油氣井密閉環(huán)空壓力調控技術研究現狀與展望*

張 波 管志川 陸 努 李 成 王 恒 韓 超 趙國山 王建云

(1. 中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 新疆庫爾勒 841000； 2. 中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580；3. 中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司 山東東營 257064)

環(huán)空壓力可分為環(huán)空液體熱膨脹引起的密閉環(huán)空壓力[1]和氣竄導致的持續(xù)環(huán)空壓力[2]。密閉環(huán)空壓力在墨西哥灣、巴西、西非和中國南海海域[3]等深水油氣井中均有出現，已經造成墨西哥灣Marlin油田深水油氣井的廢棄[4]和Mad Dog Slot油氣田W1井的油管變形[5]等事故。同時，密閉環(huán)空壓力也已成為頁巖水平井[6]、蒸汽注采井[7]、地熱開發(fā)井[8]和儲氣庫注采井[9]中套管損毀的主要原因之一。以長寧-威遠頁巖氣示范區(qū)為例[6]，水平套損井的比例高達30%，造成了嚴重經濟損失。可見，密閉環(huán)空壓力已經成為油氣井完整性和安全穩(wěn)產的重要挑戰(zhàn)之一。

目前我國正大力推進深水油氣、頁巖氣和地熱資源的開發(fā)及儲氣庫的建設，因此有必要采取一定的措施對密閉環(huán)空壓力進行調控，從而保護油氣井的完整性，避免發(fā)生相關事故。本文主要開展密閉環(huán)空壓力調控措施的研究和分析，基于不同措施的調控機制，分類總結相關措施的作用機理、關鍵參數和應用情況，對比不同措施的成本和施工難度，以期為密閉環(huán)空壓力調控措施的優(yōu)選及關鍵參數設計提供參考，進而實現密閉環(huán)空壓力的高效低成本調控。

1 密閉環(huán)空壓力的危害與調控機制

密閉環(huán)空壓力產生的原理和過程類似于地質學中的“水熱增壓”作用。投產以后，環(huán)空液體隨著井筒溫度的升高發(fā)生體積膨脹，由于液體與套管之間的熱物性差異，膨脹后的環(huán)空液體超過了密閉環(huán)空的容納能力，產生了環(huán)空壓力來實現環(huán)空體積和液體體積的再平衡。基于環(huán)空液體PVT性質[10]和體積相容性原則[1]，密閉環(huán)空壓力基本表達式可表示為

(1)

式(1)：Δpa為環(huán)空壓力，MPa；α為液體等壓膨脹系數，℃-1；k為液體等溫壓縮系數，MPa-1；ΔTa為環(huán)空溫度變化值，℃；ΔVa為環(huán)空體積變化值，m3；Vf為環(huán)空流體體積，m3；ΔVf為環(huán)空流體體積變化值，m3。

圖1為密閉環(huán)空壓力在不同條件下隨產出液溫度的變化規(guī)律曲線，圖中基礎數據所代表的生產時間和產液量分別為200 d、120 t/d[11]。由圖1可知，密閉環(huán)空壓力隨著產出液井底溫度的增加而上升；對比不同產液量和生產時間的曲線可知，產液量的增加和生產時間的延長也會導致密閉環(huán)空壓力的上升，最高可達幾十兆帕。當密閉環(huán)空壓力預測失真或采取控制措施不當時，油氣井管柱強度和井身結構就難以適應生產過程中的環(huán)空壓力的變化，此時油氣井的完整性不可避免的發(fā)生破壞[12]，特別是高溫高產油氣井。

圖1 密閉環(huán)空壓力在不同條件下隨產出液溫度變化規(guī)律[11]Fig .1 Change law of trapped annulus pressure with production fluid temperature under different conditions[11]

