中石油高温高压试油测试装备研发现状

贺秋云

(中国石油集团川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院)

近年来，中国石油天然气集团有限公司(以下简称“中石油”)依托国家、集团公司相关专项，紧跟前沿技术，加大瓶颈技术攻关，形成了一批具有自主知识产权的成套高温高压试油测试装备，支撑了中石油川渝气田、塔里木油田的油气增储上产。随着中石油塔里木3 000×104t油气当量产能、西南油气田300×108m3天然气产能建设等部署的快速推进，7 000 m、8 000 m的勘探开发井越来越多。与此同时，国家安全环保要求越来越严苛。这些挑战对高温高压试油测装备的研发提出了更高的要求。

一、高温高压试油测试装备的现状

试油测试的装备主要分为地面测试设备和井下测工具。地面测试设备包括：控压的阀门管汇、油气井水分离处理的装备和油气水计量系统等。井下测试工具主要包括封隔器和各种井下开关阀等。

1.高压防硫地面测试装备成套，替代井口，满足作业需求

通过科研工作者的努力，中石油研制形成了成套的高压防硫试油地面测试装备，在技术指标、自动化水平、功能上完全可以替代进口，近5年来中石油各个作业单位已不再成套引进国外的地面测试设备。开发配套的地面测试设备在中石油塔里木、西南油气田气田高压含硫油田推广应用，并进入雪佛龙、壳牌等在中国的反承包市场进行服务作业。川庆钻探公司还将成套高压防硫地面测试装备出口到了土库曼斯坦国家天然气公司。

装备系列化。研制了70 MPa、105 MPa、140 MPa系列的成套地面测试装备，工作压力140 MPa是目前国际上地面测试装备的最高压力等级，140 MPa的旋流除砂器等重要装备达到了国外同类领先技术水平。140 MPa地面测试流程设备支撑了中石油塔里木油田库车前陆构造、西南油气田川西构造上的超高压深井试油测试作业。

防硫性能。地面测试设备的耐H2S腐蚀性能主要取决橡胶密封件和金属材料。地面测试设备的工作温度不高，普遍低于100℃且静密封工作多，橡胶密封件耐H2S性能实现难度不大。地面测试设备的抗硫性能主要取决设备金属材料抗硫化氢应力腐蚀开裂破坏能力。中石油川渝气田等单位多年对酸性腐蚀介质下各种金属材料的耐腐蚀性能研究积累了丰富的成果，从材料的选择到热处理工艺形成了技术规范性。针对不同功能模块制定了低碳合金钢、低碳钢、高强度钢等金属材料的选择标准。研制的防硫地面测试设备在四川的罗家寨、龙王庙、塔里木油田的中古等高含硫油田得到了普遍应用，经受了严苛的考验，最高作业井H2S含量得到了57×104mg/L。

含硫油气井试油测试时井筒内排出的地层水和增产改造后的返排液往往含有H2S、泡沫、残酸。如果直接排放，液体中的H2S会不断在四周飘散危及现场作业人员和附近居民的安全，残酸中的泡沫会在天空中形成酸雨然后降落在周围的农作物上，污染农田，长期以来是现场试油作业所面临的非常棘手的环保问题。中石油川庆钻探公司开发了含硫气井试油测试排出液自动实时除硫系统，通过自动加注装置在地面测试流程液体流动管线内加入液体的除硫剂、pH中和剂、消泡剂，除去其中含的H2S、残酸、泡沫等，整个系统可以自动检测处理后的H2S浓度和pH值，并能将采集的H2S和pH值实时反馈到系统计算机控制单元自动调处理剂的加入量，处理后液体中硫化氢浓度小于15 mg/L，满足现场安全环保需要。

