海上氣井環空帶壓地面檢測診斷技術

張喜明，樊建春*，劉迪，劉書杰，呂寧貽，梁政偉，文敏

1 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249

2 中海油研究總院，北京 100027

0 引言

隨著我國海洋油氣發展規模的擴大，天然氣井因油套管失效穿孔、封隔器退化而造成的環空帶壓問題日益突顯[1-2]。環空帶壓輕則影響天然氣產量、降低采收率，重則擠毀井筒管柱、造成井噴等災難性事故，已成為危及海上天然氣井開發生產安全的首要問題[3-6]。

1991年，A. J. Adams建立了密閉環空內流體熱膨導致的環空壓力計算模型[7]。1999年，N. Somei最早對天然氣在環空水泥環中的運移行為進行了系統性實驗研究[8]。2001年，路易斯安娜州大學A. K.Wojtanowicz等人在前人的研究基礎上，歸納了5種環空帶壓類型，并建立了系統的天然氣經過水泥環滲流—環空保護液中運移—井口聚集過程的機理模型[9-14]。隨著環空井口壓力計算模型的完善，研究人員發現：單一的環空井口壓力監測數據不足以支撐對環空帶壓井安全狀態的評價，逐漸提出了多參數監測方法，開發了相關的井口壓力、泄壓流量等監測設備，如挪威Scanwell公司的井完整性監測系統[15-17]。結合環空壓力預測模型和環空井口壓力恢復早期階段的監測數據，Tony Rocha-Valadez等人實現了環空帶壓井動態風險分析[18-19]。國內學者高德利[20]、楊進[21]、張智[22]等人分別從環空井口壓力計算模型、環空帶壓井管理和環空帶壓預防的角度對氣井環空帶壓問題進行了相關研究。然而，以上研究主要集中在技術套管或表層套管的環空帶壓問題。而因生產管柱泄漏、封隔器失效等原因造成的“A”環空帶壓機理尚不清晰，缺乏有效的檢測、診斷技術。同時，國內尚無可用于現場檢測的環空帶壓井檢測診斷系統。

本文首先闡述了考慮溫度影響的生產管柱和“A”環空壓力剖面計算模型。在此基礎之上建立了基于井筒壓力分布的井下管柱泄漏地面定位模型。同時，研制了適合海上環境的綜合壓力、流量、溫度、液位及環空氣體組分參數的環空帶壓地面檢測診斷系統。為了驗證系統的診斷功能，開展了海上氣井環空帶壓現場試驗。建立了生產管柱泄漏位置與“A”環空井口壓力之間的定量關系，明確了生產管柱泄漏導致“A”環空帶壓的機理。最后提出了引入環空液面位置監測數據作為環空帶壓評價的指標及其原理。為海上氣井的完整性管理、修井及采氣作業安全控制提供技術支撐。

1 環空帶壓井氣體泄漏途徑

圖1所示是海上氣井典型井身及生產管柱結構。按照井筒由內到外的順序，依次是生產管柱、生產套管、中間技術套管(1～3層，視井深和地層情況而定)、表層套管/隔水管。相鄰兩個管柱之間環形空間稱為環空。根據環空的位置，其分為生產套管環空(A環空)、中間套管環空(B環空)和表層套管環空(C環空)[23]。環空頂部通過油/套管懸掛器和油/套管頭與外界大氣環境隔離，環空底部通過生產封隔器/水泥環與井底油氣環境隔離。因此，在井筒結構完好狀態下，井內/地層氣體無法進入到環空中。

