呼图壁储气库完井管柱井下工具设计优选

薛承文，张国红，高 涵，池 明，郭 玲，蒙永立

(新疆油田公司工程技术研究院 新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

呼图壁储气库设计库容107×108m3，目前为全国最大的储气库，是在原呼图壁气田基础上建设起来的枯竭气藏型地下储气库。储气库气藏中部深度3 585 m，温度92.7 ℃，地层压力33.96 MPa，建库前地层压力系数0.46。凝析油密度0.780 0 g/cm3，石蜡含量2.34%，凝固点-14 ℃，初馏点97 ℃。储层地层水Cl-含量2 758～9 974 mg/L，总矿化度12 834～16 188 mg/L，水型为Na2SO4型。注入天然气二氧化碳含量小于2%，最大分压为0.68 MPa，不含硫化氢。在进行储气库完井管柱和井下工具设计时，除了要考虑这些因素外，还要考虑气井的完井工艺、储层保护等内容，方能达到注采井和监测井的设计目标[1-2]。

1 完井管柱结构与工具设计优选

1.1 设计原则

为保证呼图壁储气库长期正常运行，要求注采井和监测井完井管柱结构及井下工具遵循安全可靠、经久耐用、技术先进、监控方便、力求简单、兼顾经济的原则。

1.2 钻井完井井身结构

呼图壁储气库绝大部分的注采井和全部监测井设计为直井，采用四开井身结构，一开下入Φ508 mm套管，二开下入Φ339.7 mm技术套管，三开下入Φ244.5 mm技术套管，四开下入Φ177.8 mm油层尾管，悬挂器位置选择在三开技术套管鞋以上200 m，完井回接Φ177.8 mm套管至井口，回接套管固井水泥浆返至地面。

储气库设计1口注采水平井，水平井一开、二开、三开同注采直井，四开下入Φ177.8mm+Φ139.7mm复合油层尾管，悬挂器位置选择在三开技术套管鞋以上200 m，完井回接Φ193.7 mm+Φ177.8 mm套管至井口，回接套管固井水泥浆返至地面。

1.3 完井管柱结构设计

对于像呼图壁储气库这样由枯竭性气藏改建的储气库，需要考虑建库时的较低地层压力系数，优化设计管柱结构，以缩短完井过程中的作业周期，减小地层污染，保证储气库达到设计注采能力，并为后期长期稳定可靠生产打下基础。

1.3.1 注采直井完井管柱结构设计

在呼图壁储气库中，注采直井是主力生产井，要尽量减少作业过程中压井液、射孔液、环空保护液等入井液对地层的污染，释放地层产能，因此，对注采直井设计了一趟管柱完井作业工艺。基本作业过程为：在井筒准备完成后，依次下入射孔枪串、永久式封隔器、井下安全阀等井下工具，待整个管柱入井后，坐油管挂并安装采气树；再由套管反替射孔液和环空保护液，坐封封隔器并试压合格；最后用连续油管造负压后，投棒点火，气井自喷后马上转入试气程序。

为保证一趟管柱完井作业工艺顺利实施，注采直井完井管柱结构设计为：射孔枪串+打孔管+气密封油管+坐落短节+永久式封隔器+校深短节+气密封油管+井下安全阀+气密封油管+油管挂。管柱结构如图1所示[3-6]。

图1 注采直井完井管柱1、3、7-气密封油管；2-井下安全阀；4-校深短节；5-永久式封隔器；6-坐落短节； 8-打孔管；9-射孔枪串；10-Φ508 mm表层套管；11-Φ177.8 mm套管回接；12-Φ339.7 mm技术套管；13-尾管悬挂器3180 m；14-Φ244.5 mm技术套管；15-Φ177.8 mm油层套管。

1.3.2 注采井完井管柱结构设计

注采水平井同样采用套管固井方式完井，如果采用注采直井的一趟管柱完井工艺，将枪留在水平井段，则施工安全风险高，后期提枪作业技术难度大，且不利于释放水平井产能，因此，采用两趟管柱完井作业工艺。基本作业过程为：在井筒准备完成后，用作业油管造负压，下入第一趟射孔管柱，点火射孔并试气，试气结束后，替入暂堵型压井液压井，提出射孔管柱；再下入第二趟完井管柱(包括封隔器、井下安全阀等井下工具)，坐油管挂，安装采气树，由套管反替入环空保护液，坐封封隔器并试压合格。

为保证两趟管柱完井作业工艺顺利实施，注采水平井完井管柱结构设计为：喇叭口+坐落短节+永久式封隔器+气密油管+井下安全阀+气密油管+双公油管短节+油管挂。管柱结构如图2所示。

1.3.3 监测井完井管柱结构设计

为掌握呼图壁储气库生产过程中注采气生产动态，分析气井及井下设备运行状况，实现储气库科学管理，设计了双层监测井和单层监测井完井管柱结构，实时监测地层压力和温度。为避免射孔枪射孔时损坏温压监测仪，并考虑双层监测井需要对两个地层独立监测，因此，监测井采用两趟管柱完井作业工艺。基本作业过程同注采水平井。

监测井完井管柱结构设计为：喇叭口+气密封油管+(双层监测井结构：温压测试托筒+气密封油管+坐落短节+气密封油管+)可取式封隔器+气密封油管+温压测试托筒+气密封油管+可取式封隔器+校深短节+气密封油管+井下安全阀+气密油管+油管挂。管柱如图3所示。

图2 注采水平井完井管柱1、3-气密封油管；2-井下安全阀；4-永久式封隔器；5-坐落短节； 6-喇叭口；7-Φ177.8 mm尾管+Φ139.7 mm尾管；8-Φ508 mm表层套管；9-回接Φ193.7 mm+Φ177.8 mm套管；10-Φ339.7 mm技术套管；11-尾管悬挂器3 180 m；12-Φ244.5 mm技术套管。

