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1、南德克萨斯州使用耐腐蚀连续油管解决气井排液难题六年的案例分析南德克萨斯州使用耐腐蚀连续油管解决气井排液难题六年的案例分析1 摘要在气井中下入连续油管进行排水采气是一种行之有效的方法，由于常规金属材料制成的连续油管受CO2腐蚀经常发生断脱事故，此种方法在21世纪初期在南德克萨斯的Lobo油田中就停止了使用。自从2004年以来，康菲公司安装了90套耐腐蚀连续油管速度管柱作为常规碳素钢连续油管的替代品，安装此类连续油管的井增加气产量超过14.16104m3/d，与安装碳素钢连续油管相比，极大的降低了故障率以及修井次数，为制定选井标准、安全措施、生产规范等提供了依据。同时，也介绍了两种不同的金属材料管
2、柱的对比情况，后期使用状况的检查数据分析以及全过程的潜在成本等情况。2 内容介绍南德克萨斯州Lobo油田是一个已产22.651010m3天然气的致密岩层的老气田，发表的论文中已经详细阐述了康菲公司管理着类似特性的1800口生产气井，每口井的平均产量大约为4248 m3/d，其中80%的井的流速低于临界流速，存在着井筒积液问题。康菲公司于20世纪80年代后期开始在南德克萨斯安装了连续油管速度管柱进行排液采气作业。90年代，已经在井深为1920m至3536m，外径为60.3mm或73mm的油管或73mm至88.9mm外径的套管中，安装了90多套31.75mm外径的碳素钢连续油管速度管柱，随后也安装
3、了少量的38.1mm外径的连续油管。生产结果表明，大多数安装了连续油管速度管柱的井成功实现了排液采气，增加了气产量。但是，3至15年期间，总共有30套碳素钢材料的连续油管受CO2腐蚀而损坏。在修井前CO2腐蚀导致管柱穿孔而发生断脱事故。在大多数情况下，连续油管在几个月或几年内就损坏，早于发现故障而进行的修井作业。从井中打捞出损坏的连续油管成本较高，在1998年之前还不知道使用腐蚀抑制剂的方法来减轻连续油管的腐蚀程度。2004年，与其它耐腐蚀合金钢相比，使用不锈钢合金连续油管降低了成本。然后，康菲公司开始重新在南德克萨斯候选井中安装了低成本的耐腐蚀连续油管速度管柱，其排液采气作业取得了不错的效果
4、。2.1下入速度管柱几点原因下入小直径管柱可以提高流体速度，避免气井产生积液，延长气井的生产寿命，从而提高其采收率。管柱排液特线曲线（如图1所示）（Coleman 1991）表明，73mm生产管柱以及0.69MPa的气井需要大约1.2104m3/d的气体才能保持产量在临界流量以上，而38.1mm的生产管柱在地面压力相同的情况下只需要0.5104m3/d的气体即能够实现排液采气。图1 临界卸载流量曲线图（Coleman 1991）如以前的文献（Harms 2009）所述，在南德克萨斯下入速度管柱进行排液采气同样也获得了成功。实践表明，使用速度管柱进行排液采气尤其适用于那些由于机械原因如采用变径生
5、产管柱、短接、结垢、腐蚀造成壁厚变薄和管柱刺漏等原因导致不能利用柱塞进行有效举升的积液气井。对于那些缺少有经验的柱塞举升技术人员以及由于沉砂较多导致柱塞举升困难的井，利用速度管柱不失为一种不错的选择。与其它人工举升方式或井口压缩装置相比，在延长连续流动期间利用速度管柱举升所需的设备较少，在控制器的作用下可获得稳定的产量，因此，偏远地区常采用速度管柱进行排液采气。另外，与柱塞举升相比，连续流更加容易产生滑脱效应，分离气体以及使用压缩设备处理气体产生的效果更好。安装连续油管速度管柱具有明显的优越性，例如，封隔器坐封于射孔层段上部时，长距离的连续油管速度管柱可以显著降低井底流压，增加生产压差，因此可