自动化水平。操控自动化程度主要体现在对压力、流量控制的精准度和超压等紧急情况下的安全保护机构。研制的地面测试装备中分离器压力、流量控制配套了高精度的FISH、KAMRY系列控制系统，配套了高级孔板阀气体流量计、高精度电子式液体流量计，性能达到了行业内国际通用的标准和技术水平。压力容、压力元件超压保护采用国际通行技术标准配套了紧急关断系统ESD,由高低压导阀、控制站、报警系统等组成，当地面测试流程的压力元件或压力容器意外超压或者爆裂时系统自动响应，并在几秒钟短的时间内截断进入测试流程的流体，隔断压力源，达到保护压力容器(元件)。中石油川庆钻探公司研制了以油嘴管汇等高压区设备为核心的自动远程操作系统，通过计算机操作设备阀门的开关、对节流阀进行调节实现精确控制，操作过程中通过传感器采集的压力和控制系统之间的信号自动响应、自动联动，实现闭环的自动控制，为施工安全提供了保障。

数据采集系统。数据采集系统DAS主要有计算机、软件、传感器等组成，用于地面压力、温度、流量等测试资料录取。整个系统已完全实现了自主开发，与国外的系统比功能更丰富、更先进。系统由过去的有线传输方式升级为无线传输，可以根据需求随时扩展采集通道，除了传统的数据采集通道外，扩展了在线H2S实时检测、出砂量监测、分离器液面实时监测等。软件界面更友好实用，一套系统在多口井同时施工时可分别显示各口井录取的测试资料。DAS系统借助油田建立的大数据系统可将现场的录取数据直接传到后方专家系统，实现对现场试油测试作业的专家实时支持。

技术标准。执行的技术标准的水平直接影响了研制装备的质量控制水平和国际行业内的认可度，是装备参与国际试油测试技术服务竞争的主要技术指标之一。过去在装备研制过程中往往更重视功能需求的满足，而忽视执行的技术标准的先进性、国际性，导致了一段时间在国内一些作业风险挑战大的高压深井作业和反承包项目中，自主研发的装备不被接受，只能引进使用EXPRO、HALLIBUTON等国外公司的测试装备。近年来在地面测试装备研制的过程中研究人员从设计、制造以及投入使用后的定期检测等全过程引入了行业国内外先进的技术规范和标准，严格依照行业内国际通行的技术标准。分离器、热交换等压力容器设计、制造中，全面引入了ASME设计标准和制造全过程的质量控制审核标准，防硫标准执行NACE-MR0175，压力元件引入API 6A、ANSI 等设计和制造标准。装备制造中引入DNV、BV等第三方检测机构对全过程进行监造，设备投入运行后定期采用第三方BV、DNV等机构对使用中的腐蚀、结构件的安全载荷等进行检测评估。先进的技术标准规范保障了研制装备的质量和技术的先进性。

2.井下测试工具研制取得显著成果，打破了完全依赖进口的局面

试油测试井下工具在井筒内工作，面临高温、高压的作业环境，加之工作的空间非常受限，研制工作一直面临很大的挑战。通过不懈攻关，近年中石油的试油测试井下工具研制取得了突破，打破了测试工具完全依赖进口的局面，部分测试工具性能达到国际先进水平。

研制了工作温度177℃、工作压差70 MPa系列成套全通径压控式测试工具，部分工具工作温度达200℃、工作压差达105 MPa。工具外径Ø79 mm、Ø98 mm、Ø127 mm,适用于目前中石油Ø114.3 mm～Ø339.7 mm尺寸的所有常规和非标套管井试油测试作业。系列指标达到了国际先进水平，研制的大通径Ø45 mm、Ø57 mm的压控式井下循环阀和安全循环阀的静压工作值超过了国外同类的产品。

研制了试油完井一体化井下工具。中石油川庆钻探等单位研制了用于试油测试、储层封堵、生产投产一体化的井下工具。工作温度177℃、工作压差70 MPa、适应酸性工作环境、适应套管Ø127 mm～Ø177.8 mm，在中石油西南油气田高石梯-磨溪构造龙王庙、灯影组储层的试油测试作业中进行了应用，取得了显著的效果[2]。

研制的工作温度177℃、工作压差70 MPa的高酸性环境下工作的投产完井工具已在中石油西南油气田投入了现场应用，打破了过去高酸性气井投产完井工具完全依赖贝克、哈里伯顿公司产品的情况。

