深水鉆井測試與生產過程井口抬升計算

王宴濱，高德利，房　軍

深水鉆井測試與生產過程井口抬升計算

王宴濱，高德利，房軍

（中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京102249）①

建立了深水井測試及生產過程中井口處產生的熱膨脹力與井口抬升量力學模型，結合具體井身結構計算了井口熱膨脹力與抬升量，并分析了各層套管水泥漿返高與溫度變化對井口熱膨脹力與抬升量的影響。結果表明：井口處產生的熱膨脹力遠大于剪切銷釘的承載力，很容易造成剪切銷釘剪斷，從而導致井口抬升；表層套管水泥漿返高對井口抬升量的影響最大，生產套管影響最小，各層套管的水泥漿返高對井口總膨脹力均無影響；隨著各層套管溫度的升高，井口總熱膨脹力及井口抬升量均線性增大。可為水下井口設計和測試及生產過程中的參數設計提供理論依據。

深水鉆井；測試與生產；井口抬升；井身結構；水泥漿返高

隨著深水鉆井技術的不斷發展，井筒完整性越來越受到人們的重視。據挪威石油安全管理局（PSA）對海上106口具有不同開發年限和生產類別的井進行井筒完整性調查發現，18%的井筒存在完整性方而的問題，且其中7%因為井筒的完整性而被迫關井，對環境和經濟造成了重大損失［1-2］。關于深水井井筒完整性方面的研究，目前主要集中在測試及生產過程中套管環空圈閉壓力增加導致的套管擠毀和破壞問題［3］，較少文獻報道由于井口抬升引起的井筒完整性問題。在深水井測試及生產過程中，深水井中產出的高溫流體會引起套管環空附加壓力，如果過大的溫度變化產生的軸向作用力大于井口處剪切銷釘的承載力，將會造成井口上移，嚴重威脅井筒完整性。因此，在井身結構設計時必須考慮［5-8］。

1　計算模型

深水井井身結構及測試過程中的井筒傳熱過程如圖1所示。其中，高溫測試熱流體從井眼底部流向井口，在流動過程中向周圍的套管、水泥環及環空傳遞熱量，引起周圍介質溫度變化，產生熱應力。由于表層套管與技術套管之間以及技術套管與尾管之間的水泥環沒有返到井口，因此，未封固段套管的軸向變形受到限制；但由于溫度變化會產生熱膨脹力，如果此膨脹力大于井口剪切銷釘的承載力，將會造成井口抬升，破壞井筒完整性。對于深水中固井后的某層套管柱而言，下端面被水泥漿固結，上端面連接井口，因此兩端可以視為固定約束［9-11］，力學分析模型如圖2所示。

圖1　深水井測試過程井筒熱傳遞示意

根據如圖2所示的力學模型，可用下述方法計算由于套管溫度變化引起的井口處熱膨脹力與抬升量。

各層管的剛度為

式中：Ai為第i層套管的橫截面積，m2；Ei為第i層套管鋼材彈性模量，Pa；Li為第i層套管井口到水泥漿返高的高度，m。

圖2　單層套管力學分析模型

所有套管的總剛度為

各層套管由于溫度變化產生的膨脹力為

式中：γi為鋼材的熱膨脹系數，m／（mg·℃）；ΔTi為套管柱的平均溫度變化量，℃。

所有管柱產生的熱膨脹力總和為

由于溫度變化所產生的井口抬升量為

2　算例分析

假設某口井的井身結構［12］如圖3所示，各層套管的下深、水泥漿返高及套管溫度變化如表1所示，依據式（1）～（5）各參數計算結果如表2所示。

圖3　某井井身結構

表1　某井井身結構數據

表2　某井各參數計算結果

根據式（1）～（5）計算得到的管柱在井口處由于溫度變化產生的熱膨脹力總和為1.4 MN。假設井口處存在6個M16、材料為45＃的鋼剪切銷釘，其可承受的剪切力為

上述情況下產生的熱膨脹力遠大于井口處剪切銷釘的承載力，因此，在溫度變化作用下銷釘將會被剪斷，導致井口向上移動0.041 1 m。

3　影響因素分析

3.1水泥漿返高的影響

為了研究水泥漿返高對井口抬升量的影響，分別計算表層套管、技術套管及生產套管在不同水泥漿返高情況下的井口抬升量，如圖4所示。

圖4　水泥漿返高對井口抬升量的影響

由圖4可以看出：隨著表層套管水泥漿返高的增大，井口抬升量逐漸增大；在一定范圍內，井口抬升量隨技術套管與生產套管水泥漿返高逐漸增大；當水泥漿返高達到一定高度后，對井口抬升量沒有影響。從影響程度上看，表層套管水泥漿返高對井口抬升量的影響最大，生產套管影響最小。因此，建議在深水固井作業時，表層套管與導管之間的環形空間全部填充水泥；由式（3）～（4）可以看出，各層套管的水泥漿返高對井口總膨脹力均無影響。