圖1 井身及生產管柱結構圖Fig. 1 Well and production string structure

井筒結構失效會使天然氣突破物理屏障無控制地流入淺層地層、海水或地表。NORSOK Standard D-010定義了井安全屏障為一個或幾個相互依附的安全屏障元件的集合，以確保地層中的天然氣可控地開采到地面[24]。如圖1所示，初級井安全屏障主要包括藍色部分井筒元件：生產封隔器、井下安全閥(Subsurface Safety Valve，SCSSV)和井下安全閥下部生產管柱；次級井安全屏障主要包括紅色部分井筒元件：采油樹本體、生產主閥、生產翼閥、環空閘板閥、油管頭、油管懸掛器、生產套管懸掛器、生產套管和生產套管水泥環[25]。初級安全屏障失效會導致A環空帶壓。進入到A環空中的氣體突破次級安全屏障會導致B環空帶壓。因此，可將安全屏障元件失效作為基本事件分析氣井安全屏障失效形式。選擇環空帶壓為頂部事件，考慮了多個環空連通的情況，至上而下地深入分析，建立如圖2所示的氣井環空帶壓事故樹，各事件符號含義如表1所示。

運用布爾代數法對環空帶壓事故樹進行簡化處理，共得到54個割集，即造成環空帶壓的54種油氣泄漏途徑。進一步簡化，共得到{X5}，{X6}，{X7}，{X13}，{X15}，{X18}，{X1, X3}，{X2, X3}共8個最小割集。事故樹的最小割集代表事故發生最低限度基本事件的組合，從最小割集可以看出生產管柱組件發生泄漏是造成環空帶壓的最主要因素，開展環空帶壓井生產管柱泄漏診斷十分必要。

2 環空帶壓診斷原理

天然氣井完井后，在穩定生產狀態下，各環空井口壓力應該是0。或者泄去因熱膨脹引起的環空壓力之后，關閉環空井口閘閥，在同樣穩定生產狀態下，環空井口壓力應該繼續保持為0。如果關閉環空井口閘閥后，環空井口壓力上升甚至恢復為泄壓前壓力水平，這種現象叫做環空帶壓[11]。環空帶壓診斷首先需要甄別環空壓力的來源，排除因井筒受熱膨脹引起的環空井口壓力升高。其次，對于天然氣突破井筒結構單元泄漏到環空中導致的環空帶壓問題，為了評價環空帶壓的風險等級，制定控制措施，需要確定環空壓力的來源，判斷失效的井筒元件，定位發生泄漏的位置。

2.1 環空壓力來源診斷流程

API RP90指出：當環空井口壓力超過環空最大允許井口操作壓力(MAWOP, Maximum Allowable Wellhead Operating Pressure)時，該井需要進行環空泄壓-壓力恢復測試。根據泄壓過程壓力隨時間的變化特征及是否恢復至泄壓前壓力水平判斷該井是否發生環空帶壓。而該測試流程無法確定發生泄漏的井筒元件。為有效分辨環空壓力來源，參考上文歸納的環空帶壓井氣體泄漏途徑，本文在API RP90的基礎之上，引入泄壓氣體組分分析，結合環空泄壓-壓力恢復數據，判斷環空壓力的來源，診斷過程如圖3所示。

2.2 井下管柱泄漏地面定位原理

根據壓力平衡原理，當井下油、套管柱發生泄漏時，在穩定狀態下，泄漏點處相鄰的兩根管柱內部壓力應該相等。反之，依據井口檢測參數及井身結構等數據可分別建立相鄰管柱壓力剖面，通過計算可得出二者壓力平衡的位置，則可確定出管柱泄漏的位置。如圖4所示，當生產管柱發生泄漏時，在油壓和套壓穩定的狀態下(沒有產量調節和環空泄壓操作)，分別建立生產管柱壓力剖面和“A”環空壓力剖面。二者的交點即環空壓力和油管壓力的平衡點即為泄漏位置。

表1 井筒安全屏障失效事件Table 1 Failure control of safety barriers

圖2 環空帶壓事故樹Fig. 2 Fault Tree Analysis( FTA) for SCP

3 井下管柱泄漏地面定位模型

根據以上分析可知，井下管柱漏點定位的關鍵在于通過井口檢測數據和井身信息找到相鄰兩個管柱內壓力的平衡點。本節分別建立了井筒溫度、壓力分布計算模型。由于二者沿井深方向是非線性分布的，不能通過公式反推壓力平衡點的深度，所以提出了一種迭代算法。

