元坝气田超深酸性气藏完井投产关键技术

张朝举　铁忠银　曹学军　陈冬林

中石化西南石油工程有限公司

张朝举等.元坝气田超深酸性气藏完井投产关键技术. 天然气工业，2016， 36（9）: 61-68.

元坝气田超深酸性气藏完井投产关键技术

张朝举铁忠银曹学军陈冬林

中石化西南石油工程有限公司

张朝举等.元坝气田超深酸性气藏完井投产关键技术. 天然气工业，2016， 36（9）: 61-68.

元坝气田是中石化继普光气田后在四川盆地发现的又一个千亿立方米级储量的大型气田，也是国内目前埋藏最深的海相碳酸盐岩酸性气藏。其主力储层上二叠统长兴组具有超深、高温、高含硫、富含CO2、气水关系复杂等特征，完井作业面临的工程地质条件复杂，井型及完井方式多样，作业难度大。为此，中石化西南石油工程有限公司通过攻关研究及实践，形成了完井试气及地面控制、深度酸压改造、元坝超深小井眼井筒处理、微牙痕上扣及气密封检测、安全管控等一系列完井投产关键配套技术，攻克了气田开发过程中的管柱防腐、储层深度酸化压裂、高产测试、安全管控等世界级完井投产工程技术难题，成功应用近40口井，为该气田34×108m3天然气产能建设目标的完成提供了重要的技术支撑。

四川盆地元坝气田晚二叠世超深高含硫气藏完井投产酸压改造试气

1　元坝气田概况与完井投产技术难点

1.1气田概况

元坝气田位于四川省苍溪县和巴中市境内，构造上位于南秦岭米仓山推覆构造带南缘、大巴山弧形冲断构造带的西南侧（图1），整体属于四川盆地中部平缓构造带的一部分，埋藏深、构造变形弱、地层产状平缓、处于川北坳陷与川中隆起的过渡带。区块天然气资源丰富，探明天然气地质储量约2 000×108m3，其主力气层上二叠统长兴组探明地质储量约1 800×108m3，属于高含硫化氢（4.88%～5.14%）、中含二氧化碳（6.98%～7.50%）、常压（66.33～70.62 MPa）、高温（145.2～157.4 ℃）、超深（6 200～7 250 m）、裂缝—孔隙型、局部存在边（底）水、受礁滩体控制的岩性气藏。复杂的工程地质特征给完井投产作业工程带来了巨大挑战，通过系统研究攻关，形成了4类29项关键技术，有效解决了元坝气田勘探开发过程中遇到的大量技术瓶颈，为元坝气田安全、高效投产提供了重要的技术支撑。

1.2完井投产技术难点

元坝气田长兴组气藏埋藏超深、高温、高含硫、高产的特征决定了其勘探开发的高风险性，同时具有强非均质性、气水关系复杂的特点，导致在井筒处理、完井试气、储层改造及安全保障等方面面临诸多技术难题。

1.2.1超深、小井眼、水平段长、井筒处理难度大

元坝气田海相地层气井主要采用Ø139.7 mm、Ø127 mm或Ø114.3 mm衬管或套管完井，水平段较长、井眼小（表1）。由于完井投产管柱需带永久封隔器等大尺寸工具，与套管环空间隙小，增加了井筒准备及处理的难度和风险［1］。

图1　元坝区块构造位置图

表1　元坝气田海相地层部分井完井情况统计表

1.2.2温度及硫化氢含量高，投产试气难度大

储层温度及硫化氢含量高（表2），井下管柱因硫化氢腐蚀、温度效应、膨胀效应等原因极易变形、泄漏、断裂，极大增加了完井试气难度和风险。

表2　元坝气田长兴组气藏主要储层参数表

1.2.3埋藏深、温度高、非均质性强，储层深度改造难度大

储层埋藏深、地层温度高（表3），常规酸液进入地层后酸岩反应快、酸蚀缝长短，难以实现深度酸压［2］。礁、滩相及叠合区储层非均质性强，各类储层纵、横向上交错分布，连通性差，水平段长度大，全井段针对性酸压改造难度很大［2-4］。气水关系复杂，部分井酸改造后存在出水的风险。完井方式多样（衬管完井、套管完井及裸眼完井），对酸压工艺提出了较高要求。

