耐蝕連續(xù)管在CCUS技術(shù)中的應(yīng)用*

潘若生

（吉林油田公司油氣工程研究院，吉林 松原 138000）

1 概 述

國內(nèi)各大油田前期CCUS 均處于礦場試驗(yàn)階段，尚未進(jìn)入工業(yè)化推廣，在國家提出雙碳目標(biāo)后，中石油啟動(dòng)了三百萬噸CCUS 重大示范工程項(xiàng)目，中石化建成了百萬噸級CCUS 項(xiàng)目，但CCUS技術(shù)普遍應(yīng)用于已開發(fā)油田，對于長期CO2封存提出了挑戰(zhàn)，主要原因?yàn)镃O2轉(zhuǎn)注老井套管、固井水泥及水泥返高等未按CO2驅(qū)注氣井要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。老井的工藝結(jié)構(gòu)如圖1所示，注氣管柱作為第一道屏障，對完整性提出更高要求，因此連續(xù)管作為注入管柱具有天然的優(yōu)勢。

圖1 老井工藝結(jié)構(gòu)示意圖

2 CO2注入工藝設(shè)計(jì)要求

CO2注入工藝在考慮初期管道完整性基礎(chǔ)上，重點(diǎn)還應(yīng)考慮服役過程中防腐及氣密封長期穩(wěn)定性問題。根據(jù)開發(fā)需求，為了避免單方向油井產(chǎn)氣量增大，大幅提高采收率，普遍采用水氣交替抑制氣竄、擴(kuò)大波及體積[1-2]，但水氣交替過程中CO2和水的頻繁交替注入，給工藝設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

水氣交替注入過程的水、氣分布如圖2 所示。水氣交替過程中水、氣流速不同，井筒處于氣液共存狀態(tài)，從而對井口設(shè)備、井下管柱等造成腐蝕；并且老井井口、套管、水泥等均無法滿足CO2防腐及密封要求，因此注入管柱需要考慮氣密封，避免氣體進(jìn)入環(huán)空，造成套管腐蝕。

圖2 水氣交替注入過程的水、氣分布圖

注入井管柱除承受拉伸載荷外，還有外擠、內(nèi)壓、彎曲載荷以及封隔器作用力等。在服役工況條件下存在應(yīng)變，主要有重力引起的軸向伸長量、摩阻力引起的軸向伸長量、封隔器作用力引起的軸向伸長量等[3-5]。水氣交替過程中注氣和注水的頻繁交替存在壓力及溫度等參數(shù)的變化，以吉林大情字井油田試驗(yàn)區(qū)為例，注氣壓力為15～20 MPa，注水壓力為13～17 MPa，注氣溫度為-10～15 ℃，注水溫度為0～15 ℃，工況復(fù)雜多變，引起管柱受力變化較大，從而影響管柱的長期密封性及安全注氣。

3 氣密封油管注氣應(yīng)用情況

3.1 氣密封油管注氣防腐工藝

氣密封油管水氣交替腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，無水條件下CO2對碳鋼不會產(chǎn)生腐蝕，但在水氣交替或停注過程中會使井筒內(nèi)出現(xiàn)CO2和水共存的情況，從而引起腐蝕。添加緩蝕劑后，普通碳鋼腐蝕得到明顯控制。從成本角度考慮，普遍采用“關(guān)鍵部位使用耐蝕材料+加注緩蝕劑+配合工藝措施”相結(jié)合的方法進(jìn)行防腐。

表1 不同材質(zhì)油管水氣交替腐蝕試驗(yàn)結(jié)果（PCO2=5 MPa、72 h、80 ℃）

考慮水氣交替過程中溫度、CO2分壓、流速等腐蝕影響因素，井口和井下關(guān)鍵工具需使用耐CO2腐蝕材料。井口使用耐CO2腐蝕CC級氣井井口，井下封隔器使用13Cr或S13Cr材質(zhì)，膠件使用耐CO2腐蝕橡膠。加注緩蝕劑能夠有效緩解CO2對碳鋼的腐蝕。盡管使用井下封隔器和氣密封油管來保護(hù)油管外壁和套管內(nèi)壁，但依然存在部分CO2滲漏至油套環(huán)空，因此，對油套環(huán)空加注環(huán)空保護(hù)液進(jìn)行防腐，定期監(jiān)測環(huán)空保護(hù)液液面變化情況，當(dāng)液面過低時(shí)進(jìn)行補(bǔ)加。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

目前國內(nèi)注氣時(shí)間較長的油田試驗(yàn)區(qū)有草舍油田、大情字井油田、榆樹林油田等，注氣井最長安全運(yùn)行時(shí)間達(dá)10年以上，但由于腐蝕、管柱氣密封失效等問題，依然存在部分井注氣后2～3年出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。綜合氣密封扣注氣工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況來看，該工藝主要存在以下問題。

（1）檢管周期短。由于水氣交替過程井筒存在腐蝕，添加緩蝕劑段塞可以降低腐蝕速率，但人工操作成本高，緩蝕劑段塞防腐效果有限，無法滿足所有注入井長期平穩(wěn)注氣。

（2）密封薄弱點(diǎn)多。氣密封扣油管為端面擠壓密封，一方面水氣交替過程端面受力不斷發(fā)生變化，易造成端面變形及損傷；另一方面水氣交替過程使密封端面腐蝕，也會導(dǎo)致氣密封失效。因此，每個(gè)油管連接位置就是一個(gè)密封薄弱點(diǎn)。