3.1 井筒溫度分布模型

在天然氣從地層流到地面的過程中，熱量會依次通過油管、套管、套管環空、套管、水泥環，從井筒內的流體傳遞到地層中。基于Ramey和Hasan-Kabir模型，忽略豎直方向上的熱量傳遞，假設生產管柱內流體與第二接觸面(水泥環與地層之間接觸面)之間的傳熱為穩態傳熱，從第二接觸面到井筒周圍地層中傳熱為非穩態傳熱。根據能量守恒定理，對于井筒內dz長度的微元體有如下微分方程[26]。

式中，P為井筒內壓力，MPa。CJ為Joule-Thompson系數。Cpm為井筒液體平均比熱容，J/(kg·K)。g為重力加速度，kg/s。θ為井斜角，弧度。基于以上方程，Hasan-Kabir根據傳熱學知識，結合大量實驗數據，經過一些列推導，得出以下井筒內流體溫度計算公式[27]。

式中，Th為地層溫度，K。A為油管橫截面積，m2。參數φ代替流體動能改變項和焦耳湯姆遜效應項。當氣井產液量Gt＜2. 27 kg/s時，φ=0。其他條件下φ通過下式計算[28]。

圖3 環空壓力來源檢測診斷流程圖Fig. 3 Diagnostic flow chart of SCP

在井筒穩定條件下，生產管柱內流體傳遞到套管環空的熱量與流體傳遞到第二接觸面的熱量相等，進而可計算出環空溫度為

3.2 井筒壓力分布模型

天然氣井生產后期會伴隨地層出水問題，產氣在井下管柱內的流動方式為氣液兩相流動，其流動型態可分為泡狀流、段塞流、擾動流和環狀流。Hagedorn和Brown在實驗基礎之上建立了垂直管內氣液兩相流動的壓降計算模型[29]。該模型利用Ros提出的無量綱準則數，通過圖形法計算有效空隙率，進而得到混合物的有效密度。Hasan和Kabir通過對垂直管流中氣液兩相流的流型轉變的機理分析，給出了不同流動階段各相的密度、速度計算公式[30-31]。由此得出深度為?z的井段井筒內的壓降計算公式為

圖4 基于壓力平衡原理的管柱泄漏地面定位原理Fig. 4 Location principle of gas well based on the theories of pressure equilibrium

式中，d為井筒管柱內徑，m。Q1為產量，Nm3/d。對于環空內的氣體，沒有泄壓等操作時，處于靜止狀態。根據機械能量守恒定律，對于長度為dz的環空，有以下平衡方程

式中，氣體密度可通過氣體狀態方程計算

對液面上部環空，積分式(7)可得

對液面下部環空，任意深度z處，環空壓力是液面處壓力Pct與液柱壓力之和，即

3.3 井下管柱泄漏地面定位迭代計算模型

根據2.2節中井下管柱泄漏地面定位原理可知，建立生產管柱和環空壓力剖面后，即可通過反推二者平衡點對應的深度來確定漏點位置。由于井筒溫度、壓力沿井深方向是非線性分布的，所以提出了井下管柱泄漏位置迭代算法。

如圖5所示，將井筒沿垂直方向均勻劃分為若干深度為?z的井段單元。當深度?z取合適大小時，可假設每個井段內介質的溫度和壓力等參數相等。根據在地面檢測到的井口溫度和壓力等參數，利用式(2)、式(4)、式(9)能夠分別計算該?z井段生產管柱和環空底部的溫度和壓力。依次往復分別計算出每個井段底部的壓力和溫度，進而可計算出全井的溫度和壓力分布。當計算至生產管柱中的壓力等于環空中壓力時，可認為該深度為泄漏點深度。初始條件：井筒首段單元的溫度、壓力等于地面檢測的井口溫度、壓力。根據氣體狀態方程，氣體的溫度和壓力是相互作用的，需要聯立求解。為了簡化計算過程，建立如圖6所示的迭代法求解過程。首先，假設計算井段內油管/環空中流體的壓力。然后，據此計算該井段內流體的其他熱物性參數，進而計算出流體的溫度。最后，計算出新的流體壓力，判斷該壓力和假設壓力的關系。如差值在工程允許范圍內，則可接受。如若差別較大，則重新假設壓力繼續計算，直至符合要求為止。如此循環，最終可計算出全井油管/環空的壓力剖面并找出平衡點。

