiàn)環(huán)空保護液泄漏的情形。

圖1 上漏點+下漏點絲扣泄漏模式對應(yīng)的泄漏過程Fig.1 The leak process corresponding to the leak model of upper leak point +thread leak at the lower leak point

由多漏點泄漏過程可以看出，在環(huán)空壓力上升到p1之前，環(huán)空壓力的上升速度由上下漏點共同控制，當(dāng)環(huán)空壓力大于p1之后，環(huán)空壓力的上升速度就單獨由上漏點控制，而最終穩(wěn)定壓力p2的大小也由上漏點控制，所以對于這種多漏點情形，下漏點只起一個加速泄漏的作用，環(huán)空壓力的上升主要由上漏點控制，該模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律如圖2所示。

圖2 上漏點+下漏點絲扣泄漏模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律Fig.2 The annulus pressure increasing law corresponding to the leak model of upper leak point +thread leak at the lower leak point

對于這種多漏點情形，通過擬合現(xiàn)場壓恢實測曲線，反演解釋出的泄漏點深度為上漏點深度，反演解釋出的泄漏點大小為上下漏點的一個綜合反映。

1.2 上漏點+下漏點本體泄漏

這種多漏點情形類似于第1種，只是下漏點為油管或循環(huán)滑套本體泄漏，過氣也過液。對應(yīng)的泄漏過程如圖3所示：剛開始泄漏時兩漏點處的油管流壓pt都大于環(huán)空靜壓pa，兩漏點同時向環(huán)空泄氣，環(huán)空壓力逐漸上升。當(dāng)環(huán)空壓力上升到下漏點對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值p1時，下漏點兩端處于壓力平衡(pt2=pa2)，停止泄氣，而上漏點繼續(xù)泄氣。當(dāng)環(huán)空壓力繼續(xù)上升，下漏點處環(huán)空靜壓大于油管流壓(pt2＜pa2)，由于下漏點為本體泄漏，過氣也過液，環(huán)空保護液就會通過下漏點泄漏出去，導(dǎo)致環(huán)空液面下降，此時上漏點還在繼續(xù)泄氣，這種狀態(tài)被定義為“環(huán)空上泄氣下漏液同存”狀態(tài)。當(dāng)環(huán)空壓力上升到某個值p2和環(huán)空液面下降到某個高度Ls時，上下漏點兩端達到壓力平衡，停止泄氣漏液，環(huán)空壓力和環(huán)空液面達到穩(wěn)定狀態(tài)。

對于這種多漏點情形，整個泄漏過程中，環(huán)空壓力的上升速度和環(huán)空液面的下降速度由上下漏點共同控制，無論哪個漏點變大，環(huán)空壓力的上升速度和環(huán)空液面的下降速度都會加快。最終穩(wěn)定壓力p2的大小由上漏點控制，最終環(huán)空液面穩(wěn)定高度Ls的大小由下漏點控制，該模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律和環(huán)空液面下降規(guī)律如圖4和圖5所示。

圖3 上漏點+下漏點本體泄漏模式對應(yīng)的泄漏過程Fig.3 The leak process corresponding to the leak model of upper leak point +body leak at the lower leak point

圖4 上漏點+下漏點本體泄漏模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律Fig.4 The annulus pressure increasing law corresponding to the leak model of upper leak point +body leak at the lower leak point

圖5 上漏點+下漏點本體泄漏模式對應(yīng)的環(huán)空液面下降規(guī)律Fig.5 The annulus liquid level dropping law corresponding to the leak model of upper leak point +body leak at the lower leak point

對于這種多漏點情形，通過擬合現(xiàn)場壓恢實測曲線，可以首先反演解釋出上漏點深度，然后結(jié)合環(huán)空液面監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以反演解釋出下漏點深度，而反演解釋出的泄漏點大小為上下漏點的一個綜合反映。