（3）施工費(fèi)用較高。氣密封扣油管完井過程需配合專業(yè)的洗上扣，單一采用氣密封洗上扣管柱密封性能難以保證，還需進(jìn)一步開展氣密封檢測，保證絲扣的密封效果。礦場試驗(yàn)表明，環(huán)空帶壓井比例大幅降低，但洗上扣、氣密封檢測費(fèi)用較高。重新完井過程由于管柱存在腐蝕結(jié)垢，封隔器解封較為困難，存在大修風(fēng)險(xiǎn)。

4 連續(xù)管注氣工藝可行性分析

針對氣密封油管注氣工藝存在的問題，通過應(yīng)用不銹鋼連續(xù)管替代氣密封油管，可避免管柱泄漏及腐蝕，井筒完整性得到大幅提高。但連續(xù)管普遍應(yīng)用于氣井排水采氣、解堵等，在CCUS領(lǐng)域是否具備推廣應(yīng)用前景，需要從以下幾個(gè)方面分析。

4.1 耐腐蝕性能

對2205不銹鋼連續(xù)管和不同材質(zhì)油管水氣交替腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，見表2。由表2可知，2205不銹鋼連續(xù)管耐腐蝕性能優(yōu)于S13Cr油管。連續(xù)油管由于加工工藝復(fù)雜，成本高于油管，可以通過應(yīng)用小直徑連續(xù)管來降低用量[6-9]，且完井費(fèi)用較應(yīng)用氣密封油管、洗上扣、氣密封檢測等綜合成本降低30%左右。

表2 不銹鋼連續(xù)管與不同材質(zhì)油管水氣交替腐蝕試驗(yàn)結(jié)果（PCO2=5 MPa、72 h、80 ℃）

從檢管周期來看，注水開發(fā)階段水井檢管周期為3年，注氣開發(fā)階段水氣交替、單一注水均存在腐蝕，按照水氣交替比例1∶1計(jì)算，CO2注入井運(yùn)行6年左右需進(jìn)行檢管。根據(jù)相同環(huán)境下不銹鋼連續(xù)管的腐蝕速率，應(yīng)用緩蝕劑條件下檢管周期預(yù)計(jì)可以提高2倍以上，大幅降低作業(yè)成本。

4.2 井下工具選擇

據(jù)調(diào)研，國內(nèi)CO2注氣井井深均在2 000 m以上，氣密封油管注入工藝普遍應(yīng)用封隔器隔離油套環(huán)空，但由于小直徑連續(xù)管抗拉強(qiáng)度不足[10]，無法滿足封隔器上提解封要求；同時(shí)，連續(xù)管作業(yè)設(shè)備無法旋轉(zhuǎn)，管內(nèi)壁存在焊線、長期服役結(jié)垢等問題，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)解封及投工具解封均無法實(shí)現(xiàn)。因此，可應(yīng)用橋塞替代封隔器[11-13]，連續(xù)管與橋塞滑動(dòng)密封[14]，連續(xù)管僅承受自身重力，不受其他力作用，最大可以下深5 000 m 以上。常規(guī)油管及連續(xù)管抗拉強(qiáng)度及可下入深度對比見表3。

表3 常規(guī)油管及連續(xù)管抗拉強(qiáng)度及可下入深度對比

4.3 試驗(yàn)效果

在吉林油田大情字井油田首次應(yīng)用不銹鋼連續(xù)管作為注氣管柱，共試驗(yàn)10 口井，井深約2 300 m，截至目前運(yùn)行平穩(wěn)。連續(xù)管具有作業(yè)速度快、全過程帶壓的特點(diǎn)，完井過程僅需要2～3 h，整個(gè)完井作業(yè)可控制在1天之內(nèi)。而氣密封油管注氣工藝完井周期在7天左右，完井過程無法實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，需要進(jìn)行放壓、壓井，再起管、下管等，而且放壓導(dǎo)致井組地層能量降低，影響開發(fā)效果。因此，不銹鋼連續(xù)管應(yīng)用于CCUS可有效保持地層壓力，避免作業(yè)過程CO2泄露，有利于CO2封存。

5 結(jié) 論

（1）不銹鋼氣密封油管雖然可提高管柱防腐性能，但由于水氣交替過程管柱應(yīng)力變化易導(dǎo)致氣密封扣失效，密封性能變差，不可重復(fù)利用，整體應(yīng)用成本較高，不建議推廣。耐蝕合金連續(xù)管僅存在井口懸掛及井下密封工具兩個(gè)薄弱點(diǎn)，利用連續(xù)管作為CO2注入井管柱完整性優(yōu)于氣密封油管。通過采用小直徑不銹鋼連續(xù)管可控制管材成本，密封工具失效后，連續(xù)管依然可以重復(fù)利用，全生命周期內(nèi)不銹鋼連續(xù)管注入工藝成本遠(yuǎn)低于碳鋼氣密封油管注入工藝，因此，不銹鋼連續(xù)管作為注入管柱具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

（2）小直徑連續(xù)管抗拉強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等無法滿足封隔器解封需求，可以配合橋塞完井，重新完井過程橋塞可以通過鉆磨或打撈的方式起出，提高完井成功率、避免大修。工藝改進(jìn)后連續(xù)管僅承受自重，50.8 mm（2 in）連續(xù)管在安全系數(shù)1.6條件下，最大可以下深5 000 m以上，滿足國內(nèi)絕大多數(shù)油藏應(yīng)用條件，適應(yīng)范圍廣。

（3）吉林油田試驗(yàn)表明，采用耐蝕合金連續(xù)管作為注氣管柱進(jìn)行完井作業(yè)，在作業(yè)周期、作業(yè)成功率、作業(yè)成本上均有較大優(yōu)勢。同時(shí)，耐蝕合金連續(xù)管可實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，二次完井無需泄壓或者壓井，對開發(fā)效果的保持有重要意義。因此，耐蝕合金連續(xù)管在CCUS領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。