表3　元坝气田海相地层部分井基本数据统计表

1.2.4硫化氢含量及产量高，安全管控风险高

元坝气田海相气井改造后平均无阻流量高（278.00×104m3/d）、井口最大关井压力高（约60 MPa），高速气流携带固相颗粒将给井下管柱和地面流程造成极大的冲蚀。另外，高含腐蚀性气体硫化氢，对井下管柱、工具、井口装置及地面测试流程有强烈的腐蚀性［5］，易出现泄漏、甚至断裂的事故，极易导致人员中毒，极大增加了安全管控风险。

2　完井投产关键技术

针对完井投产中存在的诸多技术难题，基于理论研究、室内实验和现场实践，开展了元坝气田超深小井眼井筒处理技术、完井试气及地面控制技术、深度酸压改造技术及安全保障及管控技术攻关研究。

2.1完井试气及地面控制技术

通过开展“压力、温度及水合物生成精确预测，压降分配优化、水合物防治，地面控制装置及水基润滑防刺蚀和硬质合金节流装置研制”等研究，形成了高温高产含硫气藏完井试气及地面控制技术，解决了井下管柱极易变形、泄漏、断裂，完井试气难度大的难题。

1）通过开展气井压力、温度预测模型研究，形成了元坝海相高含硫气井压力、温度预测技术，建立了高温高压高产含硫气井试气优化设计原则［6］：以整个测试系统为基础，综合考虑测试方式、测试设备、测试工艺等之间的相互影响。首先，分析油气井重要工程地质特征参数和工况参数（井筒压力、温度、流体密度、排量等）；然后，通过建立的油套管及井下工具数据库初定管柱结构和井下工具；同时进行地面流程和井口装置优选以及联作方式优化，再通过对测试管柱和井下工具进行力学分析及强度校核，满足测试作业需求。

2）开展了高温高压高产含硫气井试气优化设计研究，在此基础上开发出试气优化设计软件，其以不同测试工况下井筒压力温度预测计算为基础，通过油套管数据库初选管柱结构，进行地面流程和井口装置优选以及联作方式优化，再初选测试管柱和井下工具，并进行反复循环校核，最终形成最优方案。该软件在元坝气田得到广泛的应用，大幅节约了设计成本、减少了计算失误。

3）开展了高压气井压降合理分配和控制模式优化研究，设计出双翼双套多级控压、多级节流地面控制系统［1，7-9］（图2），以满足功能最全、结构经济性最优为原则，具备双向放喷、分离计量、保温、正反循环压井、自动点火等功能，满足了元坝气田超深含硫气藏气井高产试气需求。

图2　超深含硫井地面测试控制系现场流程图

4）开展了“优化弯头结构，改进油嘴、堵头材质，气体流速控制，实施有效润滑”等防剌蚀研究［5，7-9］，形成了以“水基润滑、硬质合金节流装置、陶瓷节流装置”为核心的防刺蚀技术。改进前后油嘴刺蚀情况对比如图3所示。

图3　改进前后油嘴刺蚀情况对比图

5）开展了含硫气井天然气水合物生成机理、条件、影响因素及程度研究，建立了天然气“气产量—压力—温度—加热量之间关系模型”（图4），优化形成了产量控制法、加注化学抑制剂法等天然气水合物防治方法［10-11］。

2.2超深小井眼井筒处理技术

通过开展“井筒预诊断、特殊打捞工具研制、超深小井眼特殊处理等”研究［12］，形成了元坝超深小井眼井筒处理技术，解决了元坝气田井眼小、井深大，管柱下入、井筒准备难度大的难题。