1.1 密閉環(huán)空壓力對油氣井井筒完整性的危害

密閉環(huán)空壓力對油氣井井筒完整性的危害主要體現在套管強度可靠性、油氣井密封完整性和井口穩(wěn)定性等3個方面，所引發(fā)的事故井分析見表1。從表1可以看出，目前與密閉環(huán)空壓力相關的事故主要表現為套管強度可靠性的降低，即當環(huán)空壓力所造成的壓差超過套管的設計強度時，套管就會發(fā)生擠毀變形，且在深水油氣井、頁巖氣水平井、蒸汽注入井和地熱開采井中均有出現。

表1 密閉環(huán)空壓力引發(fā)的事故井分析Table 1 Analysis of accident wells caused by trapped annulus pressure

圖2分別是加拿大蒸汽注入井生產套管和墨西哥灣Pompano WA-31井中φ406.4 mm套管擠毀的圖片[7,13]，可見環(huán)空內側未被水泥環(huán)固定的“自由套管”在環(huán)空高壓的作用下會發(fā)生擠毀變形，并且密閉環(huán)空壓力的快速增加還會增加套管中的應力值，導致套管發(fā)生彈性變形[14]，這也是BP公司Marlin油田深水井廢棄的原因之一。同時，套管的腐蝕速率在環(huán)空壓力的作用下也會增加[15]，尤其是含有硫化氫等腐蝕性流體的油氣井。目前，部分油氣井已經把環(huán)空帶壓和套管腐蝕納入套管強度設計考慮的因素中[16]。

圖2 密閉環(huán)空壓力導致的套管損壞[7,12]Fig .2 Casing damage caused by trapped annulus pressure[7,12]

此外，密閉環(huán)空壓力的產生意味著井筒內溫度和壓力的改變，因此會導致油氣井密封完整性遭到破壞。一方面是水泥環(huán)中產生微環(huán)隙[17-18]或剪切破壞[19]。當水泥環(huán)在密閉環(huán)空壓力作用下發(fā)生不可恢復的塑性變形時，水泥環(huán)與套管界面就有可能產生環(huán)隙。當密閉環(huán)空壓力致使水泥環(huán)應力超過其剪切強度時，就發(fā)生剪切破壞，生產裂隙。另一方面是封隔器存在較大的失效風險[20]。傳統的設計方法中，封隔器環(huán)空中的壓力等同于地層壓力，并不考慮環(huán)空壓力的影響。環(huán)空壓力產生和變化過程中，封隔器的上下壓差隨之改變，致使封隔器受力狀態(tài)已經超出安全范圍。第三，密閉環(huán)空壓力會引起井口設備發(fā)生縱向位移[21-22]。環(huán)空壓力的產生過程中，井筒內的溫度場和壓力場同時發(fā)生改變。自由段套管可作為彈簧模型進行處理，因此自由段套管在溫度和壓力的共同作用下，軸向載荷增加并發(fā)生軸向變形，進而引起井口上升。井口上升會改變井口的結構和布局，破壞井口裝置的穩(wěn)定性，導致井口周圍管線發(fā)生變形，嚴重時還會引起管線的斷裂和螺栓的失效[23]。

1.2 密閉環(huán)空壓力調控機制與措施

根據密閉環(huán)空壓力的產生機理，密閉環(huán)空的有限體積和熱膨脹的環(huán)空液體之間的矛盾是環(huán)空壓力上升的根本原因,其產生需要兩個基本的條件：一是環(huán)空溫度場變化的熱源；二是密閉且含有液體的空間。對于油氣井來講，溫度場的再分布是不可避免的。而消除密閉環(huán)空需要進行全井段固井，但全井段固井有可能會固住水下防噴器以及井口防噴器。深水的淺部發(fā)生固井漏失的可能性非常大，井眼也往往存在不規(guī)則的情況，即便是水泥漿的附加量非常充足，上部環(huán)空也會因為水泥漿漏失而沒有被封固。

