高含硫气田井底落鱼井安全生产技术探讨

梁馨月 梁红娇 王彦鹏 曾顺鹏 高强

(1.中石油中原油田普光分公司采气厂，四川 达州 636156;2.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331;3.中石油川庆钻探工程公司长庆钻井总公司定向井公司，陕西 榆林 718500)

普光气田具有高温、高压、高含硫等特点，其开发井存在腐蚀严重、易喷易漏、安全风险高等生产难题。有部分作业井在完井过程中，由于操作失误导致作业工具掉入井下而形成井底落鱼。落鱼打捞成本高，难度大，滞留井底易产生腐蚀颗粒。腐蚀颗粒脱离落鱼本体后，在高速气流带动下被携带至地面，可在途经的生产流程中造成冲蚀或堵塞，损坏设备，严重的甚至导致硫化氢泄漏并停产。

PG-1井为普光主体的一口开发井，完钻井深6 016.00 m，日产液4.07 m3/d。2009年3月30日在该井射孔完成后上提射孔管柱时遇卡，在洗井、倒扣及对扣震击打捞无效的情况下，保留口袋，下入完井工具，形成井底落鱼(材质为TP110SS)。落鱼鱼顶深度达5 508.83 m，总长 301.58 m，落鱼基本覆盖整个生产井段。落鱼在井底高温(135℃)、高压(55 MPa)、含残余作业液和酸气的条件下，与大量H2S、CO2、Cl-等腐蚀成分发生反应，生成 Fe2O3·(H2O)x、FeSx、Fe2CO3等腐蚀颗粒，颗粒大小不均匀。如果气流速度较大，腐蚀颗粒将会被带出地面，冲蚀生产流程;如果气流速度过低，又会造成井筒积液和硫堵［1］。针对以上现象，为了维持气井的安全生产，本次研究拟建立临界冲蚀流量、临界携硫颗粒流量及临界携液流量模型，优化气井产量，探讨可行的安全生产配套工艺。

1 落鱼腐蚀特征分析

井下落鱼在生产中受多种腐蚀因素的影响，主要影响因素包括H2S/CO2分压、矿化度、温度、单质硫、气体流速等，腐蚀机理复杂。

1.1 井底腐蚀特征

(1)H2S与CO2分压的影响。PG-1井中，pH2S=7.0，pCO2/pH2S=0.56。根据碳钢腐蚀规律，属于H2S腐蚀，腐蚀产物致密，颗粒小且不易脱离本体。

(2)矿化度的影响。随着生产的持续进行，残酸反排导致Cl-浓度逐渐降低，腐蚀速度先升后降，当氯离子浓度为50 000 mg/L时电化学腐蚀性最强，但不会发生应力开裂及氢致开裂。

(3)温度的影响。根据该井生产环境分析，气井开井初期温度变化不大(井底温度135℃)，高于腐蚀开裂最低限值，不会发生应力开裂［2］，温度对落鱼腐蚀程度的影响不大。

(4)单质硫的影响。单质硫的腐蚀速度大于氢原子渗入金属内部形成氢鼓泡的速度，在大量单质硫存在的条件下，碳钢材料来不及形成裂纹源即被快速腐蚀掉［1］。因此，单质硫的存在极大地增加了碳钢的腐蚀速率，主要腐蚀形式仍然为电化学腐蚀。

在井下复杂环境中，PG-1井落鱼腐蚀主要表现为电化学腐蚀引起的腐蚀失重;同时，在生产过程中，气体流速对落鱼腐蚀速度的影响更加突出。

1.2 气体流速的影响

气体流速的大小对落鱼的腐蚀速度影响很大，也很复杂。流速与腐蚀速度的关系如图1所示，图中vc为临界流速。若流体流速大于临界流速，流体会携带走附着在基体上的腐蚀产物，对生产设备造成冲蚀损坏;反之，若流体流速小于临界流速vc，则流体则很难带走附着在落鱼上的腐蚀产物［3］。因此，在临界流速以下计算得到合理的流速，可以减缓落鱼腐蚀速度，并防止腐蚀物冲蚀设备。

图1 流速与腐蚀的关系示意图

2 气井产能优化措施

为了防止气井落鱼腐蚀产物被携带至地面，对生产流程造成损害，同时也为了满足气井的配产要求，需要对气井产量进行优化。

2.1 优化原则

首先，气体流速不能过大，以防止落鱼产生的腐蚀物对生产流程造成冲蚀;其次，流速不能过小，以避免高含硫气藏在开采过程中存在的硫颗粒不能被携带出井口而导致的井筒内硫沉积;最后，流速必须满足气井的携液需求，防止井筒积液。