图4　不同压力下天然气水合物形成的最小产量关系图

2.2.1井筒预诊断技术

根据井眼轨迹数据、套管、回接筒、悬挂器直径、完井工具尺寸等数据系统分析，通过多节点受力模拟和现场实践，形成了管柱通过能力模拟诊断技术，降低了出现复杂情况的概率。模拟结果如图5所示。

图5　完井工具通过能力模拟数据图

2.2.2井筒处理技术

针对元坝阶梯形复杂井筒结构特点，通过研发特殊磨铣通径刮削器、通捞一体化工具等专用工具，有效清除套管壁毛刺和残余水泥块等障碍物，保证完井投产管柱的顺利下入和封隔器的可靠密封。

2.2.3超小井眼特殊处理技术

针对出现管柱堵塞的故障井，充分利用续油管尺寸小、通过性好、带压作业的特点，通过开展超小井眼特殊处理工艺方案、工具结构优化研究，实现“超小井眼冲砂、打捞、定点注酸”解堵作业。连续油管修井技术应用情况如表4所示。

2.3深度酸压改造技术

通过开展酸液体系评价、分流暂堵材料研发与优选、大型深度酸压技术研究，形成了元坝超深含硫气藏大型深度酸压改造技术，解决了酸岩反应快、酸蚀缝长短，礁、滩相及叠合区储层非均质性强，水平段长度大、针对性酸压改造难度大等难题。

表4　连续油管修井技术在元坝气田的应用统计表

2.3.1深度酸压优化设计原则

对于以Ⅰ—Ⅱ类储层为主的井，采取“解堵酸化+深度酸压+闭合酸化”的改造方案，以实现解除近井带污染、深度酸压改造及提高导流能力的目标。对于以Ⅱ—Ⅲ类储层为主的井，采取“大规模多级交替注入+闭合酸化”的改造方案，以实现导流能力与酸蚀缝长最佳匹配的目标。对长井段大斜度井或水平井，配合暂堵工艺，提高酸化增产的有效性。

2.3.2酸液工作液及特殊材料研选

基于工程地质特征、钻完井漏失及污染情况、酸压工艺及酸压目标，开展了酸液性能常规评价、目的层改造特殊需求评价，优选出一套具有良好缓蚀、缓速及封堵转向能力的转向酸体系，有效解决了储层非均质性强、全井段针对性酸压改造难度大等难题。转向酸主要性能指标如表5所示。

通过开展酸化用暂堵剂优选及暂堵分流转向装置的研发评价，优选出满足不同降解温度的水溶性暂堵剂［13-14］，研制出模块化多级差分流转向评价装置，为长水平段分流酸压技术优化奠定了基础。

2.3.3深度酸压技术优化研究

基于不同类型工作液滤失及与岩石反应特征，开展了不同工作液优化组合研究，形成了适合元坝气田海相气藏不同工作液交替注入酸压技术［2-4］（解堵酸→压裂液→转向酸→胶凝酸→压裂液→转向酸→胶凝酸→闭合酸）。并在YB204开展了现场试验，酸压改造前井底温度为148.2 ℃，酸压施工结束时井底温度为68.7 ℃，温度下降了53.6%，降温、缓速效果明显。

表5　转向酸主要性能指标表

在井筒温度场模拟基础上，通过开展污染解堵模拟、裂缝暂堵转向模拟［15］，形成了以“小排量挤酸和暂堵转向，大排量（较大）高挤胶凝酸提高作用距离、闭合酸酸化提高导流能力”为核心的元坝衬管水平井非机械完井分流转向酸压技术：①通过工作液体系在酸压过程自动增黏作用实现分流转向；②通过暂堵剂对溶蚀蚓孔和地层微裂缝的堵塞作用，实现酸液的分流转向（表6）。