6、以增加产量，提高采收率；下入连续油管速度管柱后不需要进行压井作业，因此能够保护低压油藏免受压井液、固体颗粒的损害，下入桥塞的过程中也可避免发生机械损害；可以利用悬挂于井中的连续油管进行洗井作业，清除固体颗粒，因此能够显著节约成本；速度管柱增加了通过观测环空压力监测井下状态的一种途径，可通过连续油管或环空两种途径添加连续起泡剂，实际上可以代替毛细管柱安装于井中。通过系统节点分析法以及综合产能预测模型优选速度管柱直径。例如，利用综合产能模型分析Lobo井表明，在现有73mm生产管柱中下入38.1mm的连续油管后可以多生产9.49106m3的产量。实际产量表明，由于低估了生产能力和油藏压力，建立的3
7、8.1mm的连续油管产能预测模型过于保守，与先前的产能预测相比提高了大约10%的产量，如图2所示。图2 根据实际产能更改的A井综合产能预测模型由于流通面积减少，保持产量不变生产时必然会增加摩擦压力降，以平衡减少的液体持液率产生的回压。由于产水量和凝析油产量的增加，必然造成摩擦压降急剧的增加。综合产能预测模型能够预油气井的产能，优选连续油管直径以减轻由于流通面积减少造成的产量损失。其方法是下入开口式连续油管，这样既可利用管柱生产，也可利用环空生产，增加了其生产的灵活性。当利用环空生产时，通过油管的当量直径对其进行评价。采用速度管柱生产时，应该选用耐腐蚀的金属材料以尽可能减少腐蚀的影响。2.2 金
8、属材料的选择以及验证Lobo井的井底温度一般为104至149，井口温度为27，产出气体中CO2含量为1%5%之间，产水量为023.85 m3/d，水中的氯根含量为100（初凝水）至15000ppm，平均为12000ppm。CO2可溶于水中，形成碳酸，因此能够腐蚀碳素钢或低合金钢。CO2+H2OH2CO3CO2分压较高、高温以及低PH值的环境下会加快腐蚀速度。目前，生产井中由于较高的矿化度加快了腐蚀速率，加剧了腐蚀严重程度。含矿化度较高的流体以及高温、低PH值等生产条件导致了CO2腐蚀严重，经常发生油套管的损坏，因此于2003年成立了专门处理腐蚀问题的团队来评价处理腐蚀问题方法的可行性以及利用井
9、径测井评价井下油套管的腐蚀程度，其主要成果包括采用选用的抑制剂起到了良好的抑制效果，掌握了Lobo区块的腐蚀机理。同时发现CO2的百分含量、温度、深度、油套管直径、油套管等级、流动状态以及产水量等并没有明显的相互影响关系。305m至1372m深度之间常出现腐蚀，腐蚀形式并不是均匀腐蚀而是以局部腐蚀居多。研究团队还发现如果更换成合金的连续油管或是在腐蚀程度加剧区域利用化学或物理处理方法可以节约成本。为了更好的探寻大量的碳素钢制成的连续油管损坏的深层次原因，查阅了钻井记录以及钢丝试井记录数据，查阅数据如下： 91井只使用了一次耐腐蚀连续油管速度管柱； 51井有钢丝作业或生产初期悬挂连续油管的记录
10、34井的生产情况表明生产管柱有失效的迹象（67%的记录或回收管柱，只有37%碳素钢连续油管柱仍旧在生产）管柱损坏深度范围为271m至2758m，平均为1067m。奥氏体不锈钢QT-16Cr屈服强度以及材料各组分的百分含量见表1。近年来，HS-80CRA，较低奥氏体或铁素体的不锈钢已用于南德克萨斯油田的连续油管速度管柱中。表1中列出了HS-80CRA（Tenaris 2009）管柱的各组分的百分含量。表1 目前QT-16Cr和HS-80CRA油管数据QT-16CrHS-80CRA化学成分单位重量百分比碳含量0.03以下0.03以下锰7.09.04.06.0铬15.017.019.521.5氮0.