圖5 泄漏定位計算井筒網格劃分Fig. 5 Computational grid in the tubing and annulus

圖6 管柱泄漏位置計算流程圖Fig. 6 Flow chart of the calculation for leak locating

4 環空帶壓檢測診斷系統開發

工欲善其事必先利其器，為了診斷海上氣井環空帶壓問題，需要開發適合海洋平臺實際環境的氣井環空帶壓地面檢測診斷系統。環空帶壓檢測診斷系統需要具備兩方面功能：環空壓力來源診斷和井下管柱泄漏點定位。根據上文建立的診斷模型的求解條件，診斷系統需要檢測環空泄壓/壓力恢復過程中壓力、溫度和氣體流量的變化。同時，還需要檢測泄放出流體的組分和環空液面的位置。

環空帶壓檢測診斷系統由硬件和檢測診斷軟件兩部分組成。圖7是環空帶壓檢測診斷系統的硬件組成圖。主要包括環空液位聲波檢測模塊和環空流體檢測模塊。考慮井場實際情況和各檢測模塊的工作特點，環空液位聲波檢測模塊安裝在井口油/套管頭上，而環空流體檢測模塊放置在井口附近位置，兩者之間通過耐高壓天然氣專用軟管連接。系統設計了3個檢測氣路，以檢測“A”、“B”、“C”3個環空是否有連通的情況。3個氣路均能夠檢測環空液位深度、環空壓力、環空溫度和環空氣體組分等參數。其中“A”環空檢測氣路為主檢測氣路，氣路中安裝有氣液分離器，能夠在環空泄壓-壓力恢復過程中檢測泄放氣體的流量。而兩個輔助氣路只檢測相鄰環空壓力、溫度，允許在開閥時泄放少量氣體，以防止流量計被液體或其他雜質沖擊損壞。檢測系統的末端裝有氣體組分分析儀，用以檢測環空中氣體的組分。系統性能參數見表2。檢測系統電磁閥開關由PLC控制，溫度、壓力等數據通過數據采集卡采集，采集數據帶寬14 bit，最大采樣頻率1000 Hz。下位機中的PLC和采集卡與上位機軟件之間通過無線中繼器通訊，拓撲結構為星形連接。根據石油天然氣作業相關標準，檢測系統中的電器部件需要滿足防爆等級不低于Exd II BT4。

圖7 環空帶壓檢測診斷系統硬件組成圖Fig. 7 System’s block diagram of SCP test system

表2 環空帶壓檢測系統性能參數Table 2 Performance parameters of SCP diagnostic test system

環空帶壓檢測診斷軟件包括：閥門控制、數據采集、數據分析和數據存儲4部分。其中，閥門控制和數據采集部分是在LabVIWE環境下開發的，具有與硬件系統PLC和采集卡兼容性好、工作可靠的優點。上位機軟件能夠控制系統各個管路電磁閥的開關動作和液位測試裝置的工作，能夠根據設定的環空泄壓/壓力恢復程序實現環空自動泄壓/壓力恢復測試。圖8(a)是系統軟件閥門控制和數據采集主界面。由于井筒壓力、溫度剖面的計算涉及很多傳熱和井流公式，這些公式都是非線性的，同時，計算過程又有很多迭代過程，而LabVIEW開發環境是圖形化語言，不適合編寫計算過程復雜的軟件。因此，環空帶壓檢測診斷軟件數據處理分析和存儲部分是在Matlab環境中開發。數據處理分析部分能夠讀入Excel類型井身結構數據和測試的溫度、壓力等數據，畫出井身結構圖和井筒溫度、壓力剖面，并且計算泄漏點位置。同時，能夠以Word格式導出環空帶壓診斷結果。數據處理和存儲部分軟件主界面如圖8(b)所示。