3.2溫度的影響

由于套管屬于薄壁管，并且熱傳導系數較高，因此可以認為套管的溫度沿徑向不發生變化，假設各層套管溫度變化為0～100℃，得到的井口總熱膨脹力及抬升量分別如圖5～6所示。

圖5　溫度對井口總熱膨脹力的影響

圖6　溫度對井口抬升量的影響

由圖5～6可以看出：隨著各層套管溫度的升高，井口總熱膨脹力及井口抬升量均線性增大；在一定的溫度范圍內，各層套管對井口抬升量及熱膨脹力的影響程度由大到小依次為油管、生產套管、技術套管、表層套管；當溫度超過一定值后影響程度變為表層套管、技術套管、生產套管、油管。井口的過量抬升會造成水下生產系統及井口的損壞，威脅生產過程的安全。因此在水下井口設計時，對測試及生產過程中引起的井口抬升問題必須給予足夠的重視。

4　結論

1）建立了深水井測試及生產過程中井口懸掛多層套管的力學模型，并分析了水泥漿返高與套管溫度變化量對井口熱膨脹力與抬升量的影響。

2）在深水井測試及生產過程中，井口處產生的熱膨脹力遠大于剪切銷釘的承載力，很容易造成剪切銷釘的剪斷，從而導致井口的抬升。

3）表層套管水泥漿返高對井口抬升量的影響最大，生產套管影響最小，各層套管的水泥漿返高對井口總膨脹力均無影響；隨著各層套管溫度的升高，井口總熱膨脹力及井口抬升量均線性增大。

［1］Birgit Vignes.Well-Integrity Issues Offshore Norway ［G］.SPE 112535，2010.

［2］Birgit Vignes.Injection Wells with Integrity Challenges on the NCS［G］.SPE 118101，2008.

［3］Adams A.How to Design for Annulus Fluid Heat-Up ［G］.SPEAnnual Technical Conference and Exhibition，Dallas，Texas，SPE-22871，1991.

［4］Albert RMcSpadden，Simon Glover.Analysis of Complex Wellhead Load Events for Conductor and Surface Casing String［G］.SPE／IADC 119357，2009.

［5］Robello Samuel G，Adolfo Gonzales.Multistring Casing Design for Deepwater and Ultradeep HP／HT Wells：A New Approzch［C］.IADC／SPE 74490，2002.

［6］Jan A Aasen，Bernt S Aadnoy.Multistring Analysis of Well Growth［G］.IADC／SPE 88024，2004.

［7］趙益忠.長封固段固井套管熱應力分析［J］.鉆采工藝，2007，30（4）：109-111.

［8］聶海光.注蒸汽井套管熱應力及殘余應力理論研究［D］.成都：西南石油大學，2003：24-35.

［9］于繼飛.海上油井井口溫度計算方法探討［J］.中國海上油氣，2009，21（5）：332-334.

［10］馮少波.注蒸汽井溫度場分布和套管熱應力分析［D］.成都：西南石油大學，2002：10-36.

［11］王兆會，高寶奎，高德利.注汽井套管熱應力計算方法對比分析［J］.天然氣工業，2005，25（3）：93-95.

［12］王秀文.深井固井套管串力學分析及應用［D］.大慶：東北石油大學，2011：23-28.

Analysis of Wellhead Growth of Deepwater Well During Production and Well Testing

WANG Yanbin，GAO Deli，FANG Jun
（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

In order to calculate the thermal expansion force and wellhead growth of deepwater drilling during well testing and production，the mechanical model and analysis method of multilayer casing suspension on wellhead have been established.The thermal expansion force and wellhead growth have been figured out through a specific well structure and the influence of top of cement （TOC）and temperature variation on wellhead growth have also been analyzed.Results show that，during well testing and production，the thermal expansion force on wellhead is far bigger than the bearing capacity of the sheared locking pin and the sheared locking pin is easily to be cut that would result in wellhead growth.The TOC of surface casing has greatest impact on wellhead growth and the production casing has the smallest impact.The TOC of all casing has no influence on the thermal expansion force.With the increase of temperature of all casing，the thermal expansion force and wellhead growth increase linearly.The research has some theoretical foundation for the design of subsea wellhead and parameter design of deepwater drilling during well testing and production.

deepwater drilling；well testing and production；wellhead growth；well structure；TOC

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.015

1001-3482（2015）10-0061-04

①2015-04-12

國家自然科學基金創新研究群體項目（51221003）；國家科技重大專項子課題（2011ZX05009-005）

王宴濱（1988-），男，山東濰坊人，博士研究生，主要從事油氣井力學與控制工程研究，E-mail：wyb576219861＠126.com。

①2015-04-10

蘇金洋（1968-），男，甘肅慶陽人，高級工程師，主要從事油井管產品的研發和制造工作，E-mail：sujinyang＠cnpc.com.cn。