2.4安全保障及管控技术

通过开展以“组织方案优化、重点工程关键环节分级管理、物资设备保障、防护及应急预案”为核心的安全管控模式研究［16］，以及以“参数精确预测、井下管柱及工具材质优选、试气数据自动采集及快速应急控制［17-19］”为核心的安全管控技术研究，形成了高产高含硫气井安全保障及管控技术，解决了元坝气田因产量及硫化氢含量高带来的巨大安全风险的难题。

表6　暂堵剂封堵能力实验表

1）基于管材长期耐腐蚀性评价［5］、不同工况下受力分析及经济性分析，优选了完井投产管柱材质，优化了完井投产管柱结构，保障了井下作业安全。

2）针对完井投产管柱在超深含硫气井长期生产中应力腐蚀严重的问题，首次使用了微压痕技术，制订出微压痕上扣扭矩和管体咬痕深度标准，有效降低管柱应力氢脆风险，延长生产管柱的安全使用寿命。

3）开发了一套试气数据远程自动采集系统和可视化监测、远程控制系统，实现了数据信息无线传输，快速关井以及全过程的可视监控，研制了新型临界速度流量计和伸缩式电子点火装置。

3　现场应用情况

研究形成的元坝超深小井眼井筒处理技术、完井试气及地面控制技术、深度酸压改造技术及安全保障及管控技术等系列特色关键技术在元坝气田获得了推广应用，下面以YB29井为例，简述其应用及效果。

3.1典型井实例

3.1.1井况

YB29井是部署在元坝区块长兴组—飞仙关组II号礁滩复合体的1口预探井（直井），以上二叠统长兴组、下三叠统飞仙关组为主要目的层。完钻井深6 970.00 m，完钻层位为上二叠统吴家坪组，Ø193.7 mm套管完井，地层压力为68.2 MPa，地层温度为154.72℃，H2S含量为4.15%，属常压、高温、高含硫气藏。

1）该井为超深、高温、高含硫化氢气井，对入井管柱性能要求高。

2）前期使用钻井液堵漏压井，地层存在污染及堵塞。

3）前期勘探显示气量大，地面测试流程控制难度大；而且硫化氢含量高，安全风险大。

4）勘探阶段井内APR射孔酸压测试管柱射孔枪上压力起爆器下接头处断裂，射孔枪共计19根，落鱼总长64.62 m，每根长度均为3.30 m，井筒处理难度大。

3.1.2现场应用分析

3.1.2.1井筒处理技术应用

根据井下落鱼及井筒复杂情况有如下措施：①采用连接钻柱式双捞杯，累计捞获碎铁片、铁屑12.7 kg以及大量水泥块，有效清洁了井筒；②采用可退式倒扣打捞筒和细螺纹大范围母锥，一次性捞获“接头+射孔枪本体”，实现了套捞一体化；③采用螺旋拨钩，成功捞获不明金属物体，解除了井下复杂情况。打捞时间效率、打捞管柱成功率都较以往有了大幅提高。

3.1.2.2完井试气及地面控制技术应用

本井具有硫化氢含量高腐蚀性强、产量大、井口压力高等特点，地面试气流程控制难度大。现场采用105+70 MPa EE级、HH级二级抗硫节流控制系统及“水基润滑防刺蚀和硬质合金节流装置”防刺蚀系统，解决了地面测试流程易冰堵、易刺蚀，高压高产测试难度大等地面控制技术难题，有效保障了本井试气投产任务。

3.1.2.3酸压改造技术应用

针对本井存在污染及堵塞、地层温度高的情况，采用“解堵酸化+深度酸压+闭合酸化”的酸压改造技术，在有效解除地层污染的同时，实现了储层的深度酸压改造（表7）。

表7　主体酸主要性能指标表

3.1.2.4安全保障及管控技术应用

针对超深、高温、高含硫化氢强腐蚀的特点，对完井管柱的选材及工艺要求极高，现场采用镍基合金和钛合金油管，结合微压痕、气密封检测等技术，成功解决了完井管柱在应力腐蚀、力学性质和气密封性方面的问题，有效保障了完井管柱的安全。同时根据井况制订了切实可行的施工组织方案，对井控安全、高压作业安全、酸液防护及硫化氢监测防护等重点工程关键环节实行分级管理，保证了本井试气安全、优质、高效作业。