綜上所述，密閉環(huán)空壓力的調控依賴于各類工程措施，從而保護油氣井完整性。根據式(1)可知，影響環(huán)空壓力的主要因素包括環(huán)空液體的性質、環(huán)空溫度變化值和環(huán)空及環(huán)空液體體積變化[11]。因此，依據不同的作用機制和影響因素，現有的調控措施可分為4類，如圖3所示，分別通過控制環(huán)空溫度、釋放膨脹液體、容納環(huán)空熱膨脹液體和增加環(huán)空液體壓縮性來實現。其中，控制環(huán)空液體溫度可通過環(huán)空隔熱液體或隔熱管材實現。釋放環(huán)空熱膨脹液體的措施包括破裂盤、水泥返高到上層套管鞋以下、射孔和可犧牲套管，這類措施破壞了環(huán)空的密閉性，從而控制密閉環(huán)空壓力。中空微球、復合壓縮泡沫、預置泄壓空間和聚合物單體縮聚等措施是在一定的溫度或壓力條件下通過自身的體積變化來容納熱膨脹的環(huán)空液體，達到控壓的目的。由于氮氣和氮氣泡沫的壓縮性明顯優(yōu)于液體，因此環(huán)空注氮可改善環(huán)空內流體的分布，并提高環(huán)空內流體的壓縮性。

圖3 基于不同作用機制的密閉環(huán)空壓力調控措施分類Fig .3 Classification of trapped annulus pressure regulation measures based on difference working mechanisms

2 密閉環(huán)空壓力調控技術研究現狀

2.1 基于控制環(huán)空溫度的調控技術

控制環(huán)空溫度可通過增加井筒的徑向傳熱熱阻來實現，常用方式是采用隔熱管材和隔熱液體，其中隔熱管材包括真空隔熱油管和套管。目前，隔熱油管已經進行室內測試[24]，并在巴西[25]、墨西哥灣[26]的深水油氣田開展了應用研究。但是隔熱管材的下入深度存在最佳值，超過該值后調控效果不會提升[27-28]，并且隔熱管材接箍的類型和結構對于控制效果至關重要，最多可消減61%的熱損失。King West油田采用聚氨酯接箍隔熱油管控制密閉環(huán)空壓力取得了良好的效果[24]。此外，隔熱油管的強度低于普通油管，需要進行應力分析以保證其滿足強度要求。考慮到成本因素，一般優(yōu)先采用隔熱油管，當不滿足調控需求時，再采用隔熱油管和套管復合隔熱提高調控效果。

環(huán)空隔熱液體與隔熱管材的調控原理相同，具有高隔熱性、低腐蝕性和良好的耐溫性，并且在高溫靜置時具有高黏性，保證隔熱性能穩(wěn)定，而低溫泵送又具有低黏的特點。無固相水基隔熱液的出現克服了固相沉積的問題[29-32]。哈里伯頓公司的高黏度隔熱封隔液密度在1.02～1.75 g/cm3，耐溫可達162.8 ℃，導熱系數低于0.68 W/(m·K)，能夠同時削減熱傳導和熱對流效應，并且能夠與各類井筒工作液兼容，不會影響正常的油氣井作業(yè)和完整性[33]。相比于隔熱管材，環(huán)空隔熱液體的成本較低，因此應用廣泛，尤其是在墨西哥灣地區(qū)的高溫高壓油氣井中。

2.2 基于釋放環(huán)空熱膨脹液體的防治技術

2.2.1破裂盤技術

如圖4所示，破裂盤是套管短節(jié)上的膜片[34]，當內外兩側的壓差到達其破裂壓力時，就會平衡套管兩側壓力或向地層形成泄壓通道，從而保護環(huán)空內側套管完整性。因此，破裂盤的破裂壓力必須要小于內層套管的抗外擠強度和外層套管的抗內壓強度。破裂盤的破裂壓力與溫度和尺寸等因素相關[35]，為提高破裂盤的可靠性，通常在套管短節(jié)上同時安裝多個破裂盤，2個破裂盤之間呈180°相對分布[36-37]。此外，還有一種具有單向泄壓功能的套管短節(jié)[38]，其作用機理與破裂盤相似，也能實現套管兩側的壓力平衡，避免套管發(fā)生擠毀。破裂盤具有成本低和安裝便捷的優(yōu)勢，已廣泛應用于深水油氣井，包括墨西哥灣、西非尼日利亞海域和中國南海東部海域。

