XX4井井口抬升及影響分析

摘要：XX4井是塔河油田第一口井口抬升的高壓氣井，本文通過調研分析認為造成井口抬升的主要原因是一定長度自由套管的存在及地層溫度梯度過高，主要從理論結合實際生產情況進行了詳細的分析，闡述了溫度效應造成的熱應力對套壓及套管內壓強度等的影響，對預防類似井井口抬升具有一定的指導意義。

關鍵詞：高壓氣井;井口抬升;自由套管;溫度效應

1.前言

根據調研，造成井口整體抬升的可能原因有：溫度效應引起套管柱軸向伸長;內外壓差鼓脹效應導致套管管柱伸長;油管柱軸向變形對采油樹的作用力，引起套管頭的抬升。

由于XX4井套壓最初僅為15MPa，變化范圍為11-24MPa，二套壓不存在壓力，其中外壓差對套管伸長為正相關，由于最大僅有4 MPa，所以對井口抬升影響有限，因此基本排除套管內外壓差鼓脹效應引起井口抬高的原因。

在試油及采油過程中，套管熱膨脹產生高軸向熱應力，環空流體體積膨脹引起密閉空間產生高壓。這種情況下，套管的承溫能力受到極大的考驗，認為套管內外都沒有被水泥固化的“自由段”，在一定條件下會發生抗內壓/外擠破壞，或軸向壓力增加過大而上頂井口[1]。

2.XX4井施工簡況

開井前采氣大四通兩翼用木塊支撐起，采氣樹左、右翼分別掛上鉛垂線。開井前采氣四通距地面高度186cm。開井7小時后井口溫度由38-88℃，采氣樹生產翼距地面高度186-194cm;基敦上固定管線升高7cm，地面緊急關斷閥底座升高3cm。

由于圓井坑被泥漿充填，清理干凈后，未發現明顯升高痕跡，10月7日10：00丈量13-3/8″套管雙公上端距離圓井坑底部高41.8cm，此時采氣生產翼距地面高度189.5cm;10月8日14：00丈量13-3/8″套管雙公上端距離圓井坑底部高40.5cm，此時采氣生產翼距地面高度188.6cm。

3.原因分析

3.1 溫度效應，引起井口抬升

溫度效應是引起井口抬升的主要原因，影響井口抬升高度的主要決于套管的溫差大小和距離井口套管自由段的長度。

（1）套管溫差大小主要是由井底介質的溫度、介質的流量和流速、以及介質向地層的熱散失等有關。介質的溫度又與井深和地溫梯度有關，介質的流量和流速與地層壓力、油嘴大小、求產時間、介質類型（氣、液）等有關，介質向地層的熱散失與套管材料、水泥環、環空保護液、地層巖石的熱傳導系數有關。

（2）距離井口套管自由段的長度主要取決于套管懸空段長度和固井質量差的套管長度（如水泥與套管膠結質量差、水泥強度不夠在熱脹條件下與套管分離等）。套管自由段越長，在同等應力作用下，其伸長量就越大，從而導致井口抬升高度可能就越大。

3.1.1 套管溫差的確定

采用油氣井氣液兩相流條件的休和貝格思（Shiu & Beggs）井筒溫度計算方法獲取，詳細見下：

Shiu和Beggs根井筒傳熱溫降梯度方程，將松弛距離、定壓比熱、井底溫度、地溫梯度等視為常數，導出沿井深z的溫度計算公式。

Shiu & Beggs將松弛距離考慮為單位時間內質量流量、原油、氣、水相對密度、管徑、井口油壓和氣液比的函數，應用線性回歸得到了松弛距離A簡化公式。

應用370口油氣井現場測溫資料回歸獲取了系數值，見表。

3.1.2 套管自由段確定

XX4井13-3/8″套管0-510m為空套管，9-5/8″套管0-55m為空套管，7″套管0-835m為空套管（13-3/8″、9-5/8″、7″套管液面不在井口）。

3.1.3 理論計算井口抬升高度

本井由于高產量持續時間長，地層流體帶出熱量多，井筒溫度上升多。鋼材具有熱脹冷縮的特性，井筒套管受溫度效應影響明顯，又133/8″套管井口510m為空套管，處于無束縛狀態，此套管溫度效應伸長幾乎為自由伸長。

從固井質量曲線看13-3/8″與9-5/8″、9-5/8″與7″套管之間均有水泥固結，故把7″套管13-3/8″套管之間看為整體，當做完全無束縛狀態。

采用溫度效應進行計算：

3.2 載荷初步分析

3.2.1 溫差引起的軸向應力計算

3.2.2 溫差引起的軸向載荷計算

3.2.3 距離井口套管自由段長度計算

因此，井口抬高量為8.3cm時，距離井口套管自由段長度約為457m。與13-3/8″套管自由段510m較接近。因此，理論計算具有一定的參考意義。

4.影響分析

4.1 溫度對自由套管影響方式

溫度對自由套管段的影響方式主要有以下幾方面[2]：

（1）自由套管段的徑向熱膨脹：由于溫度的變化，自由套管段發生膨脹，套管發生徑向位移。

（2）鉆井液熱膨脹效應：在分析自由套管段中，沒有被水泥頂替的環空空間將被其他液體取代，液體主要為鉆井液，鉆井液的膨脹性隨溫度的變化較大，鉆井液的熱膨脹力將對套管產生附加載荷力。

（3）套管的徑向壓縮：鉆井液的熱膨脹效應及套管管體的位移引起環空的內壓力上升，使油層套管外表面發生徑向位移。

（4）鉆井液壓縮效應：液體的性能隨壓力的變化也有很大的變化，壓力的增加將使液體的體積壓縮。

（5）套管軸向溫度應變：自由套管段的管體因溫度效應產生軸向溫度應變。

（6）自由套管附加載荷引起的軸向力。

4.2 溫度對自由套管附加載荷的影響

根據XX4井恢復試采后溫度對井口抬升高度的影響分析（見下圖），溫度對自由套管響應很明顯，在自由套管長度一定的情況下，溫度升高，產生熱應力越大，軸向載荷越大，套管伸長量越大;溫度降低，產生熱應力隨之降低，軸向載荷降低，套管伸長量隨之減小。

5.結論

（1）溫度效應是影響井口抬升的主要原因，為了避免高溫氣井井口抬升情況的出現，在固井是必須要求水泥返高至井口或者盡量減小距離井口段自由套管長度。

（2）環空完井液受溫度影響產生熱膨脹，造成環空壓力升高，增加了套管內壓，可以采取泄套壓的方式，避免套管受到破壞。

（3）縮小工作制度，降低井口溫度，降低了自由套管的軸向載荷，同時也避免了環空壓力過快的升高，從根本上解決了井口承受過大的上頂力及套管的抗內壓破壞。

參考文獻：

[1]張鎮，高寶奎.懸空套管承溫能力分析.西部探礦過程[J]，2009，（7）：53-55.

[2]王樹平.高溫氣井溫度對套管接頭密封及套管附加載荷的影響分析[D]，原西南石油學院碩士論文，2005.

作者簡介：

唐勇，男，1987年出生，2009年7月畢業于西南石油大學，現從事測試試油技術工作。