11、150.300.050.17镍1.53.01.03.0磷N/A0.04以下钼N/A0.6以下铜N/A1.0以下硫N/A0.03以下硅N/A1.0以下屈服-抗拉强度最低屈服强度，MPa620.55551.6最低抗拉强度，MPa758.45689.52.3 南德克萨斯油田的耐腐蚀连续油管速度管柱使用案例2.3.1标准的生产设备以及入井程序下入耐腐蚀连续油管柱后，该井可以顺利的下入钢丝进行测井作业。如果需要也能进行清砂作业。大多数采用压裂砂或是支撑剂在所有井中康菲南德克萨斯区水力压力采用不同的压裂凝胶和砂或陶瓷材料的支撑剂。可通过多种途径进行洗井作业，其中包括钢丝球或一定量的盐水或泡沫和硝化盐水完井
12、液冲洗。悬挂于井中的连续油管也可用于洗井作业。特殊设计的喷嘴、洗井工具以及带有磨铣工具或钻头的井下液马达等都用于气井身的洗井作业中。南德克萨斯绝大多数耐腐蚀连续油管速度管柱利用开口端悬挂于油套管中，用于安装的标准的悬挂器见图13。该悬挂器安装于管柱主阀以上位置，速度管柱悬挂在管柱内部。当连续油管强行下入悬挂于井中时，常见的底部管柱结构主要由带抽空单流阀的焊接定位短节组成（见图4）。单流阀避免了液体回流至连续油管，但可以泵出液体。短接位于剪切销钉上部位置，仍是永久固定方式。在入井前，计算出剪断销钉所需的压差，合理数量的剪切销钉安装于抽空装置中。在永久悬挂连续油管前，如果不进行洗井或泵送作业，能用
13、泵泵出的堵塞器可安装于底部管柱结构处。一旦卡瓦固定连续油管后，钢丝绳导向器就可以安装于连续油管柱的顶部。带法兰的主阀就安装于连续油管悬挂器的上部位置。然后，通过油管柱投球堵塞，使底部钻具组合中的液马达停止运转。通过盐水完井液或液氮产生的压差剪断释放小球或泵出堵塞器，这样又重新建立起循环或者泵入液氮进行排液采气以及洗井。在离开气井前，需要打开在连续油管悬挂器下部的控制套管或油管流量的主阀，这样就不会不慎关闭该阀，消除了连续油管潜在的危害。图3 连续油管悬挂装置图4 焊在定位短节上的抽空单流阀2.3.2 封隔器的应用和安装某些井需要通过连续油管下入封隔器隔离损坏的套管或是射孔段。前期评价结果表明，
14、在73mm小井眼中修补或重新下入套管成本较高，因此，在注水以及泥浆清除后，采用在耐腐蚀连续油管管柱底部下入73mm封隔器以隔离产气层与与上部的泄露层。封隔器入井前需要更换井口处的连续油管悬挂器以便能够安装分节卡瓦，带压进入悬挂的连续油管柱中，这样可以不进行压井作业就可使封隔器通过连续油管悬挂器，不需要在悬挂器下部安装小管柱润滑封隔器。从2004年以来共安装了90套耐腐蚀连续油管速度管柱，其中82套为QT-16Cr，8套为HS-80CRA，安装的连续油管的尺寸以及安完井井身结构见表2。 表2 安装的连续油管的尺寸连续油管外径31.75mm38.1mm44.45mm安装套数778560.3mm重力
15、坐封封隔器11073mm套管435073mm油管/重力坐封封隔器021088.9mm套管1142114.3mm套管173以前利用2油套管直接生产时因套管直径较大而没有获得理想的产量，因此在73mm套管中较多的下入了耐腐蚀连续油管（见表2），73mm油管柱中也下入了21套连续油管柱，都同时下入永久型封隔器、9.67kg/m的L80型连续油管，连续油管柱通过内径较小的封隔器工作筒（47.6mm内径）下在60.3mm尾管中，如图5所示。由于在88.9mm套管中52.4mm4.84kg/mJ55型油管经常损坏，康菲公司考虑在Lobo油田中用耐腐蚀连续油管替代常规管柱作为生产管柱。当采油速度接近于预测的