图3 监测井完井管柱方案1、3-气密封油管；2-井下安全阀；4-校深短节；5、8-可取式封隔器；6、9-坐落短节； 7、10-温压测试托筒；11-喇叭口。

1.4 井下工具设计优选

为实现储气库气井上述完井管柱功能，满足现场作业工艺，要求所有井下工具与油管连接的螺纹全部采用与油管相同的气密封螺纹，工具金属材质的抗腐蚀性能不低于所用油管的抗腐蚀性能并与之匹配，所有井下工具的抗拉强度不低于所用油管的抗拉强度，性能应满足井筒温度场长期工作需要，且在现有钻完井结构下，尽可能实现井下工具较大的内径尺寸[7]。

1.4.1 封隔器设计优选

封隔器作为储气库气井完井管柱中重要的井下工具，在保证注采井安全生产，监测井可靠工作中起着非常重要的作用。对于注采井，封隔器安装于产层上部，封隔油套环形空间，保护上部套管不受高压、腐蚀破坏；对于监测井，特别是双层监测井，不但要封隔油套环形空间，保护上部套管，同时还要隔开两个产层，实现独立监测两个产层温度和压力的功能。

在进行储气库注采井完井管柱设计时，主要考虑管柱在注采生产中的可靠性和稳定性，并能满足长期生产需要，因此，永久式封隔器成为呼图壁储气库注采井的首选。永久式封隔器上部配合锚定密封插管与油管连接，上部管柱可通过正转上提脱手，回接时直接回插即可。封隔器下部的坐落短节与堵塞器配合，可实现不动上部管柱时的不压井作业，有利于产层的保护。必要时还可在座落接头内投入堵塞器，实现井下封堵，实现不压井作业修井。该封隔器采用液压坐封，无上提解封回收功能，如需解封上提管柱，需要钻铣释放锁块[8]。

储气库监测井因无注采气在管柱内流动，管柱受力较小，在进行完井管柱设计时主要考虑井下温压监测仪的寿命和检修方便性，兼顾可靠性和稳定性，因此，选择可取式封隔器作为呼图壁储气库监测井的封隔器。对于双层监测井，需要两套可取式封隔器，上封隔器上部与油管连接，下封隔器上下各连接一支温压监测仪工作托筒，坐封于两产层之间，隔开产层。温压监测仪要把监测到的数据通过电缆上传到地面，因此，可取式封隔器要能实现电缆穿越。储气库封隔器设计参数见表1。

表1 呼图壁储气库封隔器设计参数

1.4.2 井下安全阀设计优选

井下安全阀是储气库气井完井管柱中又一重要的井下工具，通过地面液控管线与内部执行装置相连，可在紧急情况下实现井下关井，切断气源。目前，井下安全阀阀瓣一般采用金属-金属密封,具备阀瓣自平衡系统，能耐高压，且使用寿命较长。

呼图壁储气库在注采井和监测井中设计了井下安全阀，设计深度为井下100 m。井下安全阀通过液压管线与地面安全控制系统相连，在井口压力低于设定点，单井发生火灾易熔塞熔断，按下关井按钮或收到集注总站控制室的关断指令等情况下，地面安全控制系统启动关闭井下安全阀操作。呼图壁储气库注采井和监测井中井下安全阀参数见表2。

表2 呼图壁储气库井下安全阀设计参数

1.4.3 其他井下工具设计优选

在普通气井中，有时会用到循环滑套和伸缩短节等井下工具，但在进行呼图壁储气库完井管柱设计中没有采用。

在储气库气井中，循环滑套的主要作用有两个：一是在环空保护失效后打开循环滑套，从套管阀门替入新的环空保护液到油套环空；二是在气井修井时，可实现气井压井，提出井筒内完井管柱。呼图壁储气库采用油基长效环空保护液，在短时间内不需要更换，如有消耗也可从环空挤入补充；另外，气井在进行一段较长时间的生产后，如果需要修井，也可采取其他方式沟通油套空间，因此，对呼图壁储气库来说，设计循环滑套的意义不大。然而，设计循环滑套的气井完井管柱在长期生产之后，如果循环滑套质量性能欠佳，在需要进行循环作业时反而不一定能顺利打开，却又增加了一个管柱漏失点，为解决主要矛盾，不采用循环滑套。

对完井管柱力学分析的结果显示，完井管柱在生产过程当中，整个管串的伸缩距离或拉压载荷在安全范围内，为减少管柱的潜在漏失点，呼图壁储气库气井完井管柱不设计伸缩短节[9]。

2 现场应用情况

截至2019年3月，呼图壁储气库共完成30口注采井(包括29口直井和1口水平井)和3口监测井的完井投产，正常注采运行4个周期，累计注气100.08×108m3，累计采气63.33×108m3。按照该技术设计的完井管柱和井下工具能够圆满实现管柱入井、环空保护液替入、封隔器坐封、射孔点火等一系列工艺作业，施工成功率100%，现场试气和注采生产运行结果说明呼图壁储气库完井管柱和井下工具设计合理，性能稳定，安全可靠。

3 结 论

1)呼图壁储气库注采井和监测井完井管柱和井下工具依据钻完井井身结构和完井投产工艺设计，可满足储气库单井大气量注采要求。

2)优化设计了注采井、监测井的井身结构和井下工具，去除了循环滑套和伸缩短节，减少了管柱的潜在漏失点，提高了管柱的可靠性。

3)呼图壁储气库建设事实和4个注采周期的安全生产实践证明，完井管柱结构及井下工具设计符合安全可靠、经久耐用、技术先进、监控方便、力求简单、兼顾经济的管柱设计原则。