2.2 优化步骤

(1)计算临界冲蚀流量。当气井产气量大于冲蚀流量时，落鱼腐蚀产生的腐蚀颗粒会对管柱产生冲蚀力，冲蚀速度通过式(1)计算［4］:

式中:vs—临界冲蚀流速，m/s;

ρm— 气固混合物密度，kg/m3。

鉴于高含硫气井生产为连续过程，则c取100，冲蚀流量公式为:

式中:ρm— 气固混合物密度，kg/m3;

Qcs—高含硫气井临界冲蚀流量，104m3/d;

A—生产管柱横截面积，m2;

p—管柱内流动压力，MPa;

Z—气体压缩系数;

T— 气体温度，K。

计算出，该井临界冲蚀流量为32.15×104m3/d，因此配产应小于32.15×104m3/d。

(2)计算临界携硫颗粒流量。为了避免硫沉积堵塞气体流动通道，应保证配产大于临界携硫颗粒流量。根据气-固两相流动理论［5-6］，可得到气体携带硫颗粒临界流量计算模型:

式中:vp—临界携硫颗粒流速，m/s;

Qp—高含硫气井临界携硫颗粒流量，104m3/d;

ds— 硫颗粒直径，m;

ρs— 硫颗粒密度，kg/m3;

ρg— 天然气密度，kg/m3;

Cd—阻力系数。

计算该井临界携硫颗粒流量为15.216×104m3/d，配产应该大于15.216×104m3/d。

(3)计算临界携液流量。该井日产液4.07 m3/d，为了确保气井能够正常携液生产，防止井筒积液现象的发生，气井配产气量应高于临界携液流量。目前，常用Turner公式计算气井的临界携液流量［7］:

式中:Qcτ— 临界携液流量，104m3/d;

vcτ— 临界携液流速，m/s;

σ—气液表面张力，N/m;

ρl— 液体密度，kg/m3。

该井临界携液流量为11.38×104m3/d，配产应大于11.38 ×104m3/d。

综合分析，井底落鱼气井配产应大于气井临界携液量及临界携硫颗粒流量，小于临界冲蚀流量，PG-1井配产为30×104m3/d。

3 安全生产配套工艺及现场应用

为了降低落鱼腐蚀颗粒对生产流程的冲蚀力，控制可能产生的设备损坏、气体泄漏等风险，需要对生产工艺流程进行改进。

(1)加装采气树备用测试阀门。若井下落鱼产生的腐蚀残渣被气流携带至采气树测试阀门，气流方向有可能发生90°角变动，冲蚀测试阀门而导致井口气体泄漏。为了避免此类情况发生，应在原采气树测试阀门之上再加装备用测试阀门。

(2)增加井口分离器。投产之前，在井口集气流程中增加分离器。当井下气流经过采气树节流后进入分酸分离器，分离出液体及固体杂质之后再进入下一级集气处理工艺程序。

(3)安装套管压井泄压装置。为了保证发生井筒冲蚀损害时可以立刻实施压井或放喷，在该井安装套管压井泄压装置。

PG-1井于2011年5月23日投产，日产气量为30×104m3/d，到目前累计产气量已过亿方。气井套管压力和油套取样数据显示正常，气井油套密封性较好。气井产出液总铁含量稳定在正常值4 mg/L左右，未出现总铁含量异常放大的现象。取液样时，在液样中未发现腐蚀残渣，井底落鱼腐蚀状况稳定，采气树壁厚检测未见异常，气井冲蚀情况正常可控。

4 结语

针对高含硫气田井底落鱼现象，本次研究建立起临界冲蚀流量、临界携硫颗粒流量以及临界携液流量模型，对气井产量进行优化，探讨可行的安全生产配套工艺。认为落鱼腐蚀主要表现为电化学腐蚀引起的腐蚀失重，气体流速对腐蚀速率的影响也很大。井底落鱼井配产应大于气井临界携液量及临界携硫颗粒流量，小于临界冲蚀流量，PG-1井配产30×104m3/d比较合理。

［1］何生厚，曹耀峰.普光高酸性气田开发［M］.北京:中国石化出版社，2010:80-120.

［2］吴晓东，吴晗，韩国庆，等.考虑井筒硫析出的高含硫气井井筒温度、压力场计算新模型［J］.天然气工业，2011，31(9):69-72.

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