16、临界速度时，在88.9mm套管中使用耐腐蚀连续油管柱不失为一种不错的选择。当油井产量不高时，在114.3mm完井套管中使用耐腐蚀连续油管柱意即以较低的产量、较长的时间生产。以B井为例，该井的井身结构图见图6所示，安装连续油管柱前后的产量变化曲线见图7，尽管该井产量不高，但是由于安装了38.1mmQT-16连续油管柱，仍可获得较稳定的产气量。图6 B井的井身结构图图5 CRCT安装在带封隔器的73mm油管中 图7 B井的生产曲线图由于CO2浓度升高至4%以上以及预期延长生产期间需要安装高压集输系统，增加了预期的腐蚀敏感性，而且在这些新井中下入连续油管柱不需要进行压井作业，因此仍采用耐腐蚀连续油管
17、速度管柱进行排液采气作业。2.3.3 增产效果分析现在安装耐腐蚀连续油管柱的井平均每口可多产14.16104m3或1585.8m3/d（如图8所示）。从2006年下半年以来，悬挂耐腐蚀连续油管柱生产的井获得了稳定的产量。因此，根据公司规划，把耐腐蚀连续油管柱作为常用的生产管柱安装于各个井中，并对方案进行优化，确保获得最佳的方案设计，提高工作效率。使用连续油管作业机，降低运移、安装连续油管的成本。图8 悬挂CRCT后增产效果图图9 产量与悬挂CRCT关系图安装30天、60天、90天以及365天速度管柱后的产量变化图（见图9）表明，由于气井产能较高，再加上经过几年的排液，2004年和2005年的增
18、产效果明显。由于经过几年的排液，产气量增加，这对后期安装速度管柱进行排液提出了挑战，下文将会对此进行详细的讨论。2.3.4 检查发现的问题如下文所述，由于各种不同的原因起出了六套QT-16Cr管柱，其生产时间以及在各个生产井中安装耐腐蚀连续油管后收集的生产数据见表3，但并没有收集到H2S和水中的氯根含量的数据。其中对C井、D井以及E井中的管柱进行了检查。检查项目包括保持15分钟34.475MPa的压力测试，目测检查包括四面外径测量以及用超声波壁厚测量工具进行四点壁厚测量，该装置在油管外侧通过耦合胶发送和接受纵波超声信号来测量壁厚。三根管柱外径测量偏差值从0.0254mm至0.3556mm以下，
19、不存在椭圆度。检查指定的壁厚上需测量的四点A、B、C、D点见图10，所有的壁厚测量都等于或大于指定的壁厚值。 表3 回收的耐腐蚀性连续油管数据表尺寸和类型起始时间生产月数产气产气量地面流压CO2井底温度104m3103m3/dMPa%C井31.75mmQT-16Cr05.607.423 2417.18.51.11.591.4148D井31.75mmQT-16Cr05.607.42310503.40.40.621.4105E井38.1mmQT-16Cr04.807.6.351020.62.80.340.691.7123F井38.1mmQT-16Cr04.1106.3173714.211.31.5
20、22.482.8151G井44.45mmQT-16Cr0N/AN/AN/A2.0142H井38.1mmQT-16Cr06.208.6291101.10.340.692.0113图10 QT-16Cr壁厚变化图C井2006年11月，由于钢丝探测作业表明油管柱末端附近可能存在着堵塞物，因此决定起出31.75mmQT-16Cr连续油管柱。起出后发现此处的油管弯曲限制了流体的流动以及阻止了钢丝工具管柱的顺利通过（如图11所示）。重新检查切除弯曲部分油管后，该管柱重新下入C井。 图11 C井油管末端螺旋弯曲图D井 由于D井的生产特性较差，因此，起出管柱检查后安装于另一口井，节省了购买管柱的费用。E井由于