1.3 上漏點+封隔器泄漏

這種多漏點情形為完井管柱上先存在一個漏點，而封隔器膠皮由于疲勞損傷和長期腐蝕環(huán)境服役材料性能退化，一旦環(huán)空壓力上升到一極限值，封隔器處承壓達到對應(yīng)的突破壓力，封隔器膠皮就會瞬時失效，環(huán)空保護液就會出現(xiàn)大漏。具體的泄漏過程如圖6所示：上漏點先泄氣，環(huán)空壓力逐漸上升，當(dāng)環(huán)空壓力上升到某個值p1時，封隔器處承壓達到對應(yīng)的突破壓力pb，膠皮瞬時失效，此時環(huán)空保護液經(jīng)封隔器發(fā)生大漏，環(huán)空液面迅速降低至L1，由于上漏點泄漏氣體補充不及，環(huán)空壓力將出現(xiàn)一個突降達到p2，此時封隔器處承壓又將低于對應(yīng)的突破壓力pb，環(huán)空保護液停止泄漏。上漏點繼續(xù)泄氣，當(dāng)環(huán)空壓力上升到某個值p3(p3＞p1)時，封隔器處承壓又達到突破壓力pb，重復(fù)上一個泄漏過程，如此反復(fù)，直到環(huán)空壓力上升到某個值ps、環(huán)空液面下降到某個高度Ls時，上漏點處兩端達到壓力平衡(pt1=pa1)，停止泄氣，且封隔器處承壓也小于對應(yīng)的突破壓力pb，停止漏液，環(huán)空壓力和環(huán)空液面達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 上漏點+封隔器泄漏模式對應(yīng)的泄漏過程Fig.6 The leak process corresponding to the leak model of upper leak point +packer leak

對于這種多漏點情形，在泄漏過程中，環(huán)空壓力將出現(xiàn)上升→突降→上升→突降，如此重復(fù)達到穩(wěn)定這一規(guī)律，而環(huán)空液面也會出現(xiàn)穩(wěn)定→突降→穩(wěn)定→突降，如此重復(fù)最終穩(wěn)定這一規(guī)律。最終穩(wěn)定壓力ps的大小由上漏點控制，最終環(huán)空液面高度Ls的大小由封隔器對應(yīng)突破壓力控制，該模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律和環(huán)空液面下降規(guī)律如圖7和圖8所示。

圖7 上漏點+封隔器泄漏模式對應(yīng)的環(huán)空壓力上升規(guī)律Fig.7 The annulus pressure increasing law corresponding to the leak model of upper leak point +packer leak

圖8 上漏點+封隔器泄漏模式對應(yīng)的環(huán)空液面下降規(guī)律Fig.8 The annulus liquid level dropping law corresponding to the leak model of upper leak point +packer leak

對于這種多漏點情形，通過擬合現(xiàn)場壓恢實測曲線，可以首先反演解釋上漏點深度，然后結(jié)合環(huán)空液面監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以反演解釋出封隔器對應(yīng)的突破壓力。

需要特別說明的是，這里僅以雙漏點為例進行完井管柱多漏點泄漏規(guī)律分析主要是由于：(1)高含硫氣井完井管柱下入時，都會進行氣密封檢測，完井管柱出現(xiàn)過多漏點的可能性不大；(2)如果漏點過多，距離相近的漏點可以當(dāng)成一個漏點來處理。同時對于高含硫氣井，技套環(huán)空水泥漿都是返至井口的，并且部分油層套管采用的是回接方式，套管磨損較少，地層氣體想要穿過水泥環(huán)和套管破損點進入油套環(huán)空的可能性不大，因此本文在設(shè)定多漏點泄漏時并沒有考慮套管泄漏點。

2 多漏點泄漏控制措施

多漏點泄漏最直接的控制措施是采用壓差激活封竄劑將井下漏點修復(fù)，但其實施過程需開展壓井、開循環(huán)滑套、循環(huán)頂替出環(huán)空保護液、泵注封竄劑至漏點位置等施工流程，而且還需找到井下漏點的精準(zhǔn)位置，對于高含硫氣井，采用這種堵漏技術(shù)成本高、風(fēng)險大、容易產(chǎn)生次生事故，故難以實施［15-18］。因此，根據(jù)高含硫氣井的特殊情況，同時結(jié)合前面分析的多漏點泄漏規(guī)律，創(chuàng)新性提出3種操作簡單、現(xiàn)場易實施、成本較低的控制措施。

2.1 井下節(jié)流技術(shù)

以第2種和第3種多漏點情形來說明井下節(jié)流技術(shù)對多漏點泄漏的控制作用。在上下漏點之間或上漏點與封隔器之間安裝1個井下節(jié)流器，如圖9所示，可以看出，當(dāng)安裝井下節(jié)流器后，上漏點處的油管流壓迅速降低，由于油套竄通，環(huán)空壓力也迅速降低，由于井下節(jié)流器在下漏點/封隔器之上，下漏點/封隔器處的油管流壓一直保持不變，通過泄壓/加注環(huán)空液面就會逐漸抬升，因此對于多漏點泄漏，井下節(jié)流技術(shù)不僅可以使環(huán)空壓力下降，而且還可以使環(huán)空液面高度提升。同時井下節(jié)流技術(shù)對于高含硫氣井還可以起到抑制水合物生成和降低井口壓力的作用。目前井下節(jié)流器主要有活動式和固定式2種類型，活動式井下節(jié)流器可根據(jù)需要下入井筒任意位置，坐封位置可調(diào)，投放打撈作業(yè)方便可靠，因此特別適用。