5 現場試驗結果及分析

5.1 檢測現場描述

該井所在處水深41.3 m，完鉆井深2745 m，生產5年之后，“A”環空井口壓力出現異常升高現象，環空井口壓力最高達9.2 MPa。檢測前，針對此情況，主要采取人工定期泄放環空氣體的辦法來減小其對管柱和井口設備施加的載荷，降低風險。但是，在幾次調節產量之后，環空壓力有上升趨勢。考慮到生產安全問題，開展了相關檢測工作以明確環空壓力的產生原因。如圖9所示，檢測系統環空液位聲波檢測模塊與“A”環空通過油管頭閘板閥外側法蘭上的1/2 NPT螺紋連接。通過開啟/關閉閘板閥實現檢測儀器與環空的連接和隔離。檢測系統的管路出口通過高壓天然氣軟管接入平臺閉排系統，將泄放的氣體引入火炬。

5.2 檢測結果

檢測系統與井口設備連接完畢后，對其連接質量進行試壓檢驗。檢測合格后，根據2.1節中診斷流程，依次進行環空泄壓等檢測操作。環空井口壓力、泄壓氣體流量變化及環空液位聲波檢測信號如圖10所示。

檢測結果顯示，“A”環空液面位置為1224.6 m。對比以往監測數據發現該井“A”環空液面不斷下降。通過孔徑為1/2英寸的針閥對“A”環空進行泄壓，“A”環空井口壓力從9.2 MPa逐漸下降為1.14 MPa并維持穩定。泄壓流量從開閥時的1956 Nm3/h逐漸下降為196.9 Nm3/h并保持穩定。24 h內生產套管壓力沒有降為0。而后，關閉針閥、停止泄壓，環空壓力緩慢恢復至原有壓力水平。“A”環空泄壓時，油壓和其他環空井口壓力不變。對泄放的氣體取樣并檢測其組分，發現與產氣的組分一致。根據環空壓力變化特征及環空中有天然氣這一現象，可以判斷該井環空帶壓，井安全屏障退化，需要進一步診斷。

5.3 環空帶壓原因分析及泄漏定位

綜合現場檢測數據及2.1節中環空壓力來源診斷原理，可以判斷該井環空壓力升高的原因是生產管柱發生泄漏。根據API RP-90，雖然該井“A”環空井口壓力9.2 MPa小于該環空的最大可允許操作壓力(Maximum Allowable Wellhead Operating Pressure，MAWOP)，但鑒于該井初級安全屏障出現退化，泄漏率超出安全范圍，有必要進一步診斷定位泄漏部位，以判斷是否需要修井[32]。

圖8 環空帶壓檢測診斷系統軟件主界面Fig. 8 Software interface of SCP test system

圖9 環空帶壓檢測系統實物及現場連接圖Fig. 9 Diagrams of SCP test system connected with wells

表3所示是該井的井身結構及產量等信息。利用第3.3節所述井下管柱泄漏地面檢測定位模型，建立穩定生產條件下的生產管柱和“A”環空壓力剖面。如圖11所示，兩者相交深度為1414 m，在該深度下“A”環空壓力等于生產管柱內的壓力，可認為該壓力平衡點即為生產管柱泄漏位置。在生產管柱中這個位置對應的是氣舉閥(1412 m)。為防止環空帶壓情況進一步惡化，起出生產管柱并證實該氣舉閥失效。

6 環空壓力變化機理

如圖12所示，完井后“A”環空井口壓力為0。以此環空井口壓力為初始條件，建立初始環空壓力剖面，如圖中紅色虛線所示。初始環空壓力剖面與油管壓力剖面(黑色實線)相交于一點，在該點兩者的壓力平衡，為初始壓力平衡點。初始壓力平衡點將井筒分為上、下兩部分。

對于初始壓力平衡點以上的井筒，生產管柱內的壓力大于相同深度處“A”環空壓力。如果這部分生產管柱發生泄漏，生產管柱內的產氣會在壓差的作用下流入環空中，使環空井口壓力升高，造成環空帶壓。隨著環空壓力升高，當泄漏點處環空壓力與生產管柱壓力達到平衡時，氣體泄漏停止，環空壓力不再變化。如果該井在完井后，環空液體沒有損失，則初始環空壓力剖面(紅色虛線)在坐標軸上將整體向右平移，平移的距離為環空井口壓力升高值(紅色實線)。根據以上規律，可以利用“A”環空壓力剖面與生產管柱壓力剖面交點來定位泄漏點。