在完井投产测试中，YB29井长兴组获得天然气产量93.19×104m3/d，绝对无阻流量231.35×104m3/d，产量高，取得了非常好的效果。

3.2总体应用情况

元坝超深酸性气田完井投产关键技术在元坝气田已实施近40井次的现场应用，成功率达100%，工业气井率达100%，平均无阻流量高达278×104m3/d，增产效果十分明显。该技术的推广应用，为元坝超深酸性气藏安全、高效投产提供强有力的技术支撑。

4　结论与建议

1）元坝气田海相酸性气藏具有地质条件复杂、超深、高温、高含硫等特点，针对在井筒处理、完井试气、储层改造及安全保障等方面的诸多技术难题，攻关形成了完井试气及地面控制技术、超深小井眼井筒处理技术、深度酸压改造技术以及安全保障及管控技术等一系列关键技术。

2）该技术在元坝气田近40井次50余层次中获得成功应用，为该气田超深酸性气藏安全、高效投产提供了强有力的技术支撑，同时在国内外同类酸性气田开发中具有广阔的推广应用前景。

3）随着超深酸性气藏的不断开发，将面临埋藏更深、地层温度和压力更高的作业环境，还需进一步开发能满足井深大于8 000 m、地层压力大于200 MPa、地层温度大于180 ℃下多工况恶劣环境下的井下工具、测试设备及测试技术，不断提升超深高温高压高含硫气井完井投产技术水平。

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Key technologies for well completion and commissioning of ultra-deep sour gas reservoirs in the Yuanba Gasfeld， Sichuan Basin

Zhang Chaoju， Tie Zhongyin， Cao Xuejun， Chen Donglin
（Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610041， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.61-68， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

The Yuanba Gasfield is another large gas field with reserves of a hundred billion cubic meters that was discovered by Sinopec after the Puguang Gasfield in the Sichuan Basin. At present， it is the deepest marine carbonate sour gas field in China. Its principal reservoir， the Upper Permian Changxing Fm is characterized by ultra depth， high temperature， high sulfur content， high CO2content， and complex gas-water relationship. Therefore， well completion is faced with complicated engineering geological conditions， diverse well types and well completion modes and high-difficulty operation. In view of this， Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co.， Ltd. carried out technical research and practice. As a result， a series of key well completion and commissioning technologies were developed， including well completion testing and ground control， in-depth acid fracturing stimulation， ultra-deep slim-hole wellbore processing， micro-tooth mark make-up and air tightness detection， and safety control. Based on these technologies， the worldwide technical difficulties of well completion and commissioning in the process of gas field development are settled， such as string corrosion prevention， in-depth acid fracturing， high-yield testing， and safety control. These technologies have been applied successfully in nearly 40 wells， providing an important technical support for the realization of 34×108m3annual gas production capacity construction in the Yuanba Gasfield.

Sichuan Basin； Yuanba Gasfield； Late Permian； Ultra-deep； High sulfur content； Well completion； Commissioning； Acid fracturing； Gas testing

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.007

2016-07-14编辑韩晓渝）

中国石油化工股份有限公司技术开发项目“元坝海相超深水平井酸压工艺技术先导试验”（编号：GJ-258-1254）、中国石油化工集团公司技术应用项目“川东北高压高产含硫气井测试优化设计研究”（编号：JP08001）、中石化石油工程公司技术先导试验项目（编号：SG1314-03K）。

张朝举，1967年生，教授级高级工程师，博士；主要从事酸性气藏、致密油气藏、非常规油油气藏开发技术研究及管理工作。地址：（610041）四川省成都市高新区吉泰路688号。电话：（028）65285733。ORCID: 0000-0002-7098-0556。E-mail: zhangcj. osxn@sinopec.com