圖9 多漏點泄漏模式安裝井下節(jié)流器示意圖Fig.9 Installation sketch of downhole choke in the model of multiple-point leak

2.2 碳酸鈣堵漏技術(shù)

將碳酸鈣顆粒加入環(huán)空保護液中通過加注進入環(huán)空，碳酸鈣顆粒自由沉降到達封隔器處產(chǎn)生堆積，起到提高封隔器承壓能力的目的。對攜帶碳酸鈣顆粒的環(huán)空保護液有2點要求，既要保證碳酸鈣顆粒在輸送過程中不沉降，又要使其能在一定時間內(nèi)進行沉積堆積。通過實驗評價，黃原膠環(huán)空保護液體系能達到以上要求，將100目碳酸鈣顆粒(10%)加入黃原膠環(huán)空保護液體系中，觀察碳酸鈣顆粒在該體系中隨時間的沉降變化，實驗結(jié)果如圖10所示，16 h內(nèi)碳酸鈣顆粒不會發(fā)生沉降，輸送時間充足，16～32 h內(nèi)碳酸鈣顆粒發(fā)生沉降，32 h時碳酸鈣顆粒基本沉積到試管底部。具體的環(huán)空保護液配方為：清水+2.5%緩蝕劑+0.25%除氧劑+0.05%氫氧化鈉+0.25%殺菌劑+0.5%除硫劑+0.4%～1%黃原膠+10% 100目碳酸鈣顆粒。

2.3 高黏低密度環(huán)空保護液技術(shù)

高含硫氣井投產(chǎn)時，由于壓井需求，初始環(huán)空保護液密度往往大于1.0 g/cm3。對于多漏點泄漏，下漏點和封隔器處壓力平衡時能承受的環(huán)空壓力和靜液柱壓力總和是一定的，通過加注低密度環(huán)空保護液(1.0 g/cm3)可以在環(huán)空壓力相同的情況下建立更高的環(huán)空液面高度。增加環(huán)空保護液的黏度，在發(fā)生多漏點泄漏時，可以使環(huán)空保護液泄漏速度更慢，環(huán)空壓力的上漲速度也會相應(yīng)降低。

圖10 黃原膠環(huán)空保護液體系中碳酸鈣顆粒的沉降變化Fig.10 Settlement change of calcium carbonate particles in xanthan annulus protection liquid system

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

以某高含硫氣田X井為例，該井完井管柱上油管有 6種規(guī)格：?88.9 mm×9.52 mm BG2830-125 BGT1+?88.9 mm×9.52 mm TP125-TDJ028 TPG2+?88.9mm×9.52 mm TP125-TDJG3 TPG2+?89 mm×6.45 mm BG2830-125 BGT1+ ?88.9 mm×6.45 mm BG 2532-125 BGT1+?88.9 mm×6.45 mm BG2250-125 BGT1，變扣較多。井下工具包括：井下安全閥+循環(huán)滑套+永久式封隔器+球座(見圖11)。

圖11 某高含硫氣田X井的完井管柱示意圖Fig.11 Schematic completion string of Well X in one certain high-sulfur gas field

該井從投產(chǎn)至今的生產(chǎn)曲線如圖12所示，根據(jù)生產(chǎn)曲線反映出的規(guī)律并結(jié)合現(xiàn)場實際所采取的措施作業(yè)將該井從投產(chǎn)至今分為了4個階段。第1個階段為開始生產(chǎn)至2015年5月9日，該階段環(huán)空壓力由8.57 MPa上升到37.72 MPa，環(huán)空液面高度由井口下降到3 900 m左右(5月7日通過液面測試儀對該井進行了8次液面監(jiān)測，測得平均液面高度為3 917 m)，同時在環(huán)空壓力上升過程中，出現(xiàn)了幾次明顯的突降→上升→突降→上升過程，通過這一特征可以明確判斷封隔器在這個階段發(fā)生了幾次突破，出現(xiàn)了液體大漏，從液面監(jiān)測結(jié)果也可以反映。同時環(huán)空壓力也在持續(xù)上漲，環(huán)空氣樣成分與產(chǎn)出氣樣成分基本一致(表1)，根據(jù)與前面多漏點泄漏模式比對，初步判斷完井管柱上部也存在一個漏點，屬于典型的上漏點+封隔器泄漏模式?，F(xiàn)場采用井溫測井技術(shù)進行證實，結(jié)果顯示在上提下放過程中井筒2 690 m左右有一個明顯的溫度突變，說明此處存在漏點的可能性很大。結(jié)合該井投產(chǎn)時下入的油管組合，2 690 m處為?88.9 mm×9.52 mm TPG2和?88.9 mm×6.45 mm BGT1油管連接的變扣接頭處，泄漏風(fēng)險較大，因此綜合判斷完井管柱上部也存在一個漏點，且位于2 690 m左右。