圖4 破裂盤示意圖[34]Fig .4 Sketch map of burst rupture[34]

2.2.2水泥返高到上層套管鞋以下

如圖5所示，當水泥返高降低到套管鞋以下時，環(huán)空與地層直接接觸，在密閉環(huán)空壓力和液柱壓力的作用下，環(huán)空中的液體逐漸進入地層，達到降低密閉環(huán)空壓力的目的[39]。同理，在外層套管射孔也能達到連通地層和環(huán)空的目的，這一措施成本低，但適應性和可靠性差，如BP石油公司的Mad Dog Slot W1井在采取了射孔泄壓措施的情況下仍然發(fā)生了環(huán)空壓力損毀管柱的事故。因此，射孔泄壓措施必須滿足：①裸眼井段需要保證在150 m以上或超過固相沉積的高度，否則固相沉積堵塞泄流通道[5,40]。然而，實際井眼形狀不規(guī)則，因此水泥返高難以精確控制。②環(huán)空液體進入地層可分為滲透性漏失和裂縫性漏失[41-42]，因此滲透性漏失的情況下鹽膏層等低滲透性地層中仍會產生較高的密閉環(huán)空壓力。③水泥返高的設置必須位于必封點以上的位置。

圖5 水泥返高到上層套管鞋以下控制密閉環(huán)空壓力示意圖Fig .5 Sketch map of cement shortfall to control trapped annulus pressure

2.2.3可犧牲套管技術

可犧牲套管是指套管柱中強度較低的套管，因此可犧牲套管會首先破裂，可通過密閉環(huán)空與地層聯通來抑制密閉環(huán)空壓力的增長[43]。印尼海域某深水油氣井[44]在381.30～518.56 m井段安裝了X56鋼級的套管作為可犧牲套管，其余套管鋼級均為X80。在選擇可犧牲套管的安裝位置和強度時，應綜合考慮套管柱的應力狀態(tài)、外部地層性質和密閉環(huán)空壓力的大小。可犧牲套管一般安裝在環(huán)空套管柱中部，該技術可以克服固相沉積的不利影響，但依然受限于地層性質，并且不適用于未與地層接觸的環(huán)空。

2.3 基于容納環(huán)空液體熱膨脹體積的防治技術

2.3.1中空玻璃微球

如圖6所示，中空玻璃微球具有中空結構，直徑一般在19.05～38.10 mm，當密閉環(huán)空壓力達到一定值時就會破裂，釋放出額外的體積來容納膨脹的環(huán)空液體，降低環(huán)空壓力。測試表明[7]，混入15%中空玻璃球以后，環(huán)空壓力在近300 ℃溫度條件下依然低于10 MPa；與此同時，未加入玻璃球時環(huán)空壓力在200 ℃時達到20 MPa以上，可見中空微球能夠有效降低密閉環(huán)空壓力。中空玻璃微球在蒸汽注入井和水深300 m以下的海洋油氣井中取得了良好的調控效果[7,45]，但在超深水油氣井中需要考慮液柱壓力，避免微球提前破裂。

2.3.2復合可壓縮泡沫

如圖7所示，復合可壓縮泡沫是固定在環(huán)空內側套管外表面的環(huán)狀結構，在高壓作用下體積發(fā)生收縮。可壓縮泡沫的體積隨壓力變化的規(guī)律可分為彈性壓縮階段、平穩(wěn)壓縮階段和密實化階段，最終到達體積收縮極限[46-47]，被壓縮的體積用來釋放出容納熱膨脹的環(huán)空液體，從而達到降低密閉環(huán)空壓力的目的。復合可壓縮泡沫的關鍵調控參數是其材料的體積收縮率和啟動壓力，目前可壓縮泡沫的體積收縮量一般在30%以上，最高可達50%，在墨西哥灣、歐洲北海地區(qū)和西非海域的深水油氣田中均有應用[48-50]。

