四川盆地超深高压含硫气井测试管柱设计方法研究

四川盆地超深高压含硫气井测试管柱设

计方法研究

摘要：四川盆地川东北地区茅口-吴家坪组埋藏深（>6000m）,井底压力高（>140MPa），最大关井压力达到120MPa以上,平均压井泥浆密度在2.3g/cm3左右，硫化氢含量为微含-中含硫化氢，恶劣的工况，极易导致测试管柱断裂、窜漏、阀件无法打开，封隔器失封，造成测试失败，通过梳理国内外管柱安全设计标准，建立适合四川盆地超深高压含硫气井工况环境的安全系数标准，并以此为基础，结合施工酸压限压105MPa,环空操作RD阀、RDS阀环空压力，修正极限条件下的抗内压、抗外挤、空气中抗拉安全系数计算方法，形成适用于超深层海相探井APR测试管柱设计方法，确保了测试井各工况下管柱的安全。

关键词：茅口-吴家坪组；管柱安全；安全系数；测试管柱；超深层；海相探井

1引言

目前我国中浅层、深层大中型低渗致密砂岩气藏、碳酸盐岩气藏已处于生产中后期，产量逐渐递减，新的区块勘探难度加大、开采对象日趋复杂、优质资源减少，面对国民天然气年需求量逐年增加，突破更深储层勘探迫在眉睫；四川盆地作为我国天然气主要战略基地，已提出在2035年建立“西南气大庆”远景目标，四川已实现了陆相蓬莱镇组、沙溪庙、须家河以及海相雷口坡、飞仙关、长兴组的全面勘探开发，下步逐步向超深层茅口组-吴家坪组勘探。

四川盆地川东北地区茅口组-吴家坪埋藏深（>6000m）,井底压力高

（>140MPa），最大关井压力达到120MPa以上,平均压井泥浆密度在2.3g/cm3左右，硫化氢含量为微含-中含硫化氢。我们采用的完井测试管柱需在如此超深、超高压井况下完成座封、酸化、测试以及环空阀件开启等工序，测试管柱安全面临极大的挑战，需进行详细管柱结构力学分析，设计安全可靠的管柱结构。

2前期测试管柱结构及出现的问题

前期测试管柱主要采用常规的ARP测试工艺，测试油管采用

Φ88.9×9.52mm+Φ88.9×6.45mm+（封隔器以上400m）

Φ88.9×9.52mm+Φ73mm×7.01mm油管（封隔器以下应用）110SS，测试工具由OMNI替液阀+RD安全循环阀+全通径压力计托筒+液压旁通阀+震击器+RD循环阀+RTTS安全接头+RTTS封隔器组成。

这套管柱在四川盆地以茅口-吴家坪为目的层的5口重点探井试气作业过程中出现窜漏、管柱断裂现象、阀件打不开、封隔器提前解封等复杂井下事故（见表1）。

表1事故井数据统计表

各复杂井下事故原因有如下三点：

（1）结合酸压施工工况，分析造成管柱出现脱扣、断裂的原因主要为施工压力高、施工时间长，管柱疲劳，侧面反应出前期参照的管柱强度设计标准引用在超深井工况中不适应，需结合工况，综合考虑国内外各油田、各区块引用的管柱强度设计标准，深度优化设计管柱结构；

（2）阀件打不开，主要体面在两个方面的原因：①环空泥浆沉淀，压力无法传递；②破裂值受井底温度影响，开启值超过了预设开启值；

（3）封隔器提前解封主要为RTTS封隔器目前最大承压只能做到70MPa,且无法满足超深超高压井的长时间施工。

3测试油管优化设计

3.1建立超深超高压井管柱强度安全参照标准

现行涉及管柱强度安全系数的标准有如下5类：

（1）Q/SH 0022—2013川东北含硫化氢天然气井试气推荐作法，要求管柱设

计的安全系数应为：空气中抗拉大于1.8，施工过程中三轴抗拉不小于1.5，抗

外挤大于1.25，抗内压大于1.25；

（2）SY/T 6581-2012 高压油气井测试工艺技术规程，要求测试管柱设计空

气中抗拉安全系数1.6，抗挤强度安全系数应大于1.4，开井、储层改造工况下

管柱三轴要求大于1.6，其化工况大于1.5；

（3）挪威标准D-010，三轴安全系数要求不小于1.25；

（4）API标准：油管抗内压安全系数：1.25，抗外挤安全系数：1.125；

（5）Q/SY TZ0332-2011《高温高压气井完井管柱设计规范》中规定超高压

油气井、井深大于6000m的井、拟进行储层改造的高压油气井应进行管柱力学分析，开井、储层改造、替喷、关井四个工况下全井管柱的相当应力安全系数应大

于1.50。

前期测试管柱设计综合考虑了各标准要求，参照安全系数为：空气中抗拉安

全系数大于1.8，抗内压安全系数1.25，抗外挤安全系数1.25，三轴安全系数

1.25。从目前测试出现的复杂事故分析，针对超深超高压勘探井，井况条件恶劣，需根据相关标准重新建立管柱设计安全系数要求，我们以管柱遇卡上提解卡需管

柱抗拉余量大于800KN为基准，返推管柱空气中抗拉大于1.6即可，抗内压与抗

外挤可根据施工压力考虑管内外平衡压力，因此沿用标准1.25安全系数可满足

要求；三轴安全系数是综合考虑轴向应力、径向应力、周向应力，是管柱施工过

程中最复杂的力学因素，综合考虑鼓胀效应、温度效应、屈曲效应、活塞效应等“四个效应”，确定三轴系数不小于1.5。

3.2测试油管安全系数计算方法

根据确定的管柱安全系数要求以及施工工况，建立了适合超深气井抗拉、抗

内压、抗外挤以及三轴的计算方法。

（1）井口油管空气中抗拉安全系数如下式：

（2）管柱抗外挤最低安全系数计算公式：

根据施工工况，环空操作安全循环阀时为最环空最高的作业压力，考虑油管内无液柱，极限条件下满足最低1.25系数要求，选择的管柱组合可满足施工。

（3）管柱抗内压最低安全系数计算公式：

在整个施工过程中，酸压施工时，油管承受酸液液柱压力以及井口泵压，计算最小抗内压安全系数时不考虑油管摩阻以及环空平衡压力，仅考虑环空液柱压力，为极限状态下管柱的抗内压最低安全系数。

（4）三轴安全系数计算：

三轴应力为轴向、径向、周向三个方向管柱综合应力，三轴应力安全系数有经典成熟的计算方法可借鉴。

以上公式中：

KN-油管抗拉强度，单位：千牛；

m-油管每米重量，单位：千克/米；

h-油管下深，单位：米；

-管柱许用应力，单位：帕；