21、E井的生产特性较差，因此，起出管柱后安装于另一口井中。F井用钢丝对油管通径后再现场目测检查，检查结果表明起出的管柱状况良好，因此第二天重新入井。使用耐腐蚀连续油管，发现有两损坏的原因。G井2006年5月，考虑到经常损坏，尝试着在连续油管安装初期使用卡瓦固定，取回连续管。在回收过程中44.45mm管柱断裂，该段管柱并不是送检的管柱，由于安装了单流阀的底部钻具组合存在问题，在悬挂连续油管柱时泵入了1.19g/cm3的盐水完井液。氧化处理的盐水井液以及较高的井底温度（142）很可能就是导致氯化物应力腐蚀开裂的原因，但并不知在回收前管柱在哪个位置首先产生了裂纹，很可能是回收应力导致了最终的破裂。在G井
22、重新下入2油管。H井在安装喷射泵时发生了管柱损坏。连续油管与封隔器一起通过2油管，喷射泵作业包括动力液（现场产出的水）向下注入连续油管，由于经常发生破裂，通过井底泵对连续油管进行试压作业，试压结果表明管柱在回收或缠绕过程中很可能会发生破裂。某段连续油管送到第三方工程公司进行破裂分析，目测检查表明大多数断裂是由于电阻焊缝焊处断裂造成的。最后得出结论：由于存在着残余应力，首先在电阻焊处发生氯化物应力腐蚀开裂。氧化的盐水，在应力和高温作用下（113）不锈钢产生腐蚀敏感的情况下会发生氯化物应力腐蚀开裂。10口连续油管井利用钢丝示踪后表明连续油管端部以上生产状况良好，以前也只在耐腐蚀连续油管端部偶尔出现
23、了一些问题。这些问题跟C井中存在的问题相似，为油管弯曲。其实，发生这种现象也很正常，因为在入井过程中操作采油树控制阀时会使连续油管发生轻微的弯曲。现场水样以及含铁量、含锰浓度分析表明，在耐腐蚀连续油管井中只有少量的或几乎没有金属成分。2.3.5 生产作业和修井作业使用连续油管速度管柱面临着一些作业难题。在Lobo油田中试验时，关键是试验井不能被积液压死。否则，需要大量的时间、精力以及耐心进行排液采气作业。如果使用N2进行排液不能获得良好的效果，则需要安装速度管柱。井筒中产生积液时，利用连续油管柱排液时，排出相同体积的液体需要更长的距离。比如，排出一桶液体，利用2油管需要78.6m，而相同产量利
24、用38.1mm连续油管排液时需要191m，假设在直井中以水的梯度计算，这就要增加1.1MPa的能量才能够排出一桶水。南德克萨斯Lobo油田采用了一种复合排液方法防止井筒产生积液，。首先，所有井安装了油井间歇控制阀以及电子流量计/自控流量计。如前文所述，控制阀由限定流量或临界流速控制其开关。其次，悬挂耐腐蚀连续油管井中大约有30%安装了连续起泡剂注入装置。起泡剂可通过油管柱或环空注入，每天的注入量从4至36夸特不等。2007年6月某井安装耐腐蚀连续油管后产量增加较少，而2008年6月连续注入起泡剂后，每天可增加2831.7m3/d（见图12），显著提高了该井的生产稳定性。图12 07年6月耐腐蚀
25、连续油管产量以及08年6月添加起泡剂后的产量图三口安装了耐腐蚀连续油管井由于井口罩降低了井口压力，一般可降低0.480.62MPa至近0.1MPa，不仅降低了井底流压，也降低了临界流速。2005年2月安装了耐腐蚀连续油管以及井口罩后的生产稳定（见图13），尽管产量逐渐下降，但与1997年高产时的生产状况较相似。图13 05年2月安装耐腐蚀连续油管以及井口加压装置的生产曲线图井图14 03年8月安装耐腐蚀连续油管以及N2喷射排液的生产曲线图井筒积液时，可采取多种方法进行排液以恢复产量。首先通过连续油管柱排液以平衡油套管井口压力。由于环空的流通面积比连续油管的截面积大，如果井筒积液较多，需要环空进