圖12 X井投產(chǎn)以來的生產(chǎn)曲線Fig.12 Production curve of Well X since commissioning

表1 X井套管氣與產(chǎn)出氣成分對比Table 1 Compositional comparison between casing gas and produced gas of Well X

第 2階段為 2015年 5月 10日—12月 21日，該階段出現(xiàn)了油壓快速降低，明顯快于整個區(qū)塊的平均油壓衰減速度，而且在產(chǎn)量降低時油壓沒升反而降了，從這兩點可以明確判斷井筒內(nèi)正在逐漸形成堵塞(此階段產(chǎn)水量基本不變)，形成堵塞相當(dāng)于設(shè)置了井下節(jié)流點，使上漏點處的油管流壓越來越低，所以通過泄壓，恢復(fù)的環(huán)空壓力越來越小。同時為了加快建立更高的環(huán)空液面，現(xiàn)場還采用了碳酸鈣堵漏技術(shù)和高黏低密度環(huán)空保護液技術(shù)，堆積的碳酸鈣封隔層使封隔器的承壓能力得到提高，通過泄壓加注，環(huán)空液面得到了大大抬升，2015年12月23日測得的平均液面高度為2 100 m左右。所以從這個階段可以看出，3種多漏點泄漏控制措施起到了積極的作用，使環(huán)空由高環(huán)空壓力低環(huán)空液面狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了低環(huán)空壓力高環(huán)空液面狀態(tài)，風(fēng)險降低。

第3階段為2015年12月22日—2017年8月31日，這個階段開始時井筒內(nèi)的堵塞已經(jīng)形成并達到了穩(wěn)定狀態(tài)，油壓穩(wěn)定在20 MPa左右，環(huán)空壓力穩(wěn)定在10 MPa左右，環(huán)空液面穩(wěn)定在2 100 m左右，說明油套之間建立了動態(tài)平衡。

第4階段為2017年9月1日至今，在9月1日，該井進行了井筒解堵作業(yè)，解堵后油壓上升到33 MPa，環(huán)空壓力也隨之上升到20 MPa，環(huán)空液面也下降到了2 500 m左右，從這點也反過來說明了井筒堵塞也就是設(shè)置井下節(jié)流點對于控制多漏點泄漏的作用，但當(dāng)時為了進一步釋放產(chǎn)能，并且經(jīng)過兩年多生產(chǎn)地層壓力大大衰減，解堵后環(huán)空不可能恢復(fù)到第1階段的危險狀態(tài)，故現(xiàn)場開展了井筒解堵作業(yè)。

通過對該井整個生產(chǎn)過程的梳理和分析，驗證了多漏點泄漏規(guī)律分析結(jié)果的合理性以及提出的多漏點泄漏控制措施的有效性。

4 結(jié)論

(1)高含硫氣井井下完井管柱泄漏往往不是以單漏點的形式存在，而是同時存在多個漏點，根據(jù)泄漏點組合的可能性，將多漏點泄漏模式分為了3種類型：①上漏點+下漏點絲扣泄漏模式；②上漏點+下漏點本體泄漏模式；③上漏點+封隔器泄漏模式。

(2)當(dāng)下漏點為過氣不過液的絲扣泄漏時，其對于多漏點泄漏只起一個加速泄漏的作用；當(dāng)下漏點為過氣也過液的本體泄漏時，泄漏過程中會出現(xiàn)“環(huán)空上泄氣下漏液同存”狀態(tài)；當(dāng)下漏點為封隔器泄漏時，環(huán)空壓力上升過程中會多次出現(xiàn)明顯的上升→突降模式，環(huán)空液面也會呈現(xiàn)階梯式下降。

(3)針對完井管柱多漏點泄漏，提出3種控制措施：井下節(jié)流技術(shù)、碳酸鈣堵漏技術(shù)和高黏低密度環(huán)空保護液技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可在類似高含硫氣田推廣應(yīng)用。