井下测试数据实时采集传输系统取得突破。针对传统试油测试技术的瓶颈，逐步发展出钢丝电缆测试技术、跨测试阀直读技术、全井无线直读技术，而全井无线直读技术以全程实时数据读取、无缝融入试油测试作业过程的技术优势，成为未来试油测试井下资料获取的技术发展方向，是目前试油测试的前沿技术[3]。中石油相关单位都在积极进行本系统的研究，川庆钻探公司研发的CQ-SRO-Ⅰ全井无线地面直读系统，实现了5 000 m井深的井下测试数据无线传输。中石油渤海钻探公司研制了井下光纤监测系统，将光缆下入储层下部，实时录取井下温度、压力等信息，系统工作压力140 MPa。

建成了210 MPa/200℃高温高压井下测试工具试验平台。试验平台最大工作温度200℃、最大工作静压210 MPa、最大工作压差105 MPa，可对井下测试工具进行动态和静态的功能模拟试验，为高温高压井下测试工具自主开发和工具可靠性评价提供了手段，综合指标达到国际先进水平。

二、下步装备研制的方向

1.面临的挑战

(1)井越来越深，温度越来越高。中石油所属的塔里木库车前陆盆地是典型的超深超高温高压气田(“十二五”期间最大井深8 038 m、最高地层温度183℃、最高地层压力136 MPa)。川渝气田深井不仅是超深超高压高温井，而且是典型的高含硫的井，普遍含H2S且H2S分压高(“十二五”期间最大井深7 793 m、最大地层温度175℃、最高地层压力147 MPa)。大庆油田的松辽盆地火山岩地层地温梯度达到4℃/100 m、5 000 m的井地层温度200℃左右[4]。华北油田渤海湾盆地5 000～6 000 m的井地层温度180℃～195℃，南堡3-80井测试井段5 681～5 712 m、井温达到了204℃[5]。

(2)与国外公司相比存在技术差距。中石油开发了成套的地面测试装备，在工作压力级别、地面测试集中化、智能化控制化水平等，已经处于国际技术先进水平。但井下测试装备与国外公司相比在技术指标上存在差距，主要体现在工作温度和工作压差等关键技术指标上。国外已经达到230℃，部分公司已经开始研制260℃井下工具。在井下测试数据传输系统方面尽管取得了大的技术进展，但要大面积的工业化应用还是需要进一步的深化研究。

(3)环保要求越来越严苛。国家的环保政策越来越严。从2018年1月开始征收环境保护税，试油测试期间井筒内排出油、气、水等流体的环保处理装备，成为亟待解决的技术问题。

2.下步研制方向

2.1 井下测试工具

井下测试工具研制立足技术指标和自动化水平的提升。第一研制超高温高压井下测试工具，工作温度200℃及以上、工作压差105 MPa，包括封隔器、桥塞等的研制；第二是井下测试数据无线实时直读系统，重点提升系统的传输距离到7 000 m以上，数据传输速率提高；第三是研制遥控操作的电动井下工具，将传统机械操作变为遥控操作。

2.2 地面测试装备

立足绿色环保，重点研制试油测试期间井筒产出的流体(油、气、水)的无害化处理装备。包括：天然气密闭燃烧器制、返排液不落地回收装置、现场小型化大处理量天然气脱硫装置、天然气回收装置等。

三、结论和建议

中石油高温高压试油测试装备研制已取得了丰硕的成果。地面测试装备研制实现了成套化、系列化，完全替代了国外进口装备。高温高压井下测试工具打破了全部依赖进口的局面，部分工具的工作温度等技术指标存在短板，建议重点加强超高温高压差封隔器等技术指标瓶颈的测试工具研制。试油测试井下数据实时传输系统研制紧跟国际技术前沿，需从传输速率等方面深化研究，实现工业化推广。

[1]汪海阁，葛云华，石林，等.深井超深深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向.天然气工业，2017,(4)：1-8.

[2]刘飞，贺秋云，肖军，等.井下测试数据地面直读技术发展现状.钻采工艺,2013,36(4):48-51

[3]孙海芳，刘飞，王志敏.高温高压井试油完井一体化工艺技术.钻采工艺,2017,40(4):36-39.

[4]孙浩.大庆油田深井抗高温钻井液技术研究与应用.中国石油与化工标准与质量,2014,24(6):99-99.

[5]朱礼斌，王元龙，贾文义，等.高温高压测试工具研制与应用.油气井测试,2014(6):64-65.