實際上，氣井環空帶壓達到一定壓力水平時，需要定期進行環空泄壓檢測診斷，環空液體被不斷排出，液面下降。環空液面降低會導致泄漏點以上的環空液柱壓力減小，使漏點處的環空壓力低于生產管柱內的壓力。這樣生產管柱內產氣會再次泄漏進環空內，直至兩者重新達到平衡。在此過程中，泄漏點處環空總壓不變，而泄漏點以上液柱壓力降低，導致環空井口壓力升高。這種現象與長期檢測結果相一致。如圖13所示，環空壓力升高值?P與環空液面降底值?H之間的關系可通過式(10)計算。利用該關系可以判斷環空壓力是否出現異常升高。如果在穩定生產條件下，環空壓力升高值大于因液位變化導致的升高值，說明井筒出現其他泄漏，必須開展具體分析。由該關系式可知，向環空注液，提高環空液柱壓力，可以降低環空井口壓力。

圖10 環空帶壓診斷檢測數據Fig. 10 Diagnostics test data for SCP

表3 檢測井井身結構信息Table 3 Detailed informations of the illustration well

圖11 基于環空和生產管柱壓力剖面的生產管柱泄定位Fig. 11 Leak locating based on annulus and tubing pressure pro files

對于初始壓力平衡點以下的井筒，生產管柱內的壓力小于相同深度處“A”環空內壓力，如果這部分生產管柱發生泄漏，則環空中的液體會在壓差的作用下被擠入生產管柱內，使環空液面下降。通過檢測液面下降深度及環空井口壓力、溫度，可建立泄漏后環空壓力剖面，如圖14中紅色實線所示。在泄漏點處，“A”環空壓力與生產管柱壓力重新達到平衡，使其壓力剖面在泄漏點處相交。這種狀態下生產管柱的泄漏由于未導致環空井口壓力變化，如若不測量環空液位，很難被發現，處于泄漏隱藏期。而一旦生產狀態改變，例如降低天然氣產量，則環空壓力會迅速升高，短時間內帶來危險。因此，環空動液面必須納入到環空帶壓監測中。

圖12 生產管柱泄漏導致環空帶壓的過程Fig. 12 SCP resulted by tubing leakage

圖13 環空井口壓力與液面變化之間關系Fig. 13 Annular liquid level falling increases the SCP

圖14 生產管柱泄漏導致環空液面降低過程Fig. 14 Annular liquid level falling resulting from tubing leakage

7 結論

(1)建立了海上氣井安全屏障模型，利用事故樹分析方法得出氣井環空帶壓的54種氣體泄漏途徑。分析認為導致天然氣井環空帶壓的最大影響因素是生產管柱的安全屏障元件失效。

(2)針對生產管柱泄漏造成環空帶壓這一危險情況，開發了環空帶壓井診斷檢測技術。建立了基于井筒壓力分布的井下管柱泄漏地面定位模型。研制了綜合壓力、流量、溫度、液面及氣體組分等監測指標的適合海上生產平臺使用的環空帶壓地面檢測診斷系統。針對某海上生產平臺，該系統成功地診斷了環空帶壓氣井的壓力來源和泄漏位置。

(3)在泄漏診斷結果的基礎上，利用圖解法分析了生產管柱泄漏導致氣井環空帶壓的機理。以完井后初始環空壓力剖面與生產管柱壓力剖面交點(初始壓力平衡點)為界，將井筒分為兩部分。初始壓力平衡點上部的生產管柱泄漏會造成環空帶壓；初始壓力平衡點下部的生產管柱泄漏將使環空液面降低，環空井口壓力仍然為0。

(4)環空井口壓力隨著定期泄壓導致的環空液面下降而升高，當環空壓力的升高值大于因液位下降導致的升高值時，說明井筒出現其他泄漏。

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