圖6 中空玻璃微球示意圖Fig .6 Sketch map of hollow glass sphere

圖7 可壓縮泡沫示意圖Fig .7 Sketch map of syntactic crushable foam wrap

2.3.3預置泄壓空間

預置泄壓空間是一個艙室，被固定于套管外側，通過一定的措施與環(huán)空保持隔絕，在環(huán)空壓力產生后泄壓空間便用于補償環(huán)空液體熱膨脹所需要的體積[51]。內置泄壓空間的雙層管壁套管結構如圖8所示，其關鍵參數包括泄壓空間體積和開啟壓力[52]。Shell公司所屬的荷蘭Groningen氣田中[53]，內置泄壓空間由φ193.675 mm套管和φ244.475 mm套管同心放置密封而成，在外側的φ244.475 mm套管安裝破裂盤，用于溝通密閉環(huán)空與泄壓空間，達到容納熱膨脹液體，控制密閉環(huán)空壓力的目的。該措施直接解決了熱膨脹液體和環(huán)空體積之間的矛盾，調控效果好，并且不受地層性質等因素的限制[54]。

圖8 內置泄壓空間的雙層管壁套管示意圖Fig .8 Sketch map of mitigation casing with double walls and relief space

2.3.4聚合物單體縮聚

聚合物單體發(fā)生縮聚反應時體積會減小，因此可以用于控制密閉環(huán)空壓力[55]。雪弗龍公司研發(fā)了一種可以收縮體積的液體，這種液體的收縮是通過甲醛丙烯酸甲酯(MMA)單體在一定溫度和化學催化劑的作用下轉變?yōu)榫奂谆┧峒柞?PMMA)實現的，體積收縮率可達20%。MMA單體在鉆井液循環(huán)過程中受熱，然后在水泥環(huán)上部延遲聚合，實現環(huán)空液體的體積收縮，進而控制密閉環(huán)空壓力，具有成本低、毒性小和收縮率高的特點。實驗表明，普通水基鉆井液中可混入10%～50%的MMA單體，可實現較好的控制效果。

2.4 提高環(huán)空液體可壓縮性技術

提高環(huán)空液體的可壓縮性能夠降低升高單位溫度所產生的環(huán)空壓力數值，從而顯著降低密閉環(huán)空壓力。通用的做法是向環(huán)空中注入一定比例的氮氣泡沫段塞，因為其等溫壓縮系數遠大于環(huán)空液體[56-57]。注氮氣技術已經在海上油氣田井筒隔熱[58]和油田增產[59]等領域開展了相關應用，并且具有專用的注入系統[60]，但是，注氮氣的調控能力有限，如圖9所示，環(huán)空壓力的下降趨勢隨著氮氣泡沫注入體積的增加而逐漸減緩[61]，水基鉆井液中氮氣泡沫體積達到15%以上時，環(huán)空壓力基本不再繼續(xù)下降。對于合成基鉆井液，氮氣泡沫體積達到5%以上時，注氮氣的調控效果便不再發(fā)生明顯變化[62]。此外，注氮控壓的效果還受到水深的影響。因此，注氮控壓要首先確定其對密閉環(huán)空壓力的調控能力，然后選擇合理的注入量。

圖9 氮氣注入量對密閉環(huán)空壓力調控效果的影響Fig .9 Impact of N2 injection volume on trapped annulus pressure regulation effect