26、行生产，与利用管柱排液相比，需要较低的井底流压即可排液。如果井底流压小不能实施排液时，可辅助分批添加起泡剂，一般一次为0.0760.152m3，以降低液体密度，重新建立井底压力，延长关井时间。如果没有多次添加起泡剂。则需要经常关井待地层压力恢复后进行排液。 通过连续油管注入N2排液采气也是一种不错的选择。2003年8月安装耐腐蚀连续油管后某井连续稳定生产了好几年（见图14），直到2009年初控制阀损坏后流量降低至临界流量而不能保持正常生产。以上所述的排液方法都试用后，甚至有几种甚至是多次试用后仍旧不能成功排液，选用了耐腐蚀连续油管速度管柱，耐腐蚀连续油管以每分钟17m3的速度注入991m3N2
27、，进行环空排液，两月后在环空流通面积下达到临界流速前转为连续油管排液。由于连续油管速度管柱的直径较小，井下维修作业会受到限制，因此常采用钢丝作业处理由于不可知的原因导致产量下降的问题。钢丝标识后入井，以便及时发现钢丝绳不发生堵塞或断脱等事故，以及探测射孔段是否被砂掩埋。常见的定位短节最小内径为22.86mm。2.3.6 工程成本计算目前，安装耐腐蚀连续油管平均花费为150000至165000美元，这主要取决于连续油管的安装长度以及人工举升的安装成本（一般为连续起泡剂举升）。该成本也包括钢丝测井作业，利用连续油管进行洗井作业以及其它必须的作业等。利用耐腐蚀连续油管后降低了与井下处理腐蚀相关的生产
28、费用，连续油管排液不需要添加起泡剂，但是如果环空排液，则需要分批添加腐蚀处理剂，会增加套管或生产油管的潜在的腐蚀危害。由于耐腐蚀连续油管提供了较长的生产时间，安装耐腐蚀连续油管后操作时间以及人工作业费用和优选排液方法的费用都会降低。小直径油管能够使速度较长时间保持在临界流速以上，当使用如前文所述的复合的自动和人工举升方法时，基本上不需要进行修井作业。当需要封堵和废弃耐腐蚀连续油管井时，经验表明回收连续油管的作业比较简单，而且检查无损伤后可以重新入井使用，代替起出费用较高的CSCT管柱。利用耐腐蚀连续油管后增加的作业成本包括起泡剂的化学处理费用、额外的操作时间/井筒积液时的修理费用。这类的维修费
29、用也伴随着其他的人工举升方法例如柱塞举升就需要更换柱塞、少量的钢丝作业以及地面和井下设备的维修、更换等。2.4 认识(1) 使用耐腐蚀连续油管增加了产量，降低了井筒积液而损失的产量，提高了气井的采收率。(2) 耐腐蚀连续油管消除了Lobo经常发生CO2腐蚀管柱的难题。(3) 根据增加的产量以及预期的采收率，使用系统节点分析法以及IPM法对候选井进行评价。(4) 在不能自喷的情况下，使用连续油管可进行排水采气作业，防止井筒积液。(5) 自喷井（包括新生产井）积液后，长期关井、泡沫等排水采气方法都不能成功实施时，通过连续油管泵入N2进行排水采气能够取得良好的效果。(6) 在某些井中，耐腐蚀连续油管
30、能够代替生产油管进行生产。(7) 与其它人工举升方法相比，耐腐蚀连续油管维修及作业成本较低。(8) 在泵入起泡剂和井口装置加压的情况下，耐腐蚀连续油管能够保持良好的使用性能。(9) 下入耐腐蚀连续油管的井，其产出或者泵入的流体不能影响地面和井下设备正常运转。(10) 耐腐蚀连续油管检查无损坏后可重新入井，能够在多口井的使用，运行寿命较长。2.5 将来需要考虑的因素将来可能需要进行以下试验：(1) 改进选井标准以及评价耐腐蚀连续油管速度管柱与其它人工举升方法的对比方法。(2) 利用耐腐蚀连续油管进行连续循环注气试验。(3) 评价使用不同材料的耐腐蚀连续油管以及CSCT腐蚀监测和控制的可能的风险或成本优势(4) 调研及分析Lobo1829m以上井中导致CO2腐蚀的原因及因素。(5) 在耐腐蚀连续油管井中进行柱塞举升试验。15