3 密閉環(huán)空壓力調控技術展望

1)大力提高調控技術的可靠性，降低成本和施工難度，擴展高效調控技術的應用范圍，可從主動調控和被動調控兩方面進行研究。兩種調控技術在施工難度、成本、可靠性和應用范圍上具有差異性[36-37,63-64]，詳見表2。從應用情況來看，破裂盤和環(huán)空隔熱液體應用較為廣泛，但破裂盤可靠性一般，而環(huán)空隔熱液體需要專門的注入設備，可壓縮泡沫等產品在國外已有成熟的產品。從調控效果來看，預置泄壓空間和中空玻璃微球具有良好的應用前景，有必要開展進一步的研究，研發(fā)成熟的裝置和產品。可犧牲套管、水泥返高到上層套管鞋以下和破裂盤等技術措施成本低，但需要根據單井條件評價適用性，并提高設計的可靠性。

表2 密閉環(huán)空壓力調控技術措施對比與分析Table 2 Comparison and analysis of measures of trapped annulus pressure regulation technology

2) 建立密閉環(huán)空壓力預測-危害分析-調控綜合決策優(yōu)化系統，從而科學系統地對調控技術進行設計和優(yōu)化。一方面，調控技術措施的實施和設計依賴于密閉環(huán)空壓力的準確預測，由于調控措施是在密閉環(huán)空壓力產生之前實施的，如果無法準確預知密閉環(huán)空壓力，調控技術措施就難以發(fā)揮理想的效果或造成調控成本大幅上升。同時，密閉環(huán)空壓力的準確預測是分析密閉環(huán)空壓力對油氣井危害的前提。另一方面，要從危害分析入手開展密閉環(huán)空壓力的管理和控制研究。危害分析決定了采取控制措施的必要性。如果所產生的環(huán)空壓力不會危害井筒完整性和安全生產，即原來所設計的井身結構和強度滿足環(huán)空帶壓條件下的安全可靠性，此時即無需采取對應措施。只有產生相應的風險后，才應該采取對應的控制措施。同時，風險分析可以確定環(huán)空壓力調控的目標值，環(huán)空壓力的調控應該保證上述各類風險均不再發(fā)生，因此調控的目標值應該通過危害分析來確定，從而最大可能地保障調控成功。

3) 密閉環(huán)空壓力調控技術措施的選用和設計應綜合考慮各種因素的影響。密閉環(huán)空壓力調控技術措施優(yōu)選流程如圖10所示，首先根據調控目標、地層性質和井身結構等參數來篩選單井適用措施，其中調控目標值應依據環(huán)空帶壓條件下的井筒完整性進行確定，從而保護油氣井完整性；然后建立加權評估方法，綜合考慮施工難度、應用成本、可靠性和技術水平來確定最終的調控措施；最后對關鍵參數進行設計。

圖10 密閉環(huán)空壓力調控技術措施優(yōu)選流程圖Fig .10 Process to select the measures of trapped annulus pressure regulation technology

4 結論

1) 密閉環(huán)空壓力會危害油氣井井筒完整性，主要體現在套管強度可靠性和油氣井密封完整性。因此，對于具備產生密閉環(huán)空壓力條件的油氣井，在鉆完井設計階段就應把調控措施納入井身結構設計的考慮因素中。

2) 密閉環(huán)空壓力的調控技術措施主要是通過控制環(huán)空溫度、釋放膨脹液體、容納環(huán)空熱膨脹液體和增加環(huán)空液體壓縮性來實現。目前破裂盤、環(huán)空隔熱液和可壓縮泡沫技術較為成熟，應用較為廣泛。為實現密閉環(huán)空壓力的高效調控，應著重提高調控措施的可靠性，降低其成本和施工難度。

3) 為實現密閉環(huán)空壓力高效調控，有必要建立密閉環(huán)空壓力預測-危害分析-調控綜合決策優(yōu)化系統，提高密閉環(huán)空壓力預測精度，開展環(huán)空帶壓條件下的井筒完整性評價，在分析密閉環(huán)空壓力危害的基礎上確定調控目標值，調控措施的優(yōu)選和設計應以地層條件和井身結構為依據。同時，還要進一步研究新型調控措施，掌握環(huán)空壓力調控核